Tài liệu Sử dụng thực tại ảo mô phỏng điểm đèn giao thông trên địa bàn tỉnh thái nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Lê Hữu Nhân SỬ DỤNG THỰC TẠI ẢO MÔ PHỎNG ĐIỂM ĐEN GIAO THÔNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THÁI NGUYÊN Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Đỗ Năng Toàn Thái Nguyên, năm 2012 Công trình được hoàn thành tại : Trường Đai học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đỗ Năng Toàn Phản biện 1: TS. Phạm Việt Bình Phản biện 2: TS. Nguyễn Thế Quế Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Vào hồi 10 giờ ngày 10 tháng 11 năm 2012. Có thể tìm hiểu luận văn tại trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên Và thư viện Trường/Khoa: Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông 1 1. Đặt vấn đề Thái Nguyên hiện có trên 4.500 km đường giao thông. Hàng năm trên địa bàn tỉnh có khoảng hơn 1000 vụ tai nạn và va chạm giao thông xảy ra. Nếu tính bình quân mỗi tháng Thái Nguyên có 19 người chết và 100 người bị thương vì tai nạn giao thông (TNGT). Theo số liệu phân tích của Ban An toàn giao thông tỉnh Thái Nguyên, nguyên nhân xảy ra tai nạn và va chạm giao thông nêu trên do nhiều nguyên nhân khách quan, chủ quan khác nhau, những có nhiều nguyên nhân là sự tồn tại của các điểm đen giao thông (Trên địa bàn tỉnh hiện có 64 điểm đen giao thông). Việc đẩy mạnh tăng cường công tác quản lý, phát hiện xử lý kịp thời điểm đen về TNGT là cần thiết và quan trọng góp phần giảm thiểu tối đa tai nan giao thông trên địa bàn, xuất phát từ tình hình thực tiễn nêu trên: luận văn tập trung vào việc tìm hiều công nghệ thực tại ảo, tìm hiểu va chạm giữa các đối tượng tai nạn giao thông trong thực tế để mô phỏng vào máy tính. Luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Khái quát về mô phỏng và điểm đen giao thông; Chương 2: Một số kỹ thuật phát hiện, xử lý va chạm trong mô phỏng điểm đen giao thông; Chương 3: Ứng dụng mô phỏng tai nạn va chạm tại điểm đen giao thông. 2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Tình hình tai nạn và va chạm giao thông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên và tại một số tỉnh có tuyến quốc lộ đi qua Thái Nguyên; Các điểm đen giao thông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên; một số tai nạn và va chạm giao thông tại các điểm đen giao thông nói trên; Một số công nghệ, kỹ thuật mô phỏng trên máy tính trong an toàn giao thông đối phương tiên ô tô bốn bánh. Kỹ thuật lập trình 3D và thực tại ảo trên nền tảng công nghệ lập trình Java. 3. Mục tiêu nghiên cứu chính Tìm hiểu các khái niệm và các vấn đề liên qua đến mô phỏng và mô phỏng điểm đen giao thông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên; Tìm hiểu một số kỹ thuật tính toán và xử lý va chạm trong mô phỏng; Cài đặt thử nghiệm một tình huống giao thông nguy hiểm tại điểm đen giao thông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên. 4. Hướng nghiên cứu của đề tài Mô phỏng và ứng dụng mô phỏng trong an toàn giao thông. 5. Nội dung nghiên cứu chính Tìm hiểu, khái quát về thực tại ảo và mô phỏng; Tìm hiểu, hiện trạng kết cấu cơ sở hạ tầng giao thông và an toàn giao thông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên; Tìm hiểu một số kỹ thuật mô phỏng xử lý va chạm của phương tiện tham gia giao thông tại đen giao thông trên địa bàn tỉnh; Cài đặt thử nghiệm một tình huống va chạm giao thông tại điểm đen giao thông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên. 6. Phương pháp nghiên cứu Tim hiểu, nghiên cứu lý thuyết; Thông kê khoa học, phân loại; Thực nghiệm; Thông qua sự hướng dẫn của thầy, cô giáo, các chuyên gia có nghiên cứu thuộc các ngành lĩnh vực liên quan đến đề tài. 7. Ý nghĩa khoa học của đề tài Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ làm rõ được một số kỹ thuật mô phỏng ứng dụng trong an toàn giao thông. Đồng thời làm cơ sở giúp việc tổ chức triển khai ứng dụng phần mềm, hệ thống thông tin phục vụ công tác đảm bảo an toàn giao thông trên địa bàn tỉnh nói riêng và trong cả nước nói riêng. 8. Bố cục luận văn Ngoài các thông tin bảng vẽ, các thuật ngữ và phần mở đầu, luận văn được trình bày với bố cục nội dung gồm: Đặt vấn đề Chương 1: Khái quát về mô phỏng và điểm đen giao thông; 2 Chương 2: Một số kỹ thuật phát hiện, xử lý va chạm trong mô phỏng điểm đen giao thông; Chương 3: Ứng dụng mô phỏng tai nạn va chạm tại điểm đen giao thông. Kết luận Tài liệu tham khảo CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG VÀ ĐIỂM ĐEN GIAO THÔNG Chương I, luận văn tập trung vào trình bày khái quát các nội dung về mô phỏng và mô phỏng trong máy tính gồm những vấn đề về mô phỏng, mô phỏng trong máy tính, thực tại ảo trong máy tính và ứng dụng.. 1.1. Khái quát về mô phỏng 1.1.1. Mô phỏng là gì? Luận trình bày về kết quả tìm hiểu các khái niệm của mô phỏng và mô phỏng được ứng dụng như thế nào trong cuộc sống. Luận văn cũng đưa ra các khái niệm khác nhau ở trong và ngoài nước, cũng như của các tài liệu đã công bố. Trên cơ sở đó đánh giá và đưa ra khai niệm chung nhất được các tài liệu hay sử dụng và dễ hiểu nhất: Đó là: Mô phỏng là quá trình “bắng chước” một hệ thống (mô hình, trạng thái, đối tượng) có thực. 1.1.2. Mô phỏng trong máy tính Tương tự như ý trên, mục này luận văn cũng trình bày về khái niệm mô phỏng trong máy tính, có sử dụng các hình ảnh 3D kết quả, thành tực nghiên cứu và mô phỏng trong máy phỏng trong máy tính. Luận văn cũng tập trung nghiên Hình 1.1. Mô phỏng 3D điểu kiển đèn tn hiệu giao thông tính, để làm rõ thêm khái niệm về mô cứu, tìm hiểu, và trình bày về các ứng dụng trong mô phỏng máy tính ở các ngành lĩnh vực như y học, giao thông, quân sự, kinh tế, văn hóa, giải trí…Luận văn cũng trình bày và nêu các phương pháp mô phỏng trong máy tính, phân tích khái quát về hai phương pháp mô phỏng chính là: Mô phỏng nhân quả; Mô phỏng phi nhân quả. 1.1.3. Thực tại ảo trong máy tính Mục này, luận văn trình bày khái quát về lịch sử và hoàn cảnh ra đời của thực tại ảo, cũng như tình hình phát triển của công nghệ thực tại ảo hiện nay…Trình bày khái niệm về thực tại ảo, công cụ phát triển, công cụ lập trình xây dưng các hệ thống thực tại ảo… 1.1.4. Ứng dụng thực tại ảo trong máy tính Mục này luận văn trình bày các ứng dụng của hệ thống thực tại ảo trong máy tính cũng như ứng dụng hiện nay đã và đang được triển khai với môi trường thực tại ảo như: Lớp các bài toán về thiết kế, quy hoạch mạng lưới giao thông; Lớp các bài toán về quản lý tính toán thiết kế luồng giao thông; Lớp bài toán phát hiện, cảnh báo ng uy hiệm, điểm đen tai nạn giao thông..; Lớp bài toán về giảng dạy về lĩnh vực giao thông…; Hình 1.2. Mô phỏng 3D va chạm Oto 1.2. Điểm đen và tai nạn va chạm giao thông 1.2.1. Điểm đen giao thông Mục này trình bày về khái niệm điểm đen giao thông theo luận được bộ Việt Nam, như sau: Điểm đen tai nạn giao thông trên tuyến đường bộ là những vị trí nguy hiểm (có thể là nút giao thông cùng mức hoặc đoạn đường bộ có chiều dài dưới 500m) thường xảy ra tai nạn giao thông cao hơn mức bình thường và có tính chất tương đối giống nhau trong khoảng thời gian nhất định. Hình 1.3. Một điểm đen giao thông trên địa bàn tỉnh TN, Ảnh theo ngôồn VOV. 3 1.2.2. Tai nạn, va chạm giao thông tại điểm đen Luật Giao thông đường bộ Việt Nam quy định: Tai nạn giao thông (TNGT) là sự việc bất ngờ xảy ra khi đối tượng tham gia giao thông đang hoạt động trên các tuyến đường bộ, đường sắt, đường thuỷ, đường hàng không hoặc ở các địa bàn giao thông công cộng khác do vi phạm các quy định về an toàn giao thông hoặc do gặp phải các tình huống, sự cố đột xuất không kịp phòng tránh gây thiệt hại đến tính mạng, sức khoẻ của con người, đến tài sản và phương tiện. Như vậy tai nạn, va chạm giao thông tại điểm đen giao thông là những sự việc Hình 1.4. Tai nạn, va chạm giao thông tại núi điểm đen tầồm nhìn bị che khuầất, ảnh theo ngôồn Internet bất ngờ xảy ra của các đối tượng đang tham gia giao thông tại những vị trị nguy hiểm. 1.2.3. Mô phỏng trong giao thông Mô phỏng giao thông là cách ‘bắt chước’ hoạt động của một hệ thống gồm các đối tượng tham gia giao thông trên máy tính. Dạng mô phỏng vi mô (microscopic simulation) dùng các thông số đầu vào của hệ thống và hệ thống các phương trình quy định hành vi ứng xử của từng loại phương tiện giao thông để diễn tả lại một trạng thái của hệ thống giao thông. Việc mô phỏng này được Hình 1.5. mô hình quy hoạch phần luôồng oto 3D trong hệ thôấng Carsim lập trình và xử lý bằng máy tính. Có một số mô hình mô phỏng giao thông được thương mại hóa bằng phần mềm, ví dụ như PARAMICS, VISSIM. Như vậy: việc mô phỏng các tai nạn, va chạm giao thông tại các điểm đen gia thông là một phần trong một hệ thống mô phỏng giao thông, mà ở đó kỹ thuật phát hiện và xử lý va chạm trong tính toán, mô phỏng là không thể thiếu và rất quan trọng. 1.2.4. Các hệ thống phần mềm trong quản lý và an toàn giao thông Mục này, luận văn tập trung vào trình bày các ứng dụng trong ngành giao thông hiện nay đã được các hãng sản xuất phần mềm máy tính trên thế giới đang cung cấp và thương mại hóa, cũng như hiện tại ngành giao thông đang khai thác sử dụng như: ARCADY, PICADY, OSCADY PRO, TRANSYT, MOVA, MAAP, VISSIM… CHƯƠNG II MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN, XỬ LÝ VA CHẠM 2.1. Mô phỏng điểm giao thông Mục này, trình bày về các khái niệm điểm đen giao thông; mô tả dữ liệu vào và ra của bài toán mô phỏng điểm đen giao thông, cũng như kiến trúc của Bài toán quản lý mô phỏng điểm đen giao thông. 2.2. Phát hiện va chạm Định nghĩa [collision detection] : Cho một không gian U với một tập các đối tượng O, thuật toán phát hiện va chạm sẽ cho biết sự va chạm giữa các cặp đối tượng từng đôi một C p  O x O x R3 với mọi đối tượng o1,o2 và cho biết các điểm va chạm giữa chúng p1,2  R3. 2.3. Kỹ thuật phát hiện va chạm dùng hộp bao AABB 2.3.1. Khái niệm Hộp bao AABB (Axis Aligned Bounding Box) là hộp bao có dạng hình hộp chữ nhật, các cạnh (trục) song song với các trục toạ độ tương ứng và bao lấy vật thể. Hộp bao AABB bao gồm một tâm C, ba hệ số a 0, a1, a2 tương ứng là độ dài theo ba trục toạ độ của hình hộp. Hộp bao dạng đơn giản, dễ tạo ra và thao tác trong kiểm tra va chạm. Hộp bao loại này cũng tạo ra nhiều khoảng trống giữa vật thể và hộp bao, khi vật thể không nằm song song với các trục toạ độ và có dạng dài thì khoảng trống này càng Hình 2.1. Hộp bao AABB, 2D lớn. 2.3.2. Kỹ thuật dựng hộp bao AABB 4 Xây dựng hộp bao loại này khá đơn giản, hộp bao này được tạo bởi 2 điểm có toạ độ nhỏ nhất và lớn nhất của vật thể như hình vẽ 3. 2.3.3. Kỹ thuật xử lý phát hiện va chạm Cho hai hộp bao AABB xác định bởi [C 1, a0,a1, a2] và [C2, b0, b1, b2] với giả sử ai>0, Hình 2.2. Hộp bao AABB bj>0, i,j = 0,1,2. Để kiểm tra va chạm, chúng ta xác định toạ độ cao nhất và thấp nhất của mỗi hộp bao. Kí hiệu (xmin1, ymin1, zmin1), (xmax1, ymax1, zmax1) là toạ độ thấp nhất và cao nhất của hộp bao có tâm C1, Tương tự, ta tính được (xmin2, ymin2, zmin2), (xmax2, ymax2, zmax2) là toạ độ thấp nhất và cao nhất của hộp bao xác định bởi tâm C2. Hai hộp bao AABB va chạm nhau nếu xảy ra một trong bốn điều kiện sau: Để tìm điểm va chạm, chúng ta có chọn điểm va chạm là đỉnh tương ứng với một trong bốn trường hợp trên. a) Thuật toán tổng quát: Để kiểm tra 2 hộp bao có va chạm với nhau hay không ta sử dụng định lý sau: 2 đối tượng lồi sẽ không giao nhau khi và chỉ khi tồn tại mặt phẳng P cô lập được chúng. Hình 2.3. Chiêấu các đôấi tượng lên các Trong không gian 3 chiêu R3, nếu 2 hộp bao giao nhau thì hình chiếu của trục toạ độ chúng trên các trục toạ độ x, y và z cũng phải giao nhau. Thuật toán: - Chiếu mỗi hộp bao (AABB) lên các trục toạ độ x, y và z. Kết quả thu được là các đoạn thẳng. - Hoặc có thể chiếu mỗi hộp bao (AABB) lên các mặt phẳng toạ độ xOy, yOz và zOx. Kết quả thu được là các hình chữ nhật. - Kiểm tra sự giao nhau giữa các đoạn thẳng được chiếu lên các trục toạ độ. Nếu hình chiếu của 2 hộp bao giao nhau trên cả 3 trục toạ độ thì 2 hộp bao đó giao nhau. Ngược lại chúng không giao nhau. - Nếu chiếu lên các mặt phẳng toạ độ thì 2 hộp bao giao nhau khi và chỉ khi hình chiếu của 2 hộp bao đó lên mỗi mặt phẳng toạ độ đều giao nhau. 2.4. Kỹ thuật phát hiện va chạm dụng hộp bao theo hướng – OBB 2.4.1. Khái niệm OBB là hộp bao AABB nhưng trục có hướng bất kỳ, như hình vẽ 14, OBB có ưu điểm hơn AABB đó là giảm không gian trống giữa vật thể và hộp bao. Loại hộp bao này bao khá vừa các dạng vật thể, không tối ưu đối với các vật thể có nhiều các đỉnh cao như hình vẽ 13. Hình 2.4. Hộp bao Một hình hộp OBB bao gồm một tâm C, ba vector A 0, A 1, A 2 chỉ hướng của hướng - OBB hình hộp và 3 hệ số độ dài tương ứng với kích thước của hình hộp là a 0 >0, a1>0, a2>0. Khi đó, 8 đỉnh của hình hộp sẽ được xác định: 2.4.2. Kỹ thuật xử lý phát hiện va chạm a) Kiểm tra nhanh va chạm giữa hai hộp OBBs Cho hai hình bao OBBs xác định bởi các thông số [C 0,A0,A1,A2,a0,a1,a2] và [C1,B0,B1,B2,b0,b1,b2]. Tập ứng cử viên các trục cô lập chỉ tối đa là 15 trục sau: - 3 trục chỉ hướng của hộp bao thứ nhất - 3 trục chỉ hướng của hộp bao thứ hai - 9 trục tạo bởi tích có hướng của một trục thuộc hộp bao thứ nhất và một trục thuộc hộp bao thứ hai Gọi trục cô lập có vector chỉ phương là V và đi qua tâm C 0 của hộp bao thứ nhất và có phương trình như sau: d= C 0 + t* V B j trong đó i,j=0,1,2. Trong đó: t – là tham số; V có thể là A i, B j hoặc có thể là A i, ⨂ Gọi P là một điểm bất kỳ, hình chiếu của P lên đường thẳng d với gốc C 0 sẽ là đoạn thẳng C0H xác định như sau (hình 15). 5 Hình 2.5. Hình chiếu của P lên đường thẳng d Như vậy, khi chiếu 8 đỉnh của hộp bao thứ nhất lên trục cô lập d với gốc C 0 thì sẽ thu được 4 cặp đoạn thẳng có độ dài bằng nhau nằm về hai phía so với C0 (hình 16), độ dài của mỗi đoạn thẳng được xác định như sau: (2.1) Hình 2.6. Chiếu 8 đỉnh của hình hộp lên trục d Như vậy, khoảng cách nhỏ nhất chứa 8 đoạng thẳng (2.1) sẽ có tâm là C 0 và bán kính r0 được xác định như sau: Đặt R0 =r*   V  , ta có: Tương tự, ta xác định hình chiếu 8 đỉnh của hộp bao thứ hai lên d với gốc C 0 như sau. Với D = C 1- C 0 Chú ý rằng, 8 đoạn thẳng này được nhóm thành 4 cặp đối xứng nhau qua C1. Do vậy, khoảng cách nhỏ nhất chứa 8 đoạng thẳng (2.2) sẽ có tâm là C1 và bán kính R 1 được xác định như sau: Đặt R1= r*  V   , tương tự như trên ta suy ra Hai khoảng cách trên sẽ không giao nhau nếu: (2.3) 6 Trong đó: R= C0C1* V  Hình 2.7. Kết quả chiếu hai hình hộp lên trục cô lập d Giải cụ thể các phương trình trên, với mỗi vector B i ta có thể viết thành: B i=C0i A 0 + C1i A 1 + C2i A 2, với i=0,1,2. Đặt: A=(A0, A1, A2); B=(B0, B1,B2). (2.4) (2.5) Từ (2.4) và (2.5) => cij= A i * B j, hay cij là tích vô hướng của vector A i, B j. Mặt khác: từ A i=ci0 B 0 + ci1 B 1 + ci2 B 2, với i=0,1,2. Như ta đã biết, tập các trục B=C*A => A=CT*B → B j }, với i, j = 0,1,2. Để tính toán các hệ số R 0, cô lập ứng cử viên V i= { A i, B j, A i, ⨂ B j, các trường hợp còn R1 ở trên. ta minh họa cho hai trường hợp V = A i và V = A i, ⨂ lại tương tự. Xét trường hợp: V = A 0 Xét trường hợp: V = A 0, ⨂ B 0 Hình 2.8. Tìm điểm va chạm khi hai điểm tiêấp xúc nhau Mặt khác: Viết lại V dưới dạng: Tiếp tục làm cho các trường hợp còn lại, ta lần lượt xác định được các giá trị cho R, R 0, R1 b) Tìm va chạm giữa hai hộp OBBs Phát hiện va chạm trong mức thứ nhất chưa đưa ra được chính xác điểm va chạm. Trường hợp kết quả mức thứ nhất cho ta biết là có va chạm xảy ra thì phải chuyển sang mức hai để tìm chính xác điểm va chạm [9]. Ý tưởng để tìm thời điểm va chạm đầu tiên như sau: Nếu không tìm được một trục cô lập nào thì có nghĩa là hai hộp bao đã va chạm với nhau, khi đó nhãn thời gian được gán cho trục cô lập ở lần kiểm tra liền trước sẽ là thời điểm đầu tiên mà hai hộp bao va chạm nhau, gọi T là nhãn thời gian đó. Khi đó, ta có thế coi như R = R0+R1(thời điểm hai hình hộp tiếp xúc nhau). Gọi P là điểm tiếp xúc của hai hộp bao thì suy ra tồn tại một vector x = {x 0, x1, x2} và y = {y0, y1, y2} sao cho:  7 (2.6) Việc tìm điểm va chạm sẽ phụ thuộc vào trục cô lập V ở thời điểm T là trục nào trong số 15 trục cô lập ứng cử viên. Ta xét 3 trường hợp sau: Trường hợp 1: V là véctor A i Nhân hai vế của (6) với vector A i ta được: Đặt σ = Sign ( A i * D ) => xi = σ * (R0+R1) + Thay các giá trị của R0, R1 trong bảng 1 ở trên ta được: Nhân hai vế với σ ta được: (7) Thấy: (ai – σ *xi) ≥ 0 và (bj + σ * Sign (cij) * yj) ≥ 0 Nếu cij=0, ứng với trường hợp cạnh va chạm mặt, mặt va chạm mặt, khi đó nhân hai vế (2.6) với vector B j được: Mặt khác, vì |yj| ≤ bj, nên ta có: Do vậy ta chỉ cần chọn một giá trị yj thuộc đoạn trên. Trường hợp 2: V là véctor B j Tương tự như trường hợp 1, ta tính được: Nếu cij=0, nhân hai về của (6) với A , ta có: Tương tự, ta có: Khi đó, chọn xj thuộc đoạn sau làm điểm tiếp xúc B j , để thuận tiện và dễ trình bày, ta minh họa cho một Trường hợp 3: V là véctor A i ⨂ B 0 = c10 A 2 – c20 A 1= - c01 B 2 + c02 B 1, các trường hợp trường hợp V = A 0 ⨂ B j, ta được: khác được tính tương tự. Nhân hai về (6) với A i ⨂ (8) Lưu ý: theo hàng 7 trong bảng 1, thì:  8 Đặt σ = Sign (( A 0 ⨂ B 0 D ), ta có (8) tương đương với: ) * ⨂ |c20| * (a1 + σ *Sign(c20)*x1)+|c10|*(a2- σ *Sign(c10)*x2)+|c01|*(b2- σ *Sign(c01)*y2)+|c02|*(b1+ σ *Sign(c02)*y1)=0 (9) Ta thấy: Để tìm x0, y0, nhân hai vế của (6) với A , 0 B 0 Giải hệ phương trình trên, cùng với hệ số y1, y2, x1, x2, ta tìm được x0, y0 B 1, A 0 ⨂ B 2, A 1 ⨂ B 0,  Đối với các trường hợp V ={ A 0 ⨂ A 1 ⨂ B 1, A 2 ⨂ B 0 A 2 ⨂ B 1, A 2 ⨂ B 2} tính toán tương tự như trên để tìm điểm tiếp xúc. Cứ như vậy ta tính được tiểm tiếp xúc trong mọi trường hợp. 2.5. Kỹ thuật phát hiện va chạm sử dụng phương pháp Elipsoid 2.5.1. Không gian vector và sự tịnh tiến các vật thể trong không gian Phương pháp Elipsoid, sử dụng không gian vector không phải thuộc dạng chuẩn, để đơn giản hoá việc tính toán. Các Luật của một không gian vector phải đáp ứng: - Thỏa mãn luật cộng và nhân. Có nghĩa là cho 2 vector X, Y thuộc không gian vector đang xét thì Z = X + Y cũng thuộc không gian đó. Cho một số thực r, nếu X nằm trong không gian thì r*X cũng thuộc không gian đó. (Luật 1) - Tồn tại vector không V0 sao cho với mọi vector X trong không gian đó thì V0+X=X. Với mọi vector X thì X*0 = V0. (Luật 2) - Nó phải thoả mãn các phép toán học chuẩn như : luật kết hợp và luật giao hoán. (Luật 3) Tổ hợp tuyến tính của các vector trong một không gian vector: đó là một vector nhận được khi ta tổ hợp các vector trong không gian vector bởi các phép cộng và phép nhân với một số vô hướng. 2.5.2. Phát hiện va chạm Ý tưởng: mô phỏng đối tượng trong thế giới thực bởi Ellipsoid (hình bao Ellipsoid). Ellipsoid này được định nghĩa bởi tâm và bán kính của nó theo 3 trục tọa độ, như hình vẽ. Ý tưởng thuật toán tổng quát thực hiện theo 5 bước sau: Bước 1: Tính mặt phẳng chứa tam giác. Bước 2: Tính điểm giao trên hình cầu khi chúng sẽ va chạm với mặt phẳng. Bước 3: Tính điểm giao trên mặt phẳng khi hình cầu va chạm với mặt phẳng. Bước 4: Tính toán, nếu điểm va chạm trên mặt phẳng nằm trong tam giác. Nếu không ta phải tính lại điểm va chạm thực sự. Bước 5: Nếu xảy ra khả năng điểm giao không thực sự và khoảng cách tới điểm giao nhỏ hơn hoặc bằng độ lớn của khoảng cách mà chúng ta muốn di chuyển đối tượng, chúng ta sẽ kiểm tra điểm va chạm gần nhất có thể. Lưu thông tin va chạm. 9 Thuật toán kết thúc, nếu tồn tại điểm va chạm gần nhất, thì thực hiện lưu giữ thông tin va chạm, thông tin này cần thiết để xử lý phản hồi (response) sau va chạm. Khi toàn bộ quá trình phát hiện và xử lý va chạm kết thúc, ta chuyển toàn bộ kết quả vào không gian R 3 chuẩn để được kết quả cuối cùng, cập nhật vị trí mới của đối tượng. a) Triển khai thực hiện thuật toán tổng quát trên: (1). Tính mặt phẳng chứa tam giác Giả sử ta có mặt phẳng chưa tam giác ABC. Chọn A làm gốc và ta có 2 vector không song song được tính bởi công thức: v1 = B – A v2 = C – A Vector pháp tuyến được tính bằng tích có hướng của 2 vector v1,v2 . (2). Tính điểm va chạm giả định trên hình cầu (cầu đơn vị) Tính điểm giao trên hình cầu (trước khi di chuyển hình cầu) bằng tịnh tính (giả định) mặt phẳng tới làm mặt phẳng tiếp diện với mặt cầu khi đó được tiếp điểm chính là giao điểm sẽ xảy ra va chạm.Thuật toán thực hiện là: eIPoint = source – pNormal Hình 1 Tính mặt phẳng chứa tam giác Hình 2. Tìm điểm va chạm giả định (3). Tính điểm va chạm giả định nằm trên mặt phẳng Để tìm điểm này, ta kéo một tia từ điểm nằm trên mặt cầu dọc theo vector vận tốc, tia này cắt mặt phẳng tại đầu thì nó chính là điểm giao. Còn điểm nằm trên mặt cầu đó là điểm khi ta vẽ bán kính của mặt cầu song song và ngược chiều với vector pháp tuyến của mặt phẳng, như hình vẽ 21. Hình 3. Tính điểm va chạm giả định nằm trên mặt phẳng Thấy rằng điểm va chạm bây giờ không phải là một điểm mà là một tập các điểm, do vậy phải chọn điểm nằm trên mặt phẳng chính là điểm khi ta vẽ bán kính theo hướng của vector pháp tuyến của mặt phẳng, bán kính này giao với mặt phẳng tại điểm nào thì điểm đó là điểm cần tìm. Việc này được thực hiện khi mặt phẳng cắt mặt cầu Hình 4. điểm va chạm sẽ là một tập các điểm (4). Tính toán điểm giao thực Nếu tồn tại điểm giao thực, điểm mà hình cầu sẽ va chạm với tam giác, có 2 trường hợp xảy ra: hoặc là điểm va chạm nằm trong tam giác chúng ta đang xét hoặc là nằm ngoài tam giác (thuộc mặt phẳng) - không xét trường hợp mặt cầu không va chạm với mặt phẳng. Ý tưởng thuật toán kiểm tra một điểm nằm trong tam giác: Giả sử ta có điểm P bất kì, nối điểm P với các đỉnh của tam giác ABC, khi đó: Nếu P nằm trong tam giác ABC thì :  APB  +  = 360o; Nếu P nằm ngoài BPC CPA   o tam giác ABC thì : APB +  BPC + CPA < 360 + Lưu ý: tích vô hướng của 2 vector đơn vị bằng cosin của Hình 5. Kiểm tra một điểm nằm trong tam giác góc giữa chúng Như vậy, còn trường hợp khi điểm va chạm nằm ngoài tam giác, được tính toán điểm nằm trên cạnh của tam giác gần với điểm va chạm giả định nhất. Ta thực hiện hạ 3 đường vuông góc từ điểm va chạm giả định xuống 3 cạnh của tam giác, lấy đường vuông góc có độ dài nhỏ nhất, nếu chân đường vuông góc nằm trên cạnh của tam giác thì chân đường vuông góc đó chính là điểm cần tìm. Ngược lại ta sẽ lấy một trong 2 đỉnh gần nhất của cạnh ứng Hình 6. Kiểm tra điểm va chạm với đường vuông góc đó. xác nhận điểm va chạm 10 (5). Va chạm xảy ra Ở các bước trên ta đã thực hiện được: Khoảng cách tới điểm va chạm (nếu có); Điểm va chạm trên mặt cầu; Điểm va chạm trên tam giác. Trước hết, thấy rằng va chạm xảy ra thì khoảng cách tới điểm va chạm phải nhỏ hơn hoặc bằng quãng đường di chuyển của hình cầu (độ lớn của vector vận tốc). Ta vẫn chỉ xét riêng với tam giác hiện tại, trong lúc di chuyển bất chợt có thể va chạm với các tam giác khác… 2.6. Phát hiện va chạm khi các đối tượng di chuyển Giả sử hai đối tượng (mà ta coi như là các hình hộp) C 0 và C1 chuyển động với gia tốc khác nhau. Ta xây dựng một lớp hình hộp chứa các thông tin cần thiết về đối tượng như: toạ độ tâm hình hộp, 3 vector chỉ hướng, độ dài của 3 chiều hình hộp, gia tốc chuyển động, vận tốc chuyển động, trọng lượng hình hộp,… Những thông số này còn được gọi là các thông số trạng thái của đối tượng. Khi đó các đối tượng chuyển động với các thông số riêng của nó. Giả sử ở thời điểm t0 ta đã có các vector trạng thái của đối tượng, sang thời điểm t1 > t0 vector trạng thái mới của đối tượng có thể được tính toán bằng các phương pháp lấy tích phân số gần đúng [5]. Có hai phương pháp tính tích phân số hay được dùng đó là phương pháp Euler và Runge–Kutta Fourth 4. Phương pháp Euler đơn giản, sai số lớn và chỉ cho độ chính xác tốt khi ∆ t = t1 t0 lớn, ngược lại khi ∆ t bé thì phương pháp Runge–Kutta Fourth4 lại cho độ chính xác cao hơn. 2.7. Xử lý các hiệu ứng meo mó, biến dạng sau va chạm Như ta đã biết các bài toàn va chạm của các vật nói chung hay trong tai nạn, va chạm nói riêng, thì bước tiếp theo là phải xử lý sau va chạm đó. Sau sự va chạm của các vật (oto với oto, oto với xe máy…) thì các đối tượng (vật thể) đang xét sẽ như thế nào về hình dạng, có còn như ban đầu không? hay được biết dạng? và biết dạng đó như thế nào?… Cơ sở để tạo nên tính thực chính là các động cơ vật lý (Physics Engines), các Engine vật lý được xây dựng càng chi tiết thì càng làm tăng tính thực của hệ thống khi tương tác 2.7.1. Tư tưởng thuật toán Hình 7. Hỉnh ảnh méo mó, biêấn Cách tiếp cận cho vấn đề là sử dụng kĩ thuật bóp méo tự do [10, 17] (Free Form Deformation). Với mỗi đối tượng, tìm một hình bao AABB dạng sau va chạm bao quanh nó. - Trên hình bao AABB này, lập một lưới (lattice) các điểm điều khiển. Số lượng các điểm điều khiển trên mỗi chiều là tuỳ ý, giả sử chúng là Nu,Nv,Nw . Tổng số điểm điều khiển N = Nu*Nv*Nw; - Từ các điểm điều khiển này, ta xây dựng mộ t đường bao B-Splines 3D, đều, tuần hoàn đi qua các điểm điều khiển trên; - Với mỗi đối tượng, bổ sung một thuộc tính về độ cứng của chúng (stiff); - Khi hai đối tượng A, B va chạm nhau, ta sẽ lấy được thông tin về điểm va chạm và xung ảnh hưởng lên mỗi đối tượng. Từ điểm va chạm, ta tìm các điểm điều khiển gần điểm va chạm trong phạm vị bán kính R. Sau đó xác định độ chuyển dịch cho các điểm điều khiển này dưới tác dụng của xung vừa tính được. Mối liên hệ giữa xung và độ cứng của đối tượng tương tự như mối quan hệ giữa lực với độ cứng của lò xo. Vì vậy, ta có thể áp dụng mối liên hệ này để tính toán độ chuyển dịch cho điểm điều khiển. - Khi đã tính toán được độ chuyển dịch cho các điểm điều khiển, chúng ta tiếp tục tính toán sự ảnh hưởng của các điểm thuộc bề mặt đối tượng theo nguyên lý của các hàm B- Splines. [1,18]. 2.7.2. Đường cong B-Splines a) Tổng quan về đường cong Giả sử một điểm trong không gian được biểu diễn dưới dạng vector tham số p(t). Với các đường cong 2D, C(t) = (x(t), y(t)) và các đường 3D, C(t) = (x(t), y(t), z(t)). Để xây dựng đường cong C(t), ta dựa trên một dãy các điểm cho trước rồi tạo ra giá trị C(t) ứng với mỗi giá trị t nào đó. Việc thay đổi các điểm này sẽ làm thay đổi dạng của đường cong. Phương pháp này tạo ra đường cong dựa trên một dãy các bước nội suy tuyến tính hay nội suy khoảng giữa (In-Betweening). Giả sử một đường cong Bezier C được tạo ra từ (n+1) điểm kiểm soát P0, P1, P2, …, Pn. Kí hiệu tọa độ của mỗi điểm kiểm soát là Pi(xi, yi, zi) trong đó 0≤ k ≤n. Tập hợp các điểm kiểm soát ta gọi là đa giác kiểm soát (control polygon). Khi đó các điểm trên đường cong Bezier C được tính theo công thức [10]: (2.4.1) Trong đó (2.4.1.) được gọi là công thức Bernstein bậc n, còn gọi là các hàm trộn (blending function) vì nó tạo ra đường cong bằng cách pha trộn các điểm P0, P1, P2, …, Pn. 11 Dựa trên tính chất của hàm Spline, ta có thể dùng nó như các hàm trộn để tạo ra đường cong C(t) dựa trên các điểm kiểm soát P0, P1, ...,Pn. Khi đó: Tổng quát, ta xây dựng đường cong C(t) với n điểm kiểm soát bằng cách với mỗi điểm kiểm soát Pi , ta có một hàm trộn tương ứng Ri(t) và tập các nút gọi là vector nút T = (t0, ti, ..., tz) với ti ∈ R, ti ≤ ti+1. Khi đó: Các đoạn đường cong riêng phần này gặp nhau tại các điểm nút và làm cho đường cong liên tục. Ta gọi những đường cong như vậy là đường cong Spline. b) Đường cong B-Spline Hàm cơ sở: Cho trước một vector nút T = (t0, ti, ...,tz) với ti ∈ R, ti ≤ ti+1, khi đó tồn tại một họ các hàm trộn sao cho chúng có thể phát sinh ra mọi đường cong Spline được định nghĩa trên vector nút đó. Một họ các hàm như vậy được gọi là cơ sở cho Spline. Với mỗi vector có nhiều họ hàm như vậy, nhưng đặc biệt có một họ hàm trộn có đoạn mang giá trị khác 0 nhỏ nhất đó là B-Spline. Đối với các hàm B-Spline, mỗi đa thức riêng phần tạo ra nó có một bậc m nào đó. Do đó, thay vì dùng ký hiệu Ri(t) như trong công thức. Cho các hàm riêng phần này ta sẽ ký hiệu các hàm trộn này là Nk,m(t). Khi đó, một đường cong B-Spline bậc m-1 được xây dựng dựa trên vector nút T và (n + l) điểm kiểm soát Pi có dạng : Trong đó: Ni,m(t) gọi là hàm Cox-de Boor hay hàm cơ sở B-Spline có cấp m (order m) và bậc (m-1) (degree m1) là phương pháp chuẩn để định nghĩa hàm cơ sở B-Spline. Ni,m(t) được cho bởi công thức đệ quy: Hình 8. Đường cong B-Spline, m=2 c) Mặt cong B-Spline Giả sử ta có một mảng (N+1).(K+1) phần tử. Các điểm kiểm soát P ij, với 0 ≤ i ≤ n, 0 ≤ j ≤ l tạo thành khối đa diện kiểm soát. Khi đó các điểm trên mặt cong B-Spline S được tính theo công thức: Khối đa diện kiểm soát có (N+l).(K+l) đỉnh u và v, biến thiên từ 0 tới giá tri lớn nhất của nút trong các vector nút tương ứng của chúng. Hình 2.6 sau đâu biểu diễn mặt cong B-Spline. Thông thường để thiết kế, người ta vẫn dùng các B-Spline cấp 4 (tức là cubic B-Spline) và do việc chọn số điểm kiểm soát không hạn chế (số lượng các điểm không ảnh hưởng đến bậc của đa thức như đối với đường cong Bezier) nên có thể tạo ra các dạng mặt cong rất phức tạp. Hình 9. Mặt cong BSpline CHƯƠNG III ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG TAI NẠN VA CHẠM CỦA PHƯƠNG TIÊN Ô TÔ TẠI ĐIỂM ĐEN GIAO THÔNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THÁI NGUYÊN 12 3.1. Tổng quan về kết cấu cơ sở hạ tầng và an toàn giao thông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên Mục này của Luận văn, trình bày tóm tắt về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của tỉnh Thái Nguyên, đặc điểm địa hình…Luận văn cũng trình bày hiện trạng kết cấu hạ tầng giao thông của tỉnh như: Mạng lưới giao thông đường bộ, đường thủy, đường sắt, tình hình tổ chức giao thông; hiện trạng phương tiên giao thông.. 3.2. Hiện trạng an toàn giao thông và điểm đen giao thông Diễn biến tình hình tai nạn giao thông từ năm 2006-2010 Vụ TNGT Năm Số So sánh với vụ cùng kỳ +/- % Số người chết Người chết Số Người bị thương So sánh với người So sánh với bị cùng kỳ cùng kỳ +/- % thương +/- % 2006 231 - 29 - 11,1 181 +25 +16,0 189 -64 -25,3 2007 205 - 26 - 11,2 189 +08 +4,4 113 -76 -40,2 2008 199 - 06 -2,9 197 +08 +4,2 137 +24 +21,2 2009 204 +05 +2,5 217 +20 +10,2 139 +02 +1,4 2010 209 +05 +2,45 238 +21 +9,7 96 - 43 -30,9 Bảng 3. Số liệu tai nạn giao thông trên địa bàn tỉnh từ năm 2006 đến 2010 – Ngồn số liệu: Ban an toàn giao thông tỉnh Thái Nguyên 3.3. 3.3.1. Bài toán ứng dụng mô phỏng tình huống va chạm giao thông Bài toán: Bài toán mô phỏng một tình hống giao thông đường bộ trong đó có các đối tượng tham gia giao thông một tưgôồ được coicửlà điểm đen theocácLuật Bộlang Việtgiao Nam trên Giai đoạn chuẩn bị (Ofine): xầy dựcùng ng và tqua ạo các đôấi ngã tượng, m: Nhà a, cầy đô th ị, đgiao ường thông giao thông; côngđường trình hành thông; các ch ỉ dầẫn giao th địa bàn tỉnh Thái Nguyên, trong ứng dụng mô phỏng này ta cần sử dụng các mô hình: Mô hình về hạ tầng giao thông đường bộ; Mô hình xe cảnh sát; Mô hình xe tải; Mô hình xe con 04 chỗ ngồi. 3.3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng Load các đôấi tượng vào hệ thôấng Giai đoạn mô phỏng (Online): Tính toán vector trạng thái mới (Euler, RK4) Do tm va chạm Có va chạ m Hình 36. Sơ đôồ xầy dựng hệ thôấng mô phỏng Không có va chạm Render Xử lý va chạm Xầy dựng trạng thái mới 13 3.3.3. Kết quả thực nghiệm Hình 10. Mô phỏng tình huống di chuyển của phương tiện tham gia giao thông Ở các hình trên mô phỏng tình huống tham gia giao thông của phương tiên tham gia giao thông của 3 xe ô tô như sau: xe cảnh sát đi theo hướng chính ưu tiên đi thẳng, xe con bốn chỗ, xe tải cùng đi từ đường ngược chiều và qua giao cắt với đường ưu tiên. Xe tải rẽ phải vào đường ưu tiên; xem bốn chỗ đi thẳng qua giao cắt với đường ưu tiên. Tình huống sảy ra va chạm giữa xe tải và xe bốn chỗ được mô phỏng như sau: Hình 39. Mô phỏng va chạm giao thông giữa xe bốn chỗ và xe tải khi tham gia giao thông qua ngã tư có giao cắt giữa đường không ưu tiên với đường ưu tiên 3.4. Một số kiến nghị, đề xuất giải pháp kìm chế tai nạn giao thông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên giai đoạn 2011-2015 Một là: Tăng cường sự lãnh đạo của các cấp ủy đảng, nâng cao trách nhiệm vủa chính quyền các cấp đối với công tác đảm bảo TTATGT ; Hai là: Tăng cường công tác tuyên truyền, giáo dục về ATGT Ba là: Tăng cường kiểm tra xử lý vi phạm Bốn là: Xây dựng và quản lý, khai thác kết cấu hạ tầng giao thông Năm là: Kiện toàn tổ chức thực hiện công tác ATGT; tăng cường quản lý phương tiện và người điều khiển phương tiện giao thông, công tác cứu hộ, cứu nạn và cấp cứu y tế TNGT 3.5. Đề xuất Mô hình kiến trúc ứng dụng quản lý và mô phỏng điểm đen giao thông trên địa bàn tỉnh Cơ chế chính sách quản lý , xử lý điểm đen, kìm Qu ảntai lý nạn chuẩgiao n kiêấthông n trúc chế vàlýhlýệan thôấ ng an Quản hệ thống Quản toàn, ninh Người dần| Doanh nghiệp| Tổ chức| cơ quan nhà ước|NgQuản ười ngoài nWeb ước|ngữ nghĩa | Quản QLnthẩm Mô lý Web3D lý hồ định, phê phỏng cảnh Lớp ứng dụng sơ duyệt xử điểm báo điểm lý điểm CSDL đen/điểm điểm D ị ch v ụ c ả nh đen Lđen ớp ứng dụđen ng giữa tiềm3D CSDL ẩn D ị ch v ụ Service báovụ nguy ểm Dịch nhậnhidạng, Điểm Đôấi CSDL CSDL xử lýweb3D ngôn ngữ tự đen tượng Dịch vnhiên ụ quản lý Hôồ s ơ Hạ Dịch dvữ ụ lixác thực GT ệ u Phươ ng g GT LDAP Hạ tai Hạnạtầồnng tầồnCác tiện người Hạ tầồng kyẫ thuật tầồng mạng nêồn dùng: Chip LAN/TS máy PC/Laptop/ PTGT L chủ PDA 14 KẾT LUẬN Luận văn đã tìm hiểu và trình bày một số vấn đề cơ bản về mô phỏng, mô phỏng trong máy tính và những ứng dụng của mô phỏng trong giải quyết các bài toán ứng dụng trong giao thông như: Quy hoạch giao thông; An toàn giao thông; công tác tuyên truyền an toàn giao thông. Qua đó cũng tìm hiểu nghiên cứu về thực trạng cở sở, kết cấu hạ tầng giao thông, tình hình tai nạn giao thông của tỉnh Thái Nguyên từ năm 2006 đến 2010.. tìm hiểu lý thuyết tính toán và xử lý va chạm của các vật (đối tượng) trong thực tế mô phỏng trên máy tính với không gian R3 (3D). Để từ đó xây dựng và cài đặt mô phỏng một tình huống va chạm ô tô tại điểm đen (vị trí giao thông nguy hiểm) và đề xuất một số giải pháp nhằm đảm bảo an toàn giao thông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên giai đoạn hiện nay với những kết quả cụ thể như sau: 1. Tìm hiểu về mô phỏng, mô phỏng trên máy tính 2. Tìm hiểu lý thuyết về một số kỹ thuật mô phỏng phát hiện, xử lý va chạm: Kỹ thuật phát hiện va chạm sử dụng: Hộp bao AABB, OBB, Ellipsoid; Sử dụng đường cong B-Spline để xử lý các hiệu ứng méo mó sau va chạm của các vật. 3. Ứng dụng các kỹ thuật trên để mô phỏng va chạm của phương tiên Ô tô tại điểm đen giao thông; Tìm hiểu hiện trạng cơ sở hạ tầng và an toàn giao thông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên giai đoạn 2006 đến năm 2010 và đề xuất một số giải pháp nhằm đảm bảo an toàn giao thông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên hiện nay. Một số vấn đề của luận văn chưa nghiên cứu được đó là các kỹ thuật phát hiện, xử lý va chạm khi các vật di chuyển ở địa hình khác nhau..và các lý thuyết về động lực học để xử lý trước và sau va chạm…Hướng phát triển của luận văn là phát triển các kỹ thuật phát hiện, xử lý va chạm để phục vụ xây dựng các bài toán như: - Trong an toàn, quy hoạch giao thông; dựng lại hiện trường tai nạn giao thông phục vụ công tác điều tra và xử lý các vụ tai nạn giao thông… - Trong tuyên truyền, giảng dạy về giao thông; - Phục vụ các lĩnh vực giải trí như Game, Phim hoạt hình, kỹ xảo phim trường… Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, bản thân cố gắng về thời gian, công sức để tìm hiểu nghiên cứu đề tài, đồng thời đã nhận được sự chỉ bảo, định hướng tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đỗ Năng Toàn, cùng các anh, chị đi trước nhưng do hạn chế về mặt thời gian và kiến thức của bản thân còn hạn chế nên kết quả tìm hiểu, nghiên cứu và cài đặt ứng dụng của luận văn chưa đạt được kết quả như mong muốn và đòi hỏi của thực tiễn. Trân trọng!