Luận văn thạc sĩ công nghệ thông tin mô phỏng dòng điện trong chất điện phân bằng công nghệ thực tại ảo

i
LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, tác giả đã hồn thành luận văn thạc sĩ chun ngành
Cơng nghệ thơng tin với đề tài: “Mơ phỏng dịng điện trong chất điện phân bằng
công nghệ thực tại ảo”.
Chân thành cảm ơn PGS.TS. Đỗ Năng Toàn, đã dành thời gian quý báu
tận tình hướng dẫn tác giả hồn thành luận văn.
Chân thành cảm ơn quý Thầy Cô khoa Sau đại học, khoa Công nghệ thông tin,
trường Đại học Lạc Hồng và quý thầy cơ đã tham gia giảng dạy, tận tình truyền đạt
kiến thức vô cùng quý giá trong những ngày qua.
Tác giả xin cảm ơn gia đình và các bạn hữu đã đóng góp những ý kiến
quý báu./.
Tác giả luận văn

Lương Thị Ngọc Thúy


ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng đề tài nghiên cứu này là do chính bản thân tơi
nghiên cứu và thực hiện, với sự hỗ trợ rất tận tình của Thầy hướng dẫn khoa học
PGS.TS Đỗ Năng Toàn. Các dữ liệu được thu thập từ những nguồn hợp pháp; sử
dụng mã nguồn mở; nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực.
Tác giả luận văn

Lương Thị Ngọc Thúy


iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn gồm Phần mở đầu, Phần kết luận và 3 chương, nội dung cụ thể

như sau:
Chương 1: Khái quát về thực tại ảo và mô phỏng điện tích
Chương này trình bày khái qt về thực tại ảo và ứng dụng, những khái niệm
cơ bản về điện thích và bài tốn mơ phỏng điện tích.
Chương 2: Mơ phỏng điện tích bằng kỹ thuật particle
Trong chương này luận văn trình bày các vấn đề cơ bản trong việc mơ phỏng
bằng kỹ thuật Particle và mơ phỏng điện tích bằng kỹ thuật này trong thực tại ảo.
Chương 3: Chương trình thử nghiệm
Chương này trình bày chương trình thử nghiệm cho bài tốn mơ phỏng
dịng điện trong chất điện phân, kịch bản thí nghiệm và chương trình thử nghiệm
mơ phỏng điện tích.


iv

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................iii
MỤC LỤC ........................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................... vi
DANH MỤC CÔNG THỨC ............................................................................... vii
PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1i
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO & MÔ PHỎNG ĐIỆN TÍCH ............. 3

1.1. Khái quát về thực tại ảo .................................................................................... 4
1.1.1. Thực tại ảo là gì ........................................................................................ 4
1.1.2. Thực tại ảo và các đặc tính ........................................................................ 6
1.1.2. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo ............................................ 8

1.1.3. Một số ứng dụng chính của thực tại ảo .................................................... 11
1.2. Điện tích và mơ phỏng điện tích ..................................................................... 13
1.2.1. Điện tích, các loại điện tích ..................................................................... 13
1.2.2. Mơ phỏng điện tích và ứng dụng .............................................................. 16
CHƯƠNG 2: MƠ PHỎNG ĐIỆN TÍCH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PARTICLE ......... 18

2.1. Cơ sở lý thuyết để xây dựng kỹ thuật mô phỏng điện tích ............................... 19
2.1.1. Định nghĩa Particle System ..................................................................... 19
2.1.2. Đặc tính của Particle System ................................................................... 19
2.1.3 Mơ hình mơ phỏng bằng phương pháp Partical ........................................ 20
2.1.3.1. Sự khởi tạo ra các particle.................................................................. 21
2.1.3.2. Các thuộc tính của particle ................................................................. 23
2.1.3.3. Chuyển động của các particle............................................................. 25
2.1.3.4. Render particle ................................................................................... 25
2.1.3.5. Sự phân cấp của Particle System ........................................................ 26
2.1.3.6. Sự chết của particle ............................................................................ 27
2.2. Mơ phỏng điện tích bằng phương pháp Particle .............................................. 27
2.2.1. Mơ hình mơ phỏng điện tích .................................................................... 27


v
2.2.2. Khởi tạo hình dạng và màu sắc cho Particle điện tích ............................. 28
2.2.3. Tính chất của Particle điện tích và Particle System cho mơ phỏng
điện tích ............................................................................................................ 30
2.2.4. Các phương thức của Particle System mơ phỏng điện tích ....................... 31
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ................................................. 35
3.1. Các kịch bản thí nghiệm ................................................................................. 36
3.1.1. Tạo ra dịng điện trong chất điện phân .................................................... 36
3.1.2. Hiện tượng điện phân .............................................................................. 39
3.2. Phân tích thiết kế thí nghiệm mơ phỏng .......................................................... 40

3.2.1. Bài tốn ................................................................................................... 40
3.2.2. Phân tích chương trình ............................................................................ 41
3.3. Một số kết quả chương trình ........................................................................... 43
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 47
1. Tầm quan trọng của mơ phỏng điện tích ............................................................ 47
2. Các vấn đề đã làm được ..................................................................................... 47
3. Hướng phát triển của luận văn ........................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... viii
PHỤ LỤC............................................................................................................... ix


vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Hệ thống HMD ............................................................................... 5
Hình 1.2. Hệ thống BOOM ............................................................................ 5
Hình 1.3. Sử dụng tay điều khiển và mũ chụp ảo............................................ 7
Hình 1.4. Mơ phỏng nội thất 3D ..................................................................... 7
Hình 1.5. Tổng hợp ba yếu tố của thực tại ảo ................................................. 8
Hình 1.6 Các trang phục ảo, găng tay ảo, kính ảo ......................................... 11
Hình 1.7. Hệ thống tập lái xe ảo 3D ............................................................. 12
Hình 1.8. Sự chuyển động của các ion khi chưa có điện trường.................... 14
Hình 1.9. Sự chuyển động của các ion khi có điện trường ............................ 15
Hình 1.10. Hệ thống nạp quang điện ............................................................ 16
Hình 1.11. Mơ phỏng ống phóng Electron .................................................... 16
Hình 1.12. Mơ phỏng hiện tượng quang điện ............................................... 17
Hình 2.1. Particle System với hình dạng thế hệ cầu ...................................... 24
Hình 2.2. Kỹ thuật Anti-Aliased ................................................................... 26
Hình 2.3. Cộng ảnh Alpha Channel vào ảnh để tạo mặt nạ ........................... 29

Hình 3.1 Thí nghiệm dịng điện trong nước ngun chất .............................. 36
Hình 3.2. Thí nghiệm dịng điện trong dung dịch NaCl ................................ 37
Hình 3.3 Ion dương và Ion âm trong dung dịch NaCl ................................... 37
Hình 3.4 Sự dịch chuyển của các ion khi có điện trường .............................. 38
Hình 3.5. Thí nghiệm mơ phỏng hiện tượng cực dương tan .......................... 39
Hình 3.6. Thí nghiệm mơ phỏng hiện tượng cho nhận Electron .................... 40
Hình 3.7. Sơ đồ thí nghiệm dịng điện trong chất điện phân ......................... 41
Hình 3.8. Biểu đồ phân tích chức năng của thí nghiệm mơ phỏng dịng điện
trong chất điện phân ..................................................................................... 42
Hình 3.9. Chuyển động tự do của các ion ..................................................... 44
Hình 3.10. Chuyển động tự do của các ion ở một góc quan sát..................... 44
Hình 3.11. Các ion đang chuyển động về phía điện cực trái dấu ................... 45


vii
Hình 3.12. Các ion chuyển động về các điện cực ở một góc quan sát ........... 45
Hình 3.13. Hình ảnh các ion bám vào các điện cực trái dấu.......................... 46
Hình 3.14. Hình ảnh các ion bám vào điện cực từ một góc quan sát ............. 46


viii
DANH MỤC CƠNG THỨC
Trang
Cơng thức (1) ........................................................................................................ 22
Cơng thức (2) ........................................................................................................ 22
Công thức (3) ........................................................................................................ 22
Công thức (4) ........................................................................................................ 22
Công thức (5) ........................................................................................................ 24
Công thức (6) ........................................................................................................ 24

1
PHẦN MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây công nghệ thông tin đã đạt được những bước
phát triển nhảy vọt cả về phần cứng lẫn phần mềm. Những ứng dụng của nó vào
cuộc sống ngày càng phong phú, đa dạng và thiết thực hơn. Từ các lĩnh vực cơ bản
như khoa học cơ bản, kinh tế kỹ thuật cho đến các lĩnh vực như: giải trí, du lịch,
khơng lĩnh vực nào khơng 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 trước kia nay đã có khả năng phát triển và đã đạt được
những thành tựu đáng kể. Chúng ta có thể kể đến cả các lĩnh vực như: các
hệ chuyên gia, các hệ xử lý thời gian thực, một lĩnh vực khác cũng cần phải nói là
Thực tại ảo (Virtual reality) và một lĩnh vực đang được phát triển mạnh trên thế giới
đó là cơng nghệ mơ phỏng.
Thực tại ảo là một môi trường ba chiều được phát sinh, tổng hợp và điều khiển
thông qua máy vi tính nhằm mục đích mơ phỏng lại thế giới thực hoặc một thế giới
theo tưởng tượng của con người. Nó cho phép người dùng thông qua các thiết bị
ngoại vi tương tác với các sự vật, hiện tượng của thế giới ảo giống như tương tác
với các sự vật, hiện tượng của thế giới thực.
Hiện nay, chúng ta chỉ thấy tin học trong các chương trình quản lý, kế tốn,
hay các trang web mà ít thấy tin học có sự phát triển theo chiều sâu, phục vụ các
ngành công nghiệp sản xuất như: Tự động hoá điều khiển, khai thác, thăm dị,
hàng khơng, qn sự... Đặc biệt là trong giáo dục người ta chỉ chú trọng vào việc
phát triển các tư duy tin học thuần tuý, mà không thể đưa ra một mơ hình để
áp dụng tin học trong nhà trường, nhằm phát triển tư duy con người một cách
toàn diện và có khả năng sáng tạo.
Bên cạnh sự phát triển của công nghệ mô phỏng trên thế giới, việc xây dựng
các bài giảng điện tử đã và đang được cổ vũ và phát triển mạnh mẽ trong điều kiện
thực tế ở Việt Nam. Yêu cầu về đổi mới phương pháp giảng dạy đang được chú
trọng nhằm nâng cao chất lượng dạy và học trong các trường học, nhất là các trường

phổ thông hiện nay. Trong giáo dục phổ thông, điện tích là một khái niệm rất quan
trọng liên quan đến nhiều khái niệm, hiện tượng trong tự nhiên và là cơ sở cho
những nghiên cứu khoa học về điện, năng lượng hạt nhân,… Ứng dụng
công nghệ thực tại ảo trong việc mơ phỏng các q trình sinh trưởng hay các


2
thí nghiệm ảo có khả năng tương tác sẽ giúp học sinh, sinh viên dễ hình dung và
nắm bắt vấn đề mà lý thuyết đưa ra. Với những thí nghiệm đòi hỏi nhiều thiết bị,
mẫu vật đắt tiền và những hóa chất độc hại thì việc mơ phỏng thí nghiệm là một sự
lựa chọn tốt. Việc nghiên cứu và ứng dụng vào việc mơ phỏng điện tích cũng có
rất nhiều phương thức nghiên cứu như: Phương thức khởi tạo một particle điện tích
âm; Phương thức khởi tạo một particle điện tích dương; Phương thức khởi tạo cho
particle system.
Đề tài “Mơ phỏng dịng điện trong chất điện phân bằng cơng nghệ thực tại ảo”
được xây dựng nhằm mục đích đi sâu nghiên cứu về một phương thức đặc biệt
sử dụng trong mơ phỏng nói chung cũng như mơ phỏng điện tích nói riêng, hiểu rõ
kỹ thuật mơ hình hóa 3D trong thực tại ảo và mơ phỏng dịng điện trong chất điện
phân bằng công nghệ thực tại ảo. Xây dựng một số thí nghiệm ảo có liên quan
tới điện tích, phục vụ việc giảng dạy trong nhà trường phổ thông.
Với mục đích đó đề tài gồm các chương cơ bản sau đây:
Chương 1: Khái quát về thực tại ảo và mô phỏng điện tích. Chương này
trình bày khái qt về thực tại ảo và ứng dụng, những khái niệm cơ bản về điện tích
và bài tốn mơ phỏng điện tích.
Chương 2: Mơ phỏng điện tích bằng kỹ thuật particle. Trong chương này
luận văn trình bày các vấn đề cơ bản trong việc mô phỏng bằng kỹ thuật Particle và
mô phỏng điện tích bằng kỹ thuật này trong thực tại ảo.
Chương 3: Chương trình thử nghiệm. Chương này trình bày chương trình
thử nghiệm cho bài tốn mơ phỏng dịng điện trong chất điện phân, kịch bản
thí nghiệm và chương trình thử nghiệm mơ phỏng điện tích.

Hy vọng đề tài này sẽ đem lại một số kiến thức và ứng dụng thực tế của
mơ phỏng điện tích vào những thí nghiệm giảng dạy trong nhà trường cũng như
cơng nghệ giải trí, nghiên cứu khoa học.
Vì thời gian và khả năng có hạn, nên trong nội dung nghiên cứu cũng như
trong chương trình thử nghiệm khơng thể tránh được những sai sót. Rất mong
nhận được sự quan tâm, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thầy cô, bạn bè
để người nghiên cứu có thể áp dụng được đề tài vào nhiều lĩnh vực thiết thực trong
cuộc sống.


3

CHƯƠNG 1:
KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG ĐIỆN TÍCH
Khái qt về thực tại ảo
Điện tích và mơ phỏng điện tích


4
1.1. Khái quát về thực tại ảo
1.1.1. Thực tại ảo là gì
Thực tại ảo là một mơi trường ba chiều được phát sinh, tổng hợp và điều khiển
thông qua máy vi tính nhằm mục đích mơ phỏng lại thế giới thực hoặc một thế giới
theo tưởng tượng của con người. Nó cho phép người dùng thơng qua các thiết bị
ngoại vi và bộ chuyển đổi tương tác với những sự vật, hành động của thế giới ảo
giống như tương tác với các sự kiện, hành động của thế giới thực.
Ví dụ : Người sử dụng có thể dịch chuyển một vật trong thế giới ảo, hoặc
có thể cảm nhận được một vật khi chạm vào nó… Trong đó thiết bị ngoại vi sẽ làm
nhiệm vụ chuyển những hoạt động của người sử dụng vào bộ chuyển đổi, sau đó
bộ chuyển đổi sẽ chuyển những tín hiệu này thành các tương tác vào môi trường ảo,

đồng thời môi trường cũng chuyển những tác dụng của nó đến bộ chuyển đổi và
bộ chuyển đổi chuyển đến các thiết bị ngoại vi, sau đó các thiết bị ngoại vi
sẽ tác động đến người sử dụng. Vì vậy, người sử dụng sẽ có khả năng tương tác với
môi trường ảo như là tương tác trong chính mơi trường thực.
Ngồi thuật ngữ thực tại ảo (Virtual reality) người ta cũng hay đề cập tới
thuật ngữ thế giới ảo (Virtual world). Thực chất đây là hai khái niệm tương đồng
để chỉ một không gian ảo mà trong khơng gian này những người sử dụng có thể
tương tác với các đối tượng của không gian ảo, hoặc những người sử dụng có thể
tương tác với nhau trong khơng gian đó.
Nói chung, các hệ thống thực tại ảo phải xử lý một khối lượng lớn thông tin
đa phần là các thông tin của các đối tượng 3D do đó tốn bộ nhớ và địi hỏi thời gian
xử lý là thời gian thực vì thế nó u cầu một lượng bộ nhớ RAM lớn và bộ xử lý
cùng các thiết bị vào ra có tốc độ cao. Vì vậy, mặc dù bắt đầu được nghiên cứu từ
khá lâu, nhưng trong một số năm gần đây thực tại ảo mới có được sự phát triển và
ứng dụng mở rộng đáng kể.
Các thiết bị ngoại vi sử dụng trong lĩnh vực thực tại ảo ngày càng hiện đại và
đa dạng. Một trong những thiết bị phải kể đến là hệ thống HMD (Head-Mounted
Display). Đây là một trong những hệ thống được phát triển đầu tiên để phục vụ
trong lĩnh vực này. Ngày nay, nó vẫn là một hệ thống khơng thể thiếu được trong
lĩnh vực thực tại ảo. Hệ thống này gồm có hai màn hình gắn trực tiếp vào hai mắt,


5
cho phép bạn nhìn, cảm nhận thế giới ảo như là không gian trong thế giới thực và
một thiết bị rất nhạy nhằm xác định vị trí góc quay của HMD như hình 1.1. Từ đó,
hệ thống sẽ tính tốn góc nhìn và vị trí của bạn trong thế giới ảo.

Hình 1.1. Hệ thống HMD
Ngồi hệ thống HMD, thiết bị ngoại vi sử dụng trong lĩnh vực thực tại ảo cịn
có BOOM và CAVE. BOOM (Binocular Omni-orientation Monitor) và CAVE

(Cave Automatic Virtual Environment) là hai hệ thống tương tự như HMD,
song chúng có một vài điểm khác, ví dụ như BOOM không dùng mũ gắn trên đầu
mà dùng một cái cần gắn màn hình vào một đầu có tay cầm ở màn hình. Khi bạn
nhìn vào màn hình dịch chuyển nó, lập tức thiết bị nháy cũng dịch chuyển và
theo góc nhìn, vị trí nhìn của bạn cũng thay đổi như hình 1.2.

Hình 1.2. Hệ thống BOOM


6
Ngày nay, các thiết bị trên đã và đang được phát triển hoàn thiện hơn,
đồng thời trong mỗi ngành ứng dụng người ta đã phát triển các hệ thống thiết bị
đặc trưng cho các ứng dụng đó. Cơng nghệ mới ngày càng đưa ra nhiều thiết bị
hiện đại hơn cho phép con người tiến gần tới thực tại ảo hơn. Ví dụ như: găng tay
dữ liệu (data gloves), áo dữ liệu… Và các thiết bị đầu vào ba chiều như máy quét
3 chiều, máy quay 3 chiều...
Thực tại ảo là một mơi trường 3D trên máy vi tính, nó sử dụng một lượng lớn
các thông tin đồ hoạ và các thơng tin này ln ln biến đổi. Do đó, nó không thể
dùng các phương pháp thông thường để truy cập bộ nhớ đồ họa (vì tốc độ chậm),
mà phải dùng phương pháp truy cập trực tiếp bộ nhớ và sử dụng bộ tăng tốc đồ hoạ.
Vì vậy, người ta cần một phần mềm cho phép truy cập trực tiếp bộ nhớ và
điều khiển bộ tăng tốc đồ hoạ. Hiện nay một số chuẩn phần mềm được sử dụng
nhiều như: Directx, OpenGL, MiniGL... Hiện nay thực tại ảo đã được sử dụng
rộng rãi, các ứng dụng trên mạng của nó ngày càng nhiều nên tổ chức W3C đưa ra
một mơ hình chuẩn trên mạng cho thực tại ảo. Đó là mơ hình VRML
(Virtual Reality Modeling Language).
1.1.2. Thực tại ảo và các đặc tính
Khả năng đắm chìm (Immersion): Một hiệu ứng hết sức mạnh mẽ của nó là
khả năng tập trung sự chú ý của người sử dụng. Sự đắm chìm có nghĩa là ngăn chặn
sự xao nhãng và tập trung một cách có chọn lọc vào chính thơng tin với những gì

mà ta muốn làm. Khả năng tập trung vào cơng việc dường như là điều kiện
tiên quyết đối với sự thành cơng. Một thuộc tính then chốt khác của sự đắm chìm là
nó có thể tác động như một thấu kính mạnh để khai thác kiến thức từ dữ kiện bằng
cách biến đổi nó thành kinh nghiệm. Năng lực này chính là lý do khiến cho rất
nhiều ngành cơng nghiệp đang ráo riết khai phá cách sử dụng các môi trường ảo.


7

Hình 1.3. Sử dụng tay điều khiển và mũ chụp ảo
Sự tương tác (Interactive): Có hai khía cạnh là sự điều hướng và động lực
học. Sự điều hướng (navigation) chỉ là khả năng của người dùng để di chuyển khắp
nơi một cách độc lập, người ta có thể thiết lập những áp đặt đối với việc truy cập
vào các khu vực ảo nhất định, cho phép có được nhiều mức độ tự do khác nhau hay
định vị điểm nhìn của người dùng, kiểm sốt điểm nhìn, hoặc di chuyển trong khắp
thiết kế.

Hình 1.4. Mơ phỏng nội thất 3D
Tính tưởng tượng (Imagination): Thực tại ảo không chỉ là một hệ thống
tương tác người - máy tính, mà các ứng dụng của nó cịn liên quan tới việc
giải quyết các vấn đề thật trong kỹ thuật, y học, quân sự... Các ứng dụng này do
các nhà phát triển thực tại ảo thiết kế, điều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng


8
tưởng tượng của con người, đó chính là đặc tính "I" (Imagination) thứ ba của
thực tại ảo.
Do đó có thể coi Thực tại ảo là tổng hợp của ba yếu tố: tương tác đắm chìm -tưởng tượng.

Hình 1.5. Tổng hợp ba yếu tố của thực tại ảo

1.1.2. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo
Hệ thống thực tại ảo bao gồm 3 thành phần chính sau: Phần cứng (Hardware);
Bộ giả lập thực tại (Reality simulator); Ứng dụng (Application).
Phần cứng (Hardware)
Phần cứng của một VR bao gồm:
Các thiết bị đầu vào (Input devices): Chúng bao gồm những thiết bị đầu ra có
khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong
thế giới ảo. Chẳng hạn như màn hình đội đầu HMD, chuột, các tai nghe
âm thanh nổi - và những thiết bị đầu vào có khả năng ghi nhận nơi người sử dụng
đang nhìn vào hoặc hướng đang chỉ tới, như thiết bị theo dõi gắn trên đầu (Headtrackers), găng tay hữu tuyến (Wire-gloves).
Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (như màn hình,
HDM,..) để nhìn được đối tượng 3D. Thiết bị âm thanh (loa) để nghe được
âm thanh vòm (như Hi-Fi, Surround,..). Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback như
găng tay,..) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tượng. Bộ phản hồi xung lực
(Force Feedback) để tạo lực tác động như khi đạp xe, đi đường xóc...
Bộ giả lập thực tại (Reality simulator)
Là trái tim của hệ thống thực tại ảo, bao gồm hệ thống máy tính và phần cứng
ngoại vi, thiết bị đồ hoạ và multimedia; cung cấp cho bộ tác động những thông tin


9
giác quan cần thiết. Trong hệ thống mô phỏng cabin lái, thì mơ hình cabin là
thành phần này.
Ứng dụng (Application)
Phần mềm luôn là linh hồn của VR cũng như đối với bất cứ một hệ thống
máy tính hiện đại nào. Về mặt ngun tắc có thể dùng bất cứ ngơn ngữ lập trình hay
phần mềm đồ họa nào để mơ hình hóa (Modelling) và mơ phỏng (Simulation)
các đối tượng của VR. Ví dụ như các ngơn ngữ (có thể tìm miễn phí) Open GL,
Open Scene Graph?, Open SG?, C++, Java 3 D?, VRML, X 3 D?... hay các
phần mềm thương mại như World Tool Kit?, People Shop?, Ve Ga?...

Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm 2 cơng dụng chính: Tạo hình
và Mơ phỏng. Các đối tượng hình học (Geometry). Thành phần này bao gồm những
thơng tin mơ tả các thuộc tính vật lý (hình dạng, màu sắc, vị trí...) của các đối tượng
trong mơi trường ảo. Thơng thường, các đối tượng hình học được xây dựng bởi các
phần mềm CAD, sau đó dữ liệu có thể được chuyển qua một trong số các định dạng
file khác phù hợp với việc thể hiện trong ứng dụng. Sau đó phần mềm VR phải có
khả năng mơ phỏng động học, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tượng.
Không gian trong thế giới ảo (World Space)
Bản thân thế giới ảo cũng cần được định rõ trong một không gian gọi là
“world space”. Do bản chất tự nhiên của thế giới ảo là một mơ phỏng máy tính,
nên thế giới ảo có hạn chế nhất định. Vị trí của mỗi điểm của mỗi đối tượng trong
thế giới đó đều phải được gán cho một giá trị số (toạ độ). Các toạ độ này thường
được mô tả trong hệ toạ độ Đê-các-tơ với các thứ nguyên X, Y và Z (biểu diễn
độ dài, độ cao, độ sâu). Cũng có thể sử dụng các hệ toạ độ khác như hệ toạ độ cầu,
nhưng hệ toạ độ Đê-các-tơ vẫn là chuẩn cho hầu hết các ứng dụng. Sự chuyển đổi
giữa các hệ toạ độ này cũng khá đơn giản.
Cơ sở dữ liệu cho thế giới ảo (World Database)
Lưu trữ thông tin về các đối tượng và thế giới ảo là một phần quan trọng
trong việc thiết kế hệ thống thực tại ảo VR. Những thơng tin chính được lưu trữ
trong World Database (hoặc World Description Files) là các đối tượng ở trong
thế giới đó, các kịch bản (scripts) mơ tả các hành động của các đối tượng hoặc
người sử dụng (những kịch bản, phản ứng xảy ra đối với người sử dụng), ánh sáng,
các điều khiển chương trình, và hỗ trợ thiết bị phần cứng. Có nhiều cách lưu trữ


10
thông tin về thế giới ảo: một file đơn, một tập các file, hoặc là cả một cơ sở dữ liệu.
Phương pháp sử dụng nhiều file là một trong những hướng tiếp cận thường gặp nhất
trong những package phát triển về thực tại ảo. Mỗi một đối tượng có một hoặc
nhiều file (file lưu trữ về hình dạng hình học, file lưu trữ scripts...) và có một số file

tồn cục sử dụng chung cho thế giới ảo đó có tác dụng load các file khác. Một số
hệ thống còn bao gồm cả một file cấu hình định nghĩa về các kết nối giao diện
phần cứng. Đơi khi tồn bộ cơ sở dữ liệu được load trong khi chương trình
khởi động, các hệ thống khác chỉ việc đọc các file mà hệ thống cần tại thời điểm đó.
Với cách tiếp cận về sau (các thông tin được lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu),
một hệ thống cơ sở dữ liệu thực sẽ giúp ích rất nhiều. Một cơ sở dữ liệu
hướng đối tượng (Object Oriented Database) sẽ thích hợp nhất cho một hệ thống
thực tại ảo, nhưng chưa thấy có một dự án nào sử dụng cách tiếp cận này. Các file
dữ liệu đa phần thường được lưu trữ dưới dạng các file văn bản sử dụng mã ASCII
(con người có thể đọc được). Tuy nhiên, trong nhiều hệ thống, các file này được
thay thế bởi các file lưu trữ dưới dạng mã nhị phân (máy tính có thể đọc được).
Một số hệ thống dịch trực tiếp các thông tin về thế giới ảo đó vào ứng dụng.
Phần cứng của hệ thống thực tại ảo
Các hệ thống thực tại ảo xét ở góc độ phần cứng được phân chia thành một số
mức như sau:
Mức độ tiếp nhận (Entry VR - EVR), là một máy tính cá nhân hay một
máy trạm thực hiện như một hệ thống WOW?. Hệ thống này có thể chạy trên nền
IBM, Apple Macintosh...
Hệ thống cơ bản (Basic VR - BVR), được phát triển từ một hệ thống EVR với
sự bổ sung các tương tác cơ bản và nâng cao chất lượng thể hiện. Các thành phần
bổ sung có thể là những thiết bị đặc biệt như kính, joystick...
Hệ thống nâng cao (Advanced VR - AVR), trong hệ thống này, cùng với thiết
bị tăng tốc đồ hoạ, q trình xử lý cịn được nâng lên một bước với các bộ xử lý
song song.
Hệ thống thực tại ảo Immersion (Immersion VR - IVR), trong hệ thống này,
với các thiết bị như HMD, các màn hình cực lớn tạo cảm giác chìm đắm,
người sử dụng có thể cảm nhận các giác quan như xúc giác, thính giác, cơ chế
tương tác có phản hồi với thế giới ảo.

11
Các thiết bị mô phỏng cabin (Cockpit Simulators), đây là các hệ thống
khá thông dụng cho phép mô phỏng cabin lái máy bay, ô tô, tàu biển hay
các phương tiện giao thơng nói chung. Một hệ thống như vậy có thể tạo ra một
mơi trường ảo, trong đó người sử dụng điều khiển thiết bị giả lập và nhận được
cảm giác như khi thao tác ở môi trường thực tế. Ví dụ về một hệ thống loại này sẽ
được phân tích kỹ trong phần sau.
Các hệ thống mơ phỏng qn sự qua mạng máy tính được phát triển
chưa nhiều do độ phức tạp và khả năng công nghệ. Chúng cho phép mơ phỏng
các trận đánh trong đó thể hiện cả ý đồ chiến thuật, nghệ thuật quân sự. SIMNET là
một hệ thống điển hình của ủy ban quản lý các dự án nghiên cứu cao cấp Bộ
quốc phòng Mỹ (DARPA).
1.1.3. Một số ứng dụng chính của thực tại ảo
Thực tại ảo có rất nhiều ứng dụng trong hầu như tất cả các lĩnh vực:
- Giải trí: Với sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ mô phỏng người ta đã
có thể xây dựng các bộ phim hoạt hình 3D, mơ phỏng hình dạng cây cối, đồ vật,
cử động của con người kết nối với các nhân vật ảo trong máy tính, tạo dựng các
kỹ xảo điện ảnh, các cảnh quay sống động, chân thật mà giảm bớt được rất nhiều
thời gian và tiền bạc.

Hình 1.6 Các trang phục ảo, găng tay ảo, kính ảo
- Giáo dục: Mơ phỏng các thí nghiệm, các phản ứng hóa học. Xây dựng các
phần mềm mô phỏng như phần mềm tập lái ôtô 3D, tạo cho người học có được
những cảm giác như khi lái xe thật, xử lý các tình huống thơng thường, qua đó sẽ
học hỏi được các kinh nghiệm, tránh được các rủi do không mong muốn khi đi xe
thật.


12

Hình 1.7. Hệ thống tập lái xe ảo 3D
- Y học : Việc tìm kiếm các mẫu, mơ hình làm thí nghiệm (nhất là đối với
cơ thể người) là vấn đề khó khăn, do kinh phí đắt, hoặc do khơng có các bộ phận,
hoặc về vấn đề văn hóa dân tộc… nên việc lập các chương trình, phần mềm để
mơ phỏng các bộ phận cơ thể người, các quá trình giải phẫu, các bệnh là một
nhu cầu rất cần thiết, nó khơng chỉ cung cấp thư viện thơng tin dữ liệu cần thiết mà
thơng qua đó cũng giúp cho khơng chỉ sinh viên, bác sĩ, mà ngay cả những người
bệnh nếu muốn cũng có thể tìm hiểu, vì vấn đề được trực quan hóa nên dễ hiểu và
dễ được nắm bắt.
- Xây dựng: Người ta cũng có thể thiết kế các tòa nhà, các cao ốc, các
khu thể thao hay các khu du lịch sinh thái, hay trang bị cho bạn một hệ thống
tiện nghi, mời bạn đi thăm thú các nơi trong tịa nhà tương lai của mình, hay
tính tốn chi tiết một cơng trình xây dựng, hoặc mơ phỏng các sự cố, hiện tượng
có thể xảy ra đối với nhà của bạn trên máy tính. Đưa cho bạn những lựa chọn, hay
những lời khun về cơng trình của bạn.
- Quốc phịng: Để binh lính khơng bị xa lạ, bỡ ngỡ với chiến trận thì cần phải
thường xun có những lần tập trận, mà chi phí cho việc đó là rất cao. Nếu sử dụng
các mơ hình thay thế, kèm theo âm thanh và tiếng động cũng có thể tạo ra được một
trận tập kích mà hiệu quả đạt được là như thật và chi phí thì rất ít. Bên cạnh đó,
để cho binh lính có thể tiếp xúc và hiểu biết về các máy móc và thiết bị đắt tiền
thì nên xây dựng các mơ hình về thiết bị đó, máy móc đó như vậy sẽ đảm bảo được
tính phổ dụng rộng rãi.


13
- Trong tái tạo lịch sử: Chúng ta có thể mô phỏng, tái tạo lại các
cuộc chiến tranh, các triều đại lịch sử thông qua hệ thống VR một cách sinh động,
cũng có thể tái tạo các di tích lịch sử một cách chân thực.
Nhìn chung, với các ứng dụng đa dạng về nhu cầu thực tế công nghệ
mô phỏng đang ngày càng phát triển mạnh mẽ hơn thu hút sự quan tâm của

mọi người nhất là những ai quan tâm đến sự phát triển của cơng nghệ nói chung và
cơng nghệ tin học nói riêng. Hiện nay lĩnh vực này đã bắt đầu phát triển ở nước ta;
nên việc nghiên cứu và phát triển về vấn đề này sẽ đem lại nhiều kết quả hứa hẹn
trong tương lai.
1.2. Điện tích và mơ phỏng điện tích
1.2.1. Điện tích, các loại điện tích
Cơ sở lý thuyết của phương pháp mơ phỏng dịng điện chính là tính chất vật lý
của nó và dựa vào tính chất vật lý đó để tạo điều kiện cơ sở nhận thức các
phương pháp mơ phỏng dịng điện.
Dịng điện là dịng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện tích.
Điều kiện để có một dịng điện chạy trong một mơi trường thì trong mơi trường
đó phải chứa nhiều hạt mạng điện tích tự do và có một hiệu điện thế đặt vào
mơi trường đó.
Tất cả các nguyên tố đều được cấu tạo từ các nguyên tử và mỗi nguyên tử của
một chất được cấu tạo bởi hai phần:
- Một hạt nhân mang điện tích dương nằm ở trung tâm. Hạt nhân có cấu tạo
gồm hai loại hạt là Proton mang điện dương và Nơtron không mang điện.
- Các electron mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân.
Electron có điện tích là -1,6x10-19C và khối lượng là 9,1x10-31kg. Proton
có điện tích là 1,6x10-19C và khối lượng là 1,67x10-27kg. Khối lượng của nơtron
xấp xỉ bằng khối lượng proton.
Bình thường các nguyên tử ở trạng thái trung hoà về điện do số proton
trong hạt nhân bằng số electron quay xung quanh. Nhưng khi có tác nhân bên ngoài
như áp suất, nhiệt độ, ma sát tĩnh điện, tác động của từ trường... thì các electron
ở lớp ngồi cùng có thể tách khỏi quỹ đạo để trở thành các điện tử tự do. Chính vì


14
sự cư trú và di chuyển của các electron đã tạo nên các hiện tượng điện và tính chất
điện mn màu muôn vẻ của thế giới tự nhiên.

Khi một nguyên tử trung hòa về điện bị mất đi một hay nhiều điện tử, chúng bị
thiếu điện tử và trở thành một hạt mang điện dương gọi là ion dương. Ngược lại khi
một nguyên tử trung hòa về điện nhận thêm một hay nhiều điện tử, chúng bị thừa
điện tử và trở thành một hạt mang điện âm và được gọi là ion âm. Các hạt
mang điện cùng dấu (cùng dương hoặc cùng âm) sẽ đẩy nhau. Ngược lại, các hạt
mang điện khác dấu sẽ hút nhau.
Trong các phân tử axit, bazơ và muối vốn đã tồn tại sẵn các ion dương và âm,
chúng liên kết chặt với nhau bằng lực hút Cu-lông. Khi tan vào nước hoặc một
dung môi khác (được gọi là chất điện phân), lực hút Cu-lông yếu đi, liên kết trở nên
lỏng lẻo, các ion sẽ chuyển động tự do trong dung dịch (Hình 1.8).
Khi cho dịng điện một chiều chạy qua dung dịch chất điện phân, các ion trong
dung dịch sẽ chuyển động có hướng về các điện cực (Hình 1.9). Ion dương
chuyển động về cực âm và ion âm chuyển động về cực dương, chính sự dịch chuyển
này đã tạo thành dòng điện trong chất điện phân. Tuy nhiên trên đường đi, các ion
này sẽ gặp phải vô vàn cản trở như: hoặc là va chạm với những ion cùng dấu,
chúng sẽ đẩy nhau làm lệch hướng chuyển động, làm cho những ion này đang
chuyển động thẳng sẽ trở thành chuyển động cong theo đường parabol hoặc
chuyển động phức tạp hơn theo đường hình sin khi bị va chạm nhiều lần vào
khối ion cùng dấu, hoặc chúng sẽ kết hợp với những ion khác dấu để tạo thành
phân tử, sau đó phân tử này lại tan ra trong dung dịch và tiếp tục hành trình
của mình tới các điện cực trái dấu…

Ion dương
Ion âm

Hình 1.8. Sự chuyển động của các ion khi chưa có điện trường


15
A

+
+

E

K
-

Hình 1.9. Sự chuyển động của các ion khi có điện trường
Trong dung dịch, các hợp chất hóa học như: axit, bazơ, muối bị phân li
(một phần hoặc toàn bộ) thành các ngun tử (hoặc nhóm ngun tử) tích điện
gọi là ion, ion có thể chuyển động tự do trong dung dịch và trở thành hạt tải điện.
Ví dụ:
HCl

H+ + Cl-

NaOH

Na+ + OH-

CuSO4

Cu2+ + SO42-

Khi chưa có điện trường ngồi, các ion trong dung dịch chuyển động tự do
nên chưa tạo thành dịng điện. Khi có điện trường ngồi, các ion trong dung dịch
chuyển động có hướng: Các ion âm chuyển động về cực dương (anôt), các
ion dương chuyển động về cực âm (catôt). Khi các ion tới điện cực sẽ tạo ra một
điện trường mới và ở đó chỉ có các electron có thể đi tiếp để tạo thành dịng điện,

cịn lượng vật chất thì đọng lại và gây ra hiện tượng điện phân. Tùy theo bản chất
hóa học của chất làm điện cực mà quá trình trao đổi điện tích giữa ion và điện cực
sẽ kèm theo những phản ứng hóa học phụ làm cho hiện tượng điện phân trở nên
phức tạp thêm, chẳng hạn như hiện tượng dương cực tan xảy ra khi điện phân muối
của kim loại dùng làm điện cực.
Điện tích của một vật vĩ mô là tổng đại số của tất cả các điện tích tương ứng
của các hạt (phần tử) cấu thành nên vật đó. Thơng thường, các vật quanh ta
đều trung hịa về điện, đó là do mỗi nguyên tử ở trạng thái tự nhiên đều có tổng số
proton bằng tổng số electron, nên các điện tích của chúng bù trừ lẫn nhau.
Tuy nhiên, ngay cả khi điện tích tổng cộng của một vật bằng khơng, vật ấy vẫn
có thể tham gia tương tác điện từ, đó là nhờ hiện tượng phân cực điện. Các điện tích
chịu sự ảnh hưởng của hiện tượng phân cực gọi là điện tích liên kết, các điện tích


16
có thể di chuyển linh động trong vật dẫn dưới tác dụng của từ trường ngồi gọi là
điện tích tự do. Chuyển động của các hạt mang điện theo một hướng xác định
sẽ tạo thành dịng điện.
1.2.2. Mơ phỏng điện tích và ứng dụng
Nhờ mơ phỏng, các nhà nghiên cứu có thể dự đốn các hiệu ứng có thể xảy ra
trong hiện tượng nạp điện tích, hiện tượng và xu thế dịch chuyển các hạt điện tích
ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp, y tế và công nghiệp ứng dụng.
Hiện tượng tụ nạp quang điện được nghiên cứu từ những năm 1800 và
phát triển ứng dụng vào những năm đầu của thế kỷ 19. Hiện nay việc ứng dụng
hiện tượng này đã và đang phát triển mạnh và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực
khác nhau của ngành công nghiệp như y học, công nghiệp thiết bị bán dẫn, điện tử,
sóng cao tần...

Hình 1.10. Hệ thống nạp quang điện

Hình 1.11. Mơ phỏng ống phóng Electron
Trong ứng dụng tạo ra ống phóng điện tích thường là ống phóng electron được
sử dụng nhiều song hiện tại nhiều nhà khoa học đang nghiên cứu ứng dụng tính tốn
mơ phỏng ống phóng hạt quang điện (nặng hơn và lớn hơn hạt electron).


17
Các nhà nghiên cứu đã và đang sử dụng phần mềm mô phỏng số để nghiên cứu và
phát triển thông qua việc phân tích vết hạt và các hiệu ứng khác. Phương pháp
mô phỏng số vẫn là phần tử hữu hạn với các lớp bài tốn: nhiệt, cơ, điện, từ,
dịng chảy...

Hình 1.12. Mơ phỏng hiện tượng quang điện
Tại tập đồn công nghệ GEMIO hiện tại đang nghiên cứu giải quyết
bài toán vết và các hiện tượng vật lý liên quan cho các thiết bị quang điện.
Họ sử dụng phần mềm ANSYS Emag để mô phỏng số, họ đã mô phỏng thành cơng
hiện tượng quang điện, trường điện tích, vết các hạt và các hiệu ứng khác. Họ đã
so sánh với thực nghiệm cho kết quả rất khả quan.