Mô phỏng nước trong công nghệ thực tại ảo

  • Số trang: 61 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 81 |
  • Lượt tải: 0
tailieuonline

Đã đăng 27462 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ THỊ THANH TOÀN MÔ PHỎNG NƯỚC TRONG CÔNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI – 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ THỊ THANH TOÀN MÔ PHỎNG NƯỚC TRONG CÔNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO Chuyên ngành : Công nghệ phần mềm Mã số : 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐỖ NĂNG TOÀN HÀ NỘI – 2009 6 MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................................................ 6 Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG NƢỚC ...................... 8 1.1. KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO ............................................................................................................... 8 1.1.1.Thực tại ảo là gì? ................................................................................................................................................ 8 1.1.2. Sơ lƣợc lịch sử phát triển của thực tại ảo ................................................................................ 8 1.1.3. Một số lĩnh vực thực tế ứng dụng thực tại ảo ..................................................................... 9 1.2. MÔ PHỎNG NƢỚC TRONG THỰC TẠI ẢO .......................................................................... 15 1.2.1. Vai trò của mô phỏng nƣớc ................................................................................................................ 15 1.2.2. Một số hiệu ứng nƣớc cơ bản ........................................................................................................... 16 1.2.3. Cơ sở lý thuyết của mô phỏng nƣớc .......................................................................................... 19 1.2.3.1. Tính đàn hồi của chất lỏng ............................................................................................... 20 1.2.3.2. Độ nhớt của chất lỏng ........................................................................................................... 20 1.2.3.3. Lực mao dẫn của chất lỏng .............................................................................................. 21 1.2.3.4. Sự hút khí của chất lỏng ..................................................................................................... 22 Chƣơng 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG NƢỚC .............................................................. 23 2.1. KỸ THUẬT PHYSICALLY-BASE ....................................................................................................... 23 2.1.1. Giớí thiệu ............................................................................................................................................................... 23 2.1.2. Cơ sở vật lý.......................................................................................................................................................... 23 2.1.3. Khái quát thuật toán ................................................................................................................................... 26 2.1.4. Phƣơng pháp ngoại suy bề mặt ảo............................................................................................... 26 2.2. KỸ THUẬT PARTICLE-BASE ................................................................................................................. 29 2.2.1. Giới thiệu ............................................................................................................................................................... 29 2.2.2. Tiến trình mô phỏng................................................................................................................................... 29 2.2.3. Mật độ kép............................................................................................................................................................ 34 2.2.3.1. Mật độ và áp suất ....................................................................................................................... 34 2.2.3.2. Phục hồi tính không nén đƣợc ...................................................................................... 35 2.2.3.3. Near – Density and Near- Pressure ......................................................................... 35 2.2.3.4. Sức căng bề mặt .......................................................................................................................... 40 Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 7 2.2.4. Biểu diễn bề mặt ...................................................................................................................................................... 40 2.2.4.1. Tính đàn hồi..................................................................................................................................... 40 2.2.4.2. Tính dẻo ............................................................................................................................................... 42 2.2.4.3. Tính nhớt............................................................................................................................................. 44 2.2.5. Sự va chạm đối tƣợng ........................................................................................................................................ 44 2.2.5.1. Va chạm ............................................................................................................................................... 44 3.2.5.2. Tính nhớt trong tƣơng tác với đối tƣợng ........................................................... 47 Chƣơng 3: ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG NƢỚC ....................................................................................... 48 3.1. MÔ PHỎNG NƢỚC TRONG CÁC HỆ THỰC TẠI ẢO ................................................ 48 3.2. CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM......................................................................................................... 52 3.2.1. Kỹ thuật Physically-Based .................................................................................................................. 52 3.2.2. Kỹ thuật Particle-Based .......................................................................................................................... 55 PHẦN KẾT LUẬN ............................................................................................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................................................. 58 Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 8 Bảng chữ cái viết tắt Stt Chữ cái viết tắt Nội dung 1 VR 2 VIVED 3 HMD Head Mounted Display : 4 SPH Smoothed Particle Hydro Dynamics: Vỉtual Reality Visual environment display Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 9 Danh mục hình vẽ Hình 1.1. Ứng dụng thực tại ảo trong thiết kế kiến trúc ………………………. 10 Hình 1.2. Ứng dụng thực tại ảo trong thiết kế thiết bị công nghệ …………….. 11 Hình 1.3. Ứng dụng thực tại ảo trong lĩnh vực giải trí ………………………... 12 Hình 1.4. Mô hình huấn luyện bay sử dụng công nghệ thực tại ảo …………… 13 Hình 1.5. Một phần cơ thể ảo …………………………………………………. 14 Hình 2.1. Mô tả góc tiếp xúc bề mặt ảo ……………………………………… 27 Hình 2.2. Mô tả góc tiếp xúc bề mặt ảo giữa chất lỏng và rắn ……………….. 28 Hình 3.1. Hệ thống tập tái tàu thuỷ ……………………………………………. 48 Hình 3.2. Thể hiện hiệu ứng mặt nƣớc đã đƣợc tạo ……………………………49 Hình 3.3. Hiệu ứng chuyển động của vật rơi xuống nƣớc ……………………..50 Hình 3.4. Thể hiện mặt nƣớc bằng lƣới đa giác phƣơng pháp Particle-Base…...50 Hình 3.5. Thể hiện dòng nƣớc chảy bằng các phần tử lập thể particles ………. 51 Hình 3.6. Biểu đồ so sánh …………………………………………………....... 52 Hình 3.7. Mô phỏng mặt hồ bằng kỹ thuật Physically-Based ………………… 52 Hình 3.8. Mô phỏng hiệu ứng sóng nƣớc bằng kỹ thuật Particle-Based ……….56 Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 10 PHẦN MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin đã đƣợc ứng dụng mạnh mẽ trong hầu hết tất cả các lĩnh vực. Các ứng dụng của nó vào cuộc sống ngày càng phong phú, đa dạng và thiết thực hơn. Từ các lĩnh vực nhƣ khoa học cơ bản, đến các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cho đến các lĩnh vực nhƣ giải trí, du lịch; không lĩnh vực nào không có sự ứng dụng thiết thực và hiệu quả của công nghệ thông tin. Sự phát triển không ngừng của sức mạnh máy tính đã làm cho một số lĩnh vực khó phát triển trƣớc kia, nay đã có khả năng phát triển và đã đạt đƣợc những thành tựu đáng kể; nhƣ là: Các hệ chuyên gia, các hệ xử lý thời gian thực v.v.. và một lĩnh vực đang đƣợc phát triển mạnh trên thế giới, đó là công nghệ mô phỏng. Việc “tái tạo” các hiện tƣợng, sự vật trong thế giới thực trên máy tính có rất nhiều tác dụng. Trong giải trí, nó sẽ giúp chúng ta xây dựng đƣợc những trò chơi sống động, gần gũi với con ngƣời tạo ra sức lôi cuốn mạnh mẽ. Trong xây dựng, việc dựng đƣợc các mô hình hiện thực ảo cho phép chúng ta có cái nhìn trực quan, chính xác để có thể đƣa ra những quyết định, những sáng kiến thiết kế về các công trình xây dựng đúng đắn. Trong giáo dục, những thí nghiệm, những ví dụ đƣợc mô tả sát thực bằng máy tính giúp cho ngƣời học hứng thú hơn, kiến thức đƣợc thể hiện rõ hơn, trực quan hơn, đầy đủ hơn. “Thực tại ảo” là lĩnh vực nhằm mô phỏng thế giới thực của con ngƣời vào máy tính, mà trong đó con ngƣời có thể tƣơng tác và cảm nhận nhƣ trong thế giới thực. Để mô phỏng đƣợc thế giới thực trong máy tính, thì nhất thiết môi trƣờng trong thế giới thực cần đƣợc mô phỏng; trong đó, nƣớc là một chất liệu phổ biến và quan trọng. Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 11 Trong các ngành liên quan nhiều đến nƣớc nhƣ: Tàu thuỷ, du lịch, giải trí, cứu hoả… Đặc biệt đối với ngành thuỷ lợi, đê điều, việc mô phỏng nƣớc và các hiệu ứng của nó cực kỳ có ý nghĩa. Nó giúp mô phỏng các hiện tƣợng thủy lực để đƣa đến cái nhìn trực quan cho ngƣời học. Nó có thể cho thấy chính xác các trƣờng hợp xói lở bờ khi tính đƣợc các lực tác dụng tƣơng ứng; các trạng thái chuyển động khác nhau của nƣớc khi chịu tác dụng của những lực khác nhau. Chúng ta cũng có thể dựng đƣợc những mô hình đập ảo, kênh ảo, hệ thống thủy nông từ bản thiết kế và tính toán đƣợc chính xác các trạng thái của dòng chảy và các hiện tƣợng mà nó gây ra…. Để từ đó các nhà thiết kế, nhà quản lý dự án có thể đƣa ra đƣợc những quyết định chính xác hơn trong việc xây dựng các công trình thủy lợi, tránh những trƣờng hợp đáng tiếc xảy ra. Xuất phát từ thực tế đó, luận văn lựa chọn đề tài “Mô phỏng nƣớc trong công nghệ thực tại ảo”. Mục tiêu chính của luận văn là: Nghiên cứu một số kỹ thuật mô phỏng nƣớc nhằm ứng dụng cho việc xây dựng mô hình 3 chiều trong Thực tại ảo. Cấu trúc luận văn gồm Phần mở đầu, Phần kết luận và 3 Chƣơng nội dung, cụ thể nhƣ sau:  Chƣơng 1: Khái quát về thực tại ảo và mô phỏng nƣớc Trong chƣơng này giới thiệu tổng quan về quá trình phát triển và các lĩnh vực ứng dụng chính hiện nay của Thực tại ảo, đồng thời cung cấp một cái nhìn tổng quan về mô phỏng nƣớc trong hệ Thực tại ảo. Chƣơng này cũng đi sâu phân tích những tính chất vật lý, các hiệu ứng cơ bản của nƣớc để làm cơ sở cho sự trình bày những phƣơng pháp mô phỏng nƣớc trong chƣơng 2.  Chƣơng 2: Một số kỹ thuật mô phỏng nƣớc Chƣơng này trình bày 2 kỹ thuật chính mà thế giới đã phát triển là kỹ thuật Physically-based và kỹ thuật Particle-base. Mỗi kỹ thuật có những cách tính, ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng. Từ đó cho chúng ta sự hiểu biết về mô phỏng nƣớc, và khi tiếp xúc với những bộ phần mềm công cụ hỗ trợ xây dựng mô hình 3D thì ta cũng có thể dễ dàng biết đƣợc họ đã dùng kỹ thuật gì để tạo ra những hiệu ứng nƣớc ở trong nó.  Chƣơng 3: Ứng dụng của mô phỏng nƣớc Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 12 Trình bày một số ứng dụng mô phỏng nƣớc trong Thực tại ảo và chƣơng trình thử nghiệm cho các kỹ thuật mô phỏng nƣớc đƣợc hệ thống trong chƣơng 2. Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 13 Chƣơng 1 KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG NƢỚC 1.1. KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO 1.1.1.Thực tại ảo là gì? Theo cách truyền thống, việc tƣơng tác với máy tính đƣợc thực hiện thông qua các thiết bị nhƣ bàn phím, chuột hay joystick/trackball để cung cấp thông tin đầu vào và sử dụng khối hiển thị trực quan (VDU) để nhận thông tin đầu ra từ hệ thống. Với sự ra đời của các hệ thống Thực tại ảo (Virtual Reality-VR), các phƣơng thức giao tiếp mới đƣợc phát triển cho phép ngƣời sử dụng tƣơng tác một cách tích cực hơn với máy tính. Thực tại ảo là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá các đối tƣợng trong không gian ba chiều với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phƣơng tiện hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng bằng máy tính – môi trƣờng ảo (virtual environment). Trong thế giới ảo này, ngƣời sử dụng không còn đƣợc xem nhƣ ngƣời quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống. Một cách lý tƣởng, ngƣời sử dụng có thể tự do chuyển động trong không gian ba chiều, tƣơng tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian. Ngƣợc lại, môi trƣờng ảo lại có những phản ứng tƣơng ứng với mỗi hành động của ngƣời sử dụng, tác động vào các giác quan nhƣ thị giác, thính giác, xúc giác của ngƣời sử dụng trong thời gian thực và tuân theo những quy tắc vật lý rất tự nhiên, làm anh ta có cảm giác nhƣ đang tồn tại trong một thế giới thực. 1.1.2. Sơ lƣợc lịch sử phát triển của thực tại ảo Mặc dù Thực tại ảo đƣợc mô tả nhƣ một công nghệ mới mang tính cách mạng, nhƣng ý tƣởng về việc nhúng ngƣời sử dụng vào một môi trƣờng nhân tạo không còn mới. Thực tại ảo có thể đƣợc xem nhƣ một sự mở rộng của những ý tƣởng đã ra đời khá lâu nhƣ hệ thống mô phỏng bay (flight simulation), rạp chiếu phim màn ảnh rộng (nhƣ Cinerama hay IMAX). Sử Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 14 dụng các hệ thống nhƣ vậy, ngƣời dùng đƣợc quan sát hình ảnh trong một màn hình có trƣờng nhìn rộng lớn cho họ cảm giác nhƣ đang tồn tại trong trƣờng không gian đó. Sự ra đời của các máy điện toán mini và bài báo khoa học của Ivan Sutherland có tên “Màn hình tối tân” (Ultimate Display) vào năm 1965 đƣợc xem là hai bƣớc đột phá lớn vào những năm 1960 cho công nghệ Thực tại ảo. Trong bài báo của mình, Sutherland đã tiên đoán sự phát triển của Thiết bị Hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) đầu tiên, mà sau đó chính ông đã tạo ra một thiết bị nhƣ vậy, có tên là “Thanh kiếm của Damocles” (The Sword of Damocles). Sutherland cũng nhận ra tiềm năng của máy điện toán trong việc tạo lập hình ảnh cho hệ thống mô phỏng bay, trong khi những hình ảnh này trƣớc đó đƣợc xây dựng bằng video camera. Những ý tƣởng này đƣợc hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Fisher và McGreevy kết hợp lại trong một dự án có tên là “trạm làm việc ảo” (visual workstation) vào năm 1984. Cũng từ đó NASA phát triển thiết bị Hiển thị đội đầu có tính thƣơng mại đầu tiên, đƣợc gọi là màn hình môi trƣờng trực quan (visual environment display - VIVED), thiết kế dựa trên mẫu hình mặt nạ lặn với các màn hình quang học mà hình ảnh đƣợc cung cấp bởi hai thiết bị truyền hình cầm tay Sony Watchman. Sự phát triển của thiết bị này đã thành công ngoài dự đoán, bởi NASA đã sản xuất đƣợc một thiết bị HMD có giá chấp nhận đƣợc trên thị trƣờng, và nhƣ vậy ngành công nghiệp Thực tại ảo đã ra đời. 1.1.3. Một số lĩnh vực thực tế ứng dụng thực tại ảo Mặc dù khái niệm về Thực tại ảo đã xuất hiện từ khá lâu, nhƣng do nhiều lý do về mặt công nghệ (kéo theo chi phí cho nghiên cứu và phát triển), phải mất nhiều thời gian và nỗ lực để Thực tại ảo có đƣợc những thành tựu nhƣ ngày nay. Hiện tại đây vẫn là lĩnh vực công nghệ mới mẻ và nhiều tiềm năng xét về khía cạnh ứng dụng. Ở đây, báo cáo cố gắng đƣa ra những lĩnh vực ứng dụng chính có khuynh hƣớng phát triển mạnh mẽ nhất trong thời gian gần đây. - Kiến trúc và thiết bị công nghiệp Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 15 Một trong những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu nhất của Thực tại ảo là thiết kế kiến trúc. Khả năng mô hình hoá thế giới thực của công nghệ Thực tại ảo dƣờng nhƣ đáp ứng một cách tự nhiên mục tiêu của ngành thiết kế kiến trúc: đƣa ra mô hình trực quan nhất có thể về hình ảnh công trình kiến trúc mong muốn trong tƣơng lai. Hình 1.1: Ứng dụng thực tại ảo trong thiết kế kiến trúc Việc xây dựng các mô hình không gian kiến trúc bằng hình ảnh lập thể với đầy đủ mô tả trực quan về các hình khối kiến trúc, cách bố trí nội thất bên trong, thậm chí hoa văn hay màu của từng vật, cùng với khả năng cho phép khách hàng tự do tham quan, khảo sát khuôn viên của họ trong tƣơng lai theo nhiều góc độ và vị trí khác nhau thực sự đem lại hiệu quả trực quan mang tính cách mạng trong lĩnh vực mang nhiều đặc điểm nghệ thuật này. Tƣơng tự nhƣ trong kiến trúc, với các ngành sản xuất thiết bị mà trong đó công đoạn thiết kế đóng vai trò quan trọng nhƣ thiết kế động cơ, thiết kế ô tô, tàu biển, hay thậm chí tàu vũ trụ, hình dạng và cách bố trí các chi tiết không chỉ đơn thuần mang tính thẩm mỹ, tính kỹ thuật mà đôi khi còn ảnh hƣởng tới sức sống của thiết bị xét về khía cạnh thƣơng mại. Khả năng mô Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 16 hình hoá bằng hình ảnh lập thể của công nghệ Thực tại ảo cho phép ngƣời thiết kế thể hiện đƣợc một cách trực quan nhất ý tƣởng thiết kế của mình, đánh giá cơ bản về hiệu năng của thiết bị dựa trên những thử nghiệm mô phỏng trên thiết bị ảo, từ đó có những hiệu chỉnh cần thiết trƣớc khi thiết bị thực sự đƣợc sản xuất. Điều này rõ ràng góp phần không nhỏ trong thành công của thiết bị công nghệ, giảm bớt những chi phí phát sinh. Hình 1.2: Ứng dụng công nghệ Thực tại ảo trong thiết kế thiết bị công nghệ Giải trí Thị trƣờng giải trí cũng là một ứng dụng tiêu biểu khác của các môi trƣờng Thực tại ảo. Trên thực tế, đây là lĩnh vực ứng dụng lớn nhất xét theo khía cạnh lợi ích về tài chính. Rất nhiều công ty đang sản xuất ra các trò chơi có sử dụng các nguyên lý Thực tại ảo. Số lƣợng ngƣời bị cuốn hút theo các trò chơi nhƣ vậy, đặc biệt là giới trẻ, tăng theo cấp số nhân đánh dấu tiềm năng thƣơng mại to lớn của công nghệ Thực tại ảo trong lĩnh vực này. Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 17 Hình 1.3: Ứng dụng thực tại ảo trong lĩnh vực giải trí Hơn thế, ngành công nghiệp trò chơi điện tử có những ảnh hƣởng to lớn tới lĩnh vực Thực tại ảo. Nó tạo ra động lực cần thiết để thúc đẩy sự phát triển của rất nhiều phần cứng Thực tại ảo, chẳng hạn nhƣ card tăng tốc đồ hoạ (graphic accelerator cards). Nếu nhƣ chúng ta trở lại khoảng 10 năm về trƣớc, thật khó có thể tìm thấy một card tăng tốc đồ hoạ có đủ năng lực tính toán cần thiết cho phép tạo ra các ứng dụng Thực tại ảo thời gian thực. Tại thời điểm đó, những chiếc card nhƣ vậy trị giá hàng ngàn đô-la và chỉ đủ khả năng sinh 100.000 đa giác/giây ở mức độ phân giải trung bình. Những thiết bị phần cứng khác nhƣ Găng tay dữ liệu (DataGloves) và Thiết bị hiển thị đội đầu (Head Mounted Displays-HMD) cũng chịu ảnh hƣởng phần nào của công nghiệp giải trí. Tóm lại, chúng ta có thể nói rằng các ứng dụng Thực tại ảo trong giải trí đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong việc định hƣớng đi cho công nghiệp Thực tại ảo. Giáo dục và đào tạo Phát triển trên nền công nghệ và kỹ thuật cao, Thực tại ảo tích hợp những đặc tính làm cho bản thân nó có những tiềm năng vƣợt trội so với các công nghệ đa phƣơng tiện truyền thống khác: cho ngƣời sử dụng cảm nhận sự hiện diện của mình trong môi trƣờng do máy tính tạo ra bằng khả năng tƣơng tác, tự trị (autonomy) của ngƣời dùng trong môi trƣờng ảo, cũng nhƣ bằng những phản hồi tức thời, trực quan từ phía môi trƣờng ảo tới các giác quan của ngƣời sử dụng. Hơn thế nữa, công nghệ Thực tại ảo cho phép mô phỏng Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 18 những môi trƣờng nguy hiểm hay tốn kém nhƣ buồng lái máy bay, phòng thí nghiệm hoá chất v.v.. Hình 1.4: Mô hình huấn luyện bay sử dụng công nghệ Thực tại ảo Tất cả những đặc tính này khiến công nghệ Thực tại ảo trở nên rất phù hợp cho các ứng dụng có tính chất giáo dục hay đào tạo. Trong đó, những mô hình trình diễn lập thể đóng vai trò quan trọng. Các vật thể trong thế giới ảo đƣợc biểu diễn chính xác hơn nhiều so với các đối tƣợng phẳng (hình ảnh hai chiều) do đƣợc bổ sung thêm chiều sâu. Kết quả là các trình diễn minh hoạ hay những thí nghiệm cũng đƣợc mô phỏng chính xác hơn do có thể quan sát từ nhiều góc độ khác nhau về mặt không gian, điều mà thế giới phẳng hai chiều không làm đƣợc. Tính chất trực quan của bài giảng đƣợc nâng cao một bƣớc làm tăng sự hứng thú trong học tập cũng nhƣ khả năng ghi nhớ các khái niệm quan trọng trong bài giảng. Xét về mặt này, khả năng tƣơng tác với môi trƣờng ảo là một khía cạnh đáng lƣu ý. Nếu thiếu đi khả năng tƣơng tác (hai chiều) giữa môi trƣờng ảo và ngƣời tham dự, Thực tại ảo không gì khác hơn là một giao diện lập thể ấn tƣợng nhƣng không có sự sống. Trong các phòng thí nghiệm hay huấn luyện ảo, thực hiện các thao tác trên các đối tƣợng trong môi trƣờng ảo, nhận đƣợc những phản hồi kịp thời và có nghĩa từ các vật thể và môi trƣờng là một trong những yếu tố tiên quyết khiến cho học viên có cảm nhận đang đƣợc trải nghiệm trong những tình huống thực. Từ đó, học viên nắm bắt đƣợc nhanh chóng và có ý thức hơn với những tính huống đƣợc học. Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 19 Y học Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng tiềm năng trong công nghệ Thực tại ảo và là một trong số ít lĩnh vực ứng dụng thuộc ngành khoa học của Thực tại ảo. Cho đến nay, lĩnh vực nổi bật trong y học áp dụng thành công công nghệ Thực tại ảo là giả lập giải phẫu (Surgical Simulation). Trên cơ sở các kỹ thuật đồ hoạ máy tính và Thực tại ảo, hệ thống đào tạo y học này bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tƣơng tác ba chiều là mô hình sinh thể ảo cho phép ngƣời sử dụng thực hiện các thao tác giải phẫu thông qua các dụng cụ giải phẫu ảo; Khối giao diện ngƣời dùng hai chiều cung cấp những thông tin phản hồi trực quan từ mô hình trong quá trình giải phẫu cũng nhƣ những thông tin hƣớng dẫn trong phiên đào tạo. Phƣơng pháp đào tạo có tính tƣơng tác cao này mang nhiều ƣu điểm so với các phƣơng pháp truyền thống nhƣ thực hành trên mô hình plastic hay trên bệnh nhân thực. Thứ nhất, khác với phƣơng pháp dùng mô hình plastic, sinh thể giải phẫu ảo có khả năng cung cấp những thông tin phản hồi sinh học một cách tự nhiên nhƣ một sinh thể sống thực, dƣới tác động giải phẫu của bác sỹ mổ, chẳng hạn nhƣ sự thay đổi về nhịp tim, huyết áp,… Điều này tạo cho học viên có cảm giác đang trải qua một ca mổ trong một tình huống thực. Thứ hai, khác với thực hành trên bệnh nhân thật, rõ ràng sai lầm của học viên trong quá trình thực tập không phải trả giá bằng những thƣơng tổn thực trên cơ thể ngƣời bệnh. Điều này cũng làm giảm áp lực lên học viên khi thực hiện phẫu thuật ảo. Từ đó, giúp họ tự tin và chủ động hơn trong học tập. Hình 1.5: Một phần cơ thể ảo Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 20 Phƣơng pháp này không chỉ cho phép các học viên y khoa thực hành các ca phẫu thuật trong tình huống thực, đem lại cho họ những kinh nghiệm cần thiết trƣớc khi thực hiện phẫu thuật trên cơ thể con ngƣời, đây còn là cơ hội để các bác sỹ mổ nâng cao kỹ thuật giải phẫu và kỹ năng phối hợp làm việc theo nhóm trong phòng mổ. Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình huống phẫu thuật nguy hiểm và nhạy cảm. Các kỹ thuật Thực tại ảo cũng đƣợc sử dụng để hỗ trợ bác sỹ mổ trong giai đoạn lập kế hoạch tiền phẫu thuật (preoperative planning). Trƣớc khi thực hiện quy trình giải phẫu trên bệnh nhân thực, ngƣời bác sỹ có thể thử nghiệm các phƣơng pháp tiến hành phẫu thuật khác nhau trên mô hình ảo của ngƣời bệnh. Mô hình này mô phỏng đầy đủ các đặc điểm bệnh lý của ngƣời bệnh thật. Theo cách này, ngƣời bác sỹ sẽ lựa chọn ra đƣợc cách thức an toàn nhất, hiệu quả nhất và tốn ít thời gian nhất trong phòng phẫu thuật, hạn chế những biến cố trong quá trình giải phẫu. 1.2. MÔ PHỎNG NƢỚC TRONG THỰC TẠI ẢO 1.2.1. Vai trò của mô phỏng nƣớc Có thể nói nƣớc là thành phần không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi chúng ta. Nƣớc phục vụ cho đời sống hàng ngày, phục vụ cho sản xuất, cuộc sống của con ngƣời gắn liền với nƣớc… Nhƣng để mô phỏng đƣợc nƣớc không phải là điều đơn giản, việc tính toán, đo đạc các thông số của nƣớc trong nhiều môi trƣờng và điều kiện khác nhau tốn rất nhiều thời gian và công sức. Sau đó, để có thể biểu diễn đƣợc những dữ liệu đó thành hình ảnh trên máy tính cần phải tìm ra những thuật toán, những phƣơng pháp để xử lý kho dữ liệu đó. Tiếp theo, phải phân tích thiết kế một hệ thống các công cụ trợ giúp cho việc lập trình tạo hiệu ứng nƣớc, rồi mới tới khâu thiết kế ra những bản vẽ nƣớc đƣợc thể hiện trên màn hình. Cuối cùng, là khâu kết xuất (Rendering) tạo ra sản phẩm thực sự. Ngoài ra, còn một lý do nữa để xếp mô phỏng nƣớc có vị trí quan trọng trong lĩnh vực mô phỏng chính là tầm quan trọng không thể thiếu của hiệu ứng nƣớc trong các hệ mô phỏng. Hiệu ứng nƣớc tạo ra cảm giác thật, lôi cuốn cho hệ vốn không phải là những hình ảnh thật, nó tạo ra sự hài hoà, nhẹ nhàng cho những chuyển động của đối tƣợng. Việc thể hiện thành công hiệu Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 21 ứng nƣớc trong Thực tại ảo sẽ cho phép ta đi sâu vào thế giới ảo để tạo ra những giá trị thật cho cuộc sống con ngƣời. 1.2.2. Một số hiệu ứng nƣớc cơ bản Mô phỏng nƣớc có thể coi là một trong những công việc khó khăn nhất, phức tạp nhất của Thực tại ảo, đã và đang là một thách thức lớn đối với công nghệ mô phỏng. Mô phỏng nƣớc là dạng mô phỏng động theo thời gian thực hoặc không theo thời gian thực. Để mô phỏng nƣớc mà chỉ yêu cầu dạng mô hình, không yêu cầu sự chính xác và không cần thể hiện đúng bản chất vật lý thì không quá khó. Ví dụ: để mô phỏng mặt nƣớc động không theo thời gian thực ta có thể thực hiện bằng cách sử dụng các mặt phẳng đƣợc áp vật liệu nƣớc trƣợt lên nhau (trong Flash), hay để mô phỏng vòi nƣớc chảy theo thời gian thực ta sử dụng thành phần Particle System trong 3DsMax. Nhƣng để mô phỏng đƣợc nƣớc đúng với các tính chất vật lý của nó và hiệu ứng của nƣớc theo thời gian thực thì quả là một công việc không dễ dàng mà cho đến nay kết quả nghiên cứu đƣợc vẫn còn hạn chế. Không giống với các loại vật chất khác, nƣớc tồn tại ở rất nhiều trạng thái và có các tính chất rất phức tạp. Do đó, muốn mô phỏng thành công chất lỏng nói chung và nƣớc nói riêng thì phải dựa vào các tính chất vật lý của chúng, và xác định hình thái của chất lỏng mình muốn thể hiện. Có nhiều tiêu chí để phân loại nƣớc, nhƣng ở đây chúng ta giới hạn việc phân loại nƣớc theo hình dạng. Có 4 dạng chính:  Dòng nƣớc  Giọt nƣớc  Khối nƣớc  Mặt nƣớc Dƣới các tác dụng khác nhau của ngoại lực thì các dạng nƣớc trên sẽ biến đổi hình dạng và chuyển động khác nhau. Chúng ta có thể xét các trƣờng hợp sau: Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 22  Dòng nƣớc: - Dòng nƣớc chảy gặp vật rắn cản. - Dòng nƣớc (nƣớc trong kênh, sông) va vào bờ. - Dòng nƣớc chảy từ cao xuống thấp.  Giọt nƣớc: - Giọt nƣớc rơi xuống mặt nƣớc - Giọt nƣớc rơi nằm trên các bề mặt: + Giọt nƣớc trên bề mặt lá. + Giọt nƣớc trên bề mặt các chất rắn.  Khối nƣớc: - Khối nƣớc tan chảy - Khối nƣớc dƣới tác dụng của chất rắn  Mặt nƣớc: - Mặt nƣớc dao động bình thƣờng - Mặt nƣớc khi có vật rắn rơi xuống - Mặt nƣớc khi có mƣa - Mặt nƣớc khi có gió mạnh Đối với các dạng nƣớc khác nhau, dƣới các tác dụng khác nhau thì sẽ dẫn đến các hiệu ứng khác nhau. Sau đây là một số hiệu ứng nƣớc cơ bản mà ta thƣờng gặp:  Hiệu ứng phản chiếu ánh sáng.  Hiệu ứng in bóng nƣớc.  Hiệu ứng sóng nƣớc. Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn 23  Hiệu ứng giao thoa sóng nƣớc.  Hiệu ứng nƣớc chảy.  Hiệu ứng giọt nƣớc rơi.  Hiệu ứng nƣớc sôi (sủi bọt nƣớc). Tìm hiểu các giải thuật để thể hiện đƣợc những hiệu ứng rất phức tạp trên ngƣời ta đã đƣa ra nhiều giải pháp khác nhau : - Khi muốn thể hiện sóng nƣớc có mấy cách sau: cho những điểm ảnh là sóng nƣớc chuyển động theo chiều thẳng đứng với các thông số nhƣ (tần số, biên độ, góc radian) => do đó sinh sóng => nhiều sóng nhƣ vậy tạo thành mặt sóng. - Cũng có thể tạo ra sóng bằng cách cho các lớp hình ảnh mặt nƣớc xếp chồng lên nhau chuyển động trƣợt trên nhau => do đó có mặt sóng. - Cũng có thể tạo ra mặt sóng bằng cách cho các khối hình cơ bản (cấu tạo nên ảnh) chuyển động => sau đó dùng các kỹ thuật ghép ảnh, cắt xén ảnh, biến đổi ảnh để, làm trơn làm cho những hình cơ bản ghép với nhau mềm mại hơn, hợp khớp với nhau hơn. Cách này có ƣu điểm là dung lƣợng nhỏ, tốn ít bộ nhớ. - Với các trò chơi 3D trực tuyến, do yêu cầu khắt khe về dung lƣợng và tốc độ đƣờng truyền để đáp ứng nhanh chóng thao tác của ngƣời chơi. Cho nên họ đã tạo hiệu ứng nƣớc bằng cách đơn giản là chụp ảnh ngoại cảnh rồi sử dụng các phép ghép ảnh, làm trơn để tạo hiệu ứng nƣớc đơn giản. Hoặc dùng các phƣơng pháp Texture tạo bề mặt cho đối tƣợng, tạo các script từ các ảnh lẻ hoặc phƣơng pháp flash động... - Để thể hiện hiệu ứng in bóng nƣớc: ngƣời dùng phép chiếu ảnh và phép biến đổi ảnh. - Để thể hiện hiệu ứng phản chiếu ánh sáng gồm có phản xạ và khúc xạ, ngƣời ta sử dụng phép chiếu và quay vectơ + màu sắc (ánh sáng chiếu vào bề mặt chất lỏng thì có phản xạ và khúc xạ, ánh sáng chiếu vào bề mặt chất rắn thì có phản xạ và khuếch tán). Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
- Xem thêm -