i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN THỊ THUẦN
MÔ PHỎNG SỰ ĐIỆN PHÂN
BẰNG KỸ THUẬT PARTICLE TRONG THỰC TẠI ẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà nội 2014
ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Tác giả

Nguyễn Thị Thuần
iv
LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian dài nghiên cứu, đến nay tôi đã hoàn thành luận văn thạc
sỹ chuyên ngành Công nghệ phần mềm khoa Công nghệ thông tin với tên đề tài là
“Mô phỏng sự điện phân bằng kĩ thuật Particles trong thực tại ảo”.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS. TS. Đỗ Năng Toàn là ngƣời trực
tiếp giúp đỡ và chỉ bảo tận tình cho tôi. Thầy tạo điều kiện cho tôi đƣợc thực hành
những kiến thức lý thuyết mà mình nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận văn
này. Và tôi cũng xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới các anh chị làm việc trong phòng
thực tại ảo của Viện Công nghệ thông tin đã chỉ bảo cho tôi khi tôi thực hành tại
đó.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô giáo của trƣờng Đại học Công nghệ
đã tận tình dạy dỗ và cho chúng tôi có đƣợc những kiến thức vô cùng quý báu để
chúng tôi tự tin trong hành trình của mình.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, và cơ quan tôi đang công tác
những ngƣời đã luôn bên tôi, đóng góp cho tôi những ý kiến bổ ích để tôi hoàn
thành tốt luận văn này.

v TÓM TẮT LUẬN VĂN


PHẦN MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1 3
TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ SỰ ĐIỆN PHÂN 3
1. 1. Khái quát về thực tại ảo 3
1. 1. 1. Lịch sử ra đời 3
1. 1. 2. Định nghĩa về thực tại ảo 3
1. 1. 3. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo 5
1. 1. 4. Những ứng dụng của thực tại ảo 6
1. 2. Sự điện phân 10
1. 2. 1. Sơ lƣợc về điện tích 10
1. 2. 2. Sự điện phân và ứng dụng của sự điện phân 11
1. 2. 3. Các kĩ thuật mô phỏng sự điện phân 16
1. 3. Kết luận 17
Chƣơng 2 18
KĨ THUẬT MÔ PHỎNG PARTICLES 18
2. 1. Một số khái niệm 18
2. 2. Kĩ thuật mô phỏng Particles 21
2. 2. 1. Xây dựng các thuộc tính cho Particles 22
2. 2. 2. Sinh các Particles và Khởi tạo các thuộc tính cho Particles 24
2. 2. 3. Tính toán, cập nhật các thuộc tính cho Particles 27
2.2. 4. Particles Rendering 27
vii

2. 3. Ƣu nhƣợc điểm của kĩ thuật Particles 28
2.3.1. Ƣu điểm 28
2.3.2. Nhƣợc điểm 28
2. 4. Kết luận 29
Chƣơng 3 30
KĨ THUẬT PARTICLES CHO MÔ PHỎNG SỰ ĐIỆN PHÂN VÀ CHƢƠNG
TRÌNH THỬ NGHIỆM 30

Two Dimenssion
Không gian hai chiều
3D
Three Dimenssion
Không gian ba chiều
RGB
Red, Green, Blue
Đỏ, xám, xanh
HMD
Head Mounted Display
Mũ đội đầu hiển thị
VRML
Virtual Reality Modeling
Language
Ngôn ngữ thực tại ảo
SI
System International
Hệ đo lƣờng quốc tế
ix

Danh mục hình vẽ, bảng biểu
Hình 1. 1: Tƣơng tác trong thực tại ảo 4
Hình 1. 2: Data Glove 5
Hình 1. 3: Hi - Fi 6
Hình 1. 4: Phòng trƣợt tuyết ảo 7
Hình 1. 5: Kính thực tế ảo cho phép giáo sƣ nắm bắt đƣợc suy nghĩ của sinh
viên 8

Hình 1. 7: Mô tả bình điện phân 12
Hình 2. 1. Particles 18

+
trên bề mặt anot sau đó đi vào dung dịch. Đồng thời các ion NO
3
-
cũng di chuyển tiến về anot 38
Hình 3. 11: Hình ảnh anot bị ăn mòn 39
1 PHẦN MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của xã hội, ngành công nghệ thông tin đã có những
bƣớc phát triển mạnh mẽ cả về phần cứng và phần mềm. Những ứng dụng của nó
vào cuộc sống ngày càng phong phú và đa dạng. Từ y tế, học đƣờng, giao thông …
lĩnh vực nào cũng đã và đang ứng dụng thành tựu của công nghệ thông tin. Các
sản phẩm của công nghệ thông tin đã trở thành trợ thủ đắc lực cho con ngƣời trong
công việc, đem lại hiệu quả và đƣa con ngƣời đến với tầm cao của tri thức, khám
phá và lí giải rất nhiều bí ẩn tiềm tàng trong cuộc sống. Một trong những lĩnh vực
nghiên cứu của công nghệ thông tin giúp con ngƣời làm đƣợc những điều đó mà ta
phải kể đến đó là thực tại ảo – Virual Reality (VR).
Thực tại ảo là một lĩnh vực không còn mới mẻ và nó đƣợc nghiên cứu trong
tất cả các lĩnh vực của đời sống. Nó là một môi trƣờng 3 chiều đƣợc phát sinh,
tổng hợp và điều khiển thông qua máy tính nhằm mục đích mô phỏng lại thế giới
thực hoặc một thế giới theo tƣởng tƣởng của con ngƣời. Nó cho phép ngƣời dùng
thông qua các thiết bị ngoại vi tƣơng tác với các sự vật, hiện tƣợng của thế giới ảo
giống nhƣ tƣơng tác với các sự vật và hiện tƣợng của thế giới thực.
Hiện nay chúng ta đã thấy ở Việt Nam nhu cầu sử dụng các phần mềm ứng
dụng trong quản lý, hay các website quảng bá rất phát triển. Nhƣng với những
ngành công nghiệp sản xuất cần phát triển theo chiều sâu nhƣ: tự động hóa và điều
khiển, khai thác, thăm dò … chƣa đƣợc đầu tƣ đúng đắn. Đặc biệt, trong lĩnh vực
giáo dục nhà nƣớc ta đang chủ chƣơng đổi mới phƣơng pháp dạy học, tích cực sử

3 Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ SỰ ĐIỆN PHÂN
1. 1. Khái quát về thực tại ảo
1. 1. 1. Lịch sử ra đời
Khái niệm thực tại ảo đã có trong nhiều thập niên nhƣng nó chỉ thực sự
đƣợc nhận thức vào khoảng những năm 90 của thế kỷ XX. Vào 1962, Morton
Heiling (Mỹ) đã phát minh ra thiết bị mô phỏng Sensorama. Đó là thiết bị điều
khiển một ngƣời sử dụng gồm có: một màn hình thực thể kính, quạt, máy tạo mùi,
loa, âm thanh và một chiếc ghế có thể di chuyển đƣợc. Vài năm sau đó, những kĩ
sƣ của công ty Phileo đã phát triển HMD gọi là Headsingt. Cái mũ sắt này gồm
một màn ảnh và hệ thống theo dõi video. Họ dự định sử dụng HMD trong các tình
huống nguy hiểm hay trong môi trƣờng quan sát từ xa, điều khiển góc quay
camera bằng cách quay đầu.
Bell Laboratories đã sử dụng HMD cho những phi công lái máy bay trực
thăng. Họ liên kết HMD với những camera hồng ngoại gắn bên ngoài máy bay
giúp phi công có thể nhìn rõ ngay cả khi môi trƣờng thiếu ánh sáng.
Vào khoảng năm 1965, nhà khoa học máy tính có tên là Ivan Sutherland
hình dung ra điều mà ông gọi là “Ultimate Display”, sử dụng hiển thị này một
ngƣời có thể nhìn thấy thế giới vật lý thật. Điều này đã định hƣớng cho cách nhìn
về thực tại ảo. Khái niệm của Suntherland bao gồm:
1. Một thế giới ảo mà ta có thể quan sát qua HMD.
2. Một máy tính để duy trì các mô hình trong thời gian thực.
1. 1. 2. Định nghĩa về thực tại ảo
Thuật ngữ “virual reality” – thực tại ảo đƣợc đƣa ra bởi Jaron Lanier (ngƣời
sáng lập công ty VPL Research tại California một trong những công ty đầu tiên
cung cấp các sản phẩm cho môi trƣờng ảo). Hiện nay, có rất nhiều định nghĩa về
thực tại ảo, tuy nhiên định nghĩa đƣợc chấp nhận và nhân rộng nhiều nhất là của C.

một hoặc nhiều màn hình hoặc hệ thống máy chiếu để tạo ra màn hình lớn.
Hệ thống này đặt xung quan ngƣời dùng để tạo cảm giác hòa mình vào môi
5

trƣờng 3D ảo.
3. Hệ thống VR nhập vai: Hệ thống này tạo cho ngƣời dùng có cảm giác thực
tế nhất. Ngƣời dùng sẽ đeo HMD hoặc sử dụng thiết bị BOOM để nhìn vào
môi trƣờng ảo.
1. 1. 3. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo
Một hệ thống thực tại ảo thƣờng gồm ba thành phần: Phần cứng, phần mềm
và bộ giả lập.
1. Phần cứng
 Một máy tính đƣợc coi là máy tính trạm với cấu hình đồ họa mạnh.
Các máy tính đƣợc ứng dụng thực tại ảo để điều khiển các thiết bị
cảm ứng tạo cho ngƣời dùng các giác nhập vai trong môi trƣờng ảo
3D. Bởi vậy, phải là các máy tính có cấu hình mạnh hơn nhiều so với
máy tính cá nhân thông thƣờng về tốc độ xử lý, khả năng xử lý đồ
họa, khả năng lƣu trữ và đặc biệt là xử lý đa nhiệm. Chúng đƣợc tối
ƣu để xử lý và hiển thị nhiều dữ liệu phức tạp nhƣ hình ảnh 3D, hoạt
hình mô phỏng thực tế, rendering hình ảnh …
 Các thiết bị đầu vào là các thiết bị mà có khả năng kích thích các giác
quan để tạo nên cảm giác hiện hữu trong thế giới ảo. Gồm có: bộ dò
vị trí để xác định vị trí quan sát, bộ giao diện định vị để di chuyển vị
trí ngƣời sử dụng, bộ giao diện cử chỉ nhƣ Data Glove.

Hình 1. 2: Data Glove
 Các thiết bị đầu ra: gồm các thiết bị hiển thị đồ họa (màn hình, mũ đội
đầu có màn hiển thị để nhìn đƣợc đối tƣợng 3D); các thiết bị âm thanh
6


khám phá sự thú vị của môn thể thao này. Hoặc bạn muốn tham gia vào một trò
chơi nào đó có tính mạo hiểm mà trong hiện thực không dám thực hiện nhƣ: nhảy
dù, leo núi Công nghệ thực tại ảo sẽ giúp bạn thực hiện điều đó dễ dàng.

Hình 1. 4: Phòng trƣợt tuyết ảo
Trong y học: ngƣời ta sử dụng công nghệ thực tại ảo để tạo môi trƣờng cho
việc nghiên cứu của các chuyên gia, việc thực hành của các sinh viên. Các bác sĩ
có thể tiến hành phẫu thuật thử nghiệm trên những bệnh nhân mô phỏng để vừa
nâng cao tay nghề, vừa giảm nguy hiểm cho ngƣời bệnh. Hoặc các mô phỏng nội
soi của VR giúp cho các sinh viên có thêm kinh nghiệm thực tế.
Trong giáo dục: các nhà nghiên cứu Tây Ban Nha vừa giới thiệu một hệ
thống sử dụng kính thông minh cho phép giáo sƣ nhận các phản hồi từ sinh viên về
nội dung bài giảng trên lớp. Hệ thống thực tại ảo với màn hình gắn trƣớc mắt cho
phép một giảng viên thấy những ký hiệu lơ lửng trên mỗi sinh viên, biểu thị mức
độ hiểu và tiếp thu bài vở của họ
8 Hình 1. 5: Kính thực tế ảo cho phép giáo sƣ nắm bắt đƣợc suy nghĩ của sinh viên
Những biểu tƣợng trên do chính các sinh viên kích hoạt qua điện thoại di
động và đƣợc sử dụng để báo cho giáo sƣ biết rằng họ hiểu hay không hiểu bài
giảng vừa rồi, hoặc cần giảng chậm hơn một chút …
Chỉ bằng cách nhìn vào biểu tƣợng hiển thị trên đầu mỗi sinh viên, giáo sƣ
đứng lớp có thể nắm đƣợc tình hình tổng quan và hiểu đƣợc thông điệp của từng
ngƣời. Hệ thống cũng cung cấp cho sinh viên một phƣơng thức giao tiếp mới, cho
phép họ giữ liên lạc với giáo sƣ ngay tức thời và hết sức riêng tƣ mà không phải
làm gián đoạn cả lớp học.
Về bảo tồn di sản văn hóa: ngƣời ta muốn đến thăm thành Thăng Long vào
một chiều mùa thu năm 1506? Thật đơn giản bạn chỉ việc đội một chiếc mũ
chuyên dụng của VR, đeo một đôi găng tay cũng của VR rồi lựa chọn các thông số

Hình 1.6: Phòng thực tại ảo đào tạo phi công lái máy bay
Còn rất nhiều ứng dụng quan trọng nữa của VR trong đời sống hằng ngày
của chúng ta nhƣ: xây dựng, du lịch, thƣơng mại, sản xuất … Điều đó một lần nữa
khẳng định tầm quan trọng trong việc nghiên cứu công nghệ thực tại ảo để có thể
ứng dụng nó vào các lĩnh vực trong đời sống thực tiễn của con ngƣời.
10

1. 2. Sự điện phân
1. 2. 1. Sơ lược về điện tích
Điện tích là một tính chất cơ bản và không đổi của một số hạt nguyên tử,
đặc trƣng cho tƣơng tác điện từ giữa chúng. Điện tích tạo ra trƣờng điện từ và cũng
nhƣ chịu sự ảnh hƣởng của trƣờng điện từ. Sự tƣơng tác giữa một điện tích với
trƣờng điện từ khi nó chuyển động hoặc đứng yên so với trƣờng điện từ này là
nguyên nhân gây ra lực điện từ, một trong những lực cơ bản của tự nhiên.
Điện tích còn đƣợc hiểu là “hạt mang điện”. Khi hạt mang điện này đƣợc
coi là rất nhỏ nhƣ một chất điểm thì điện tích đƣợc gọi là điện tích điểm. Nếu điện
tích điểm đƣợc sử dụng trong một thí nghiệm, có thể là thí nghiệm tƣởng tƣợng
trên lý thuyết thì nó đƣợc gọi là điện tích thử.
Theo quy ƣớc, có hai loại điện tích: điện tích âm và điện tích dƣơng. Điện
tích của electron là âm, ký hiệu là –e còn điện tích của proton là dƣơng, ký hiệu là
+e với e là giá trị của một điện tích nguyên tố. Các hạt mang điện cùng dấu (cùng
dấu dƣơng hoặc cùng dấu âm) sẽ đẩy nhau. Ngƣợc lại, các hạt mang điện khác dấu
sẽ hút nhau. Tƣơng tác giữa các hạt mang điện nằm ở khoảng cách rất lớn so với
kích thƣớc của chúng tuân theo định luật Coulomb (Cu - lông). Định luật Coulomb
đƣợc đặt theo tên nhà vật lý Pháp Charles De Coulomb. Định luật Cu – lông phát
biểu nhƣ sau:
Độ lớn tƣơng tác giữa hai điện tích điểm tỷ lệ thuận với tích độ lớn của các
điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phƣơng khoảng cách giữa chúng.
Điện tích của một vật vĩ mô là tổng đại số của tất cả các điện tích tƣơng ứng
của các hạt phần tử cấu thành nên vật đó. Thông thƣờng, các vật quanh ta đều

loại rồi nối với một bộ pin, ta thấy dòng diện chạy qua rất nhỏ. Điều đó chứng tỏ
trong nƣớc tinh khiết có rất ít hạt tải điện. Cho thêm vào trong nƣớc một lƣợng
nhỏ axit, bazo hoặc muối thì có dòng điện tăng mạnh, chứng tỏ mật độ hạt tải điện
trong đó tăng lên. Sự tăng số hạt tải diện trong các dung dịch nhƣ thế có thể giải
thích dựa trên một lí thuyết gọi là thuyết điện li.
Định nghĩa thuyết điện li : trong dung dịch, các hợp chất hóa học nhƣ axit,
bazo và muối bị phân li (một phần hoặc toàn bộ) thành các nguyên tử (hoặc nhóm
nguyên tử) tích điện gọi là ion có thể chuyển động tự do trong dung dịch và trở
thành hạt tải điện.
 Axit phân li thành ion âm (gốc axit)
-
và ion dƣơng H
+

 Bazo phân li thành ion âm (OH)
-
và ion dƣơng (kim loại)
+

 Muối phân li thành ion âm (gốc axit)
-
và ion dƣơng (kim loại)
+

 Một số bazo nhƣ nƣớc amoniac (NH
4
)OH hoặc muối nhƣ phân đạm
amoni clorua (NH
4
)Cl không chứa ion kim loại. Trong dung dịch, chúng

M
n+
+ ne → M
Tại anot xảy ra quá trình oxi hóa anion
X
n-
→ X + ne
Ví dụ: Điện phân nóng chảy NaCl có thể biểu diễn bằng sơ đồ sau: 13

Catot (-) ← NaCl → Anot (+)

2Na
+
+ e → Na 2Cl
-
→ Cl
2
+ 2e
Khi có nhiều chất khử khác nhau, thƣờng là các ion kim loại khác nhau cùng
về catot thì chất nào có tính oxi hóa mạnh nhất sẽ bị khử trƣớc. Khi hết chất oxi
hóa mạnh nhất mà còn điện phân tiếp tục thì chất oxi hóa yếu hơn kế tiếp sau mới
bị khử.
Ví dụ: Nếu có các ion kim loại Cu
2+
, Ag
+
, Fe

các kim loại (trừ H
2
là phi kim) theo thứ tự từ trƣớc ra sau có độ mạnh tính khử
giảm dần.
K
Ca
Na
Mg
Al
Mn
Zn
Cr
Fe
Ni
Sn
Pb
H
Cu
Ag
Hg
Pt
Au
Còn các ion kim loại tƣơng ứng từ trƣớc ra sau có độ mạnh tính oxi hóa tăng
dần.

Hg
2+
Pt
2+
Au
3+
Ngƣời ta phân biệt điện phân chất điện li nóng chảy, điện phân dung dịch
chất điện li.
 Sự điện phân chất điện li nóng chảy : Khi đun nóng ở nhiệt độ cao thì chất
điện li nóng chảy (hóa lỏng), các ion dƣơng và ion âm bấy giờ linh động
14

hơn so với khi ở trạng thái rắn. Các ion dƣơng (cation) mang điện tích
dƣơng nên sẽ di chuyển về cực âm (catot). Tại đây có quá trình khử xảy
ra. Còn các ion âm (anion) mang điện tích âm nên sẽ di chuyển về cực
dƣơng (anot), tại đây có quá trình oxi hóa xảy ra.
Ví dụ: Khi điện phân nhôm oxit (Al
2
O
3
) nóng chảyAl
2
O
3

-
ra dung
dịch.

2 H O 2 H + 2OH
2

2 H + 2e H
2

2 H O+ 2 e H + 2OH
22




Ở anot: Do ở anot có quá trình oxi hóa xảy ra nên nƣớc sẽ đóng vain trò
chất khử, nó bị oxi hóa tạo khí oxi (O
2
) thoát ra, đồng thời phóng thích ion H
-

2H O 2H + 2OH
2
1
2OH - 2e O + H O
22
2

H O - 2e O + 2H

Al trở về trƣớc chỉ bị khử tạo kim loại tƣơng ứng khi điện phân nóng chảy chất
điện có chứa các ion này. 2H O + 2e H + 2OH
22


Quá trình oxi hóa ở anot phụ thuộc vào bản chất của chất làm điện cực anot
và bản chất của anion đi về phía anot. Nếu anot tan (không trơ, bền) nghĩa là anot
đƣợc làm bằng các kim loại thông thƣờng nhƣ: Ag, Cu, Fe, Zn, … (trừ Pt) thì kim
loại dùng làm anot bị oxi hóa (bị hòa tan) còn các anion đi về anot không bị oxi
hóa. Có thể hiểu một cách gần đúng là kim loại đƣợc dùng là kim loại có tính khử
mạnh hơn các chất khử khác đi về anot trong dung dịch. Vậy nên kim loại đƣợc
dùng làm điện cực anot bị oxi hóa trƣớc. Và một khi điện cực anot bị oxi hóa thì
đây cũng là giai đoạn cuối ở anot. Bởi vì khi hết điện cực anot thì sẽ có sự cách
điện và sự điện phân sẽ dừng.
1. 2. 2. 3. Ứng dụng hiện tượng điện phân
1. Luyện kim: Cơ sở của phƣơng pháp này là dùng dòng điện một chiều để khử
các ion kim loại. Để điều chế các kim loại mạnh nhƣ Na, K, … bằng cách điện
phân các hợp chất nóng chảy của chúng. Và với các kim loại có tính khử trung
bình và yếu thì điện phân dung dịch muối của chúng.
2. Mạ điện: dùng phƣơng pháp điện phân để phủ một lớp kim loại lên những đồ
vật làm bằng kim loại khác. Khi đó vật cần đƣợc mạ dung làm cực âm, kim loại
dung để mạ làm cực dƣơng, còn chất điện phân là dung dịch muối của kim loại
dùng để mạ. Ví dụ nhƣ mạ kẽm, mạ vàng, mạ bạc … Đó chính là ứng dụng của
hiện tƣợng điện phân dƣơng cực tan.
3. Đúc điện: Khuôn của vật định đúc bằng sáp ong hay bằng một chất khác dễ nặn
rồi quét lên khuôn một lớp than chì (graphit) mỏng để bề mựt khuôn trở thành
dẫn điện. Khuôn này đƣợc dùng để làm cực âm còn cực dƣơng thì bằng kim