Mô phỏng hiệu ứng lửa và ứng dụng trong giáo dục

i

Số hóa bởi trung tâm học liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG




QUẢN THỊ VUI




MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG LỬA
VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIÁO DỤC

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH




Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn

THÁI NGUYÊN - 2013
i

Số hóa bởi trung tâm học liệu

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự sưu tầm, tra
cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài.
Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ hình
thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào.
Tất cả phần mã nguồn của chương trình đều do tôi tự thiết kế và xây dựng,
trong đó có sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán được các tác giả xuất
bản công khai và miễn phí trên mạng Internet.
Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 9 năm 2013
Tác giả luận văn


Quản Thị Vui
ii

Số hóa bởi trung tâm học liệu

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học khóa 10 chuyên ngành
Khoa học máy tính Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học
Thái Nguyên, tôi đã nhận được rất nhiều sự chỉ bảo, dìu dắt, giảng dạy nhiệt tình

của các thầy, cô giáo Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại
học Thái Nguyên và Viện công nghệ thông tin Việt Nam. Các thầy cô giáo đã luôn
giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình công tác cũng như học tập.
Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy, cô giáo trong
Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên, các
thầy cô giáo trong Viện công nghệ thông tin Việt Nam.
Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn đã
cho tôi nhiều ý kiến đóng góp quý báu, đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho
tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp và người thân đã động viên, giúp đỡ tôi
trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi các thiếu sót, rất mong tiếp tục
nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, các cô giáo, các bạn đồng nghiệp đối
với đề tài nghiên cứu của tôi để đề tài được hoàn thiện hơn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 9 năm 2013
Tác giả luận văn


Quản Thị Vui
iii

Số hóa bởi trung tâm học liệu

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC BẢNG v
DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1. KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG LỬA 3
1.1. Khái quát thực tại ảo và ứng dụng 3
1.1.1. Khái niệm Thực tại ảo 3
1.1.2. Lịch sử phát triển 4
1.1.3. Các đặc tính chính của Thực tại ảo 7
1.1.4. Các thành phần của một hệ thống Thực tại ảo 8
1.1.5. Các thiết bị cơ bản của hệ thống Thực tại ảo 9
1.1.6. Ứng dụng của Thực tại ảo 12
1.2. Mô phỏng lửa và ý nghĩa 13
1.2.1. Mô phỏng lửa 13
1.2.4. Ý nghĩa của mô phỏng lửa 14
1.3. Mô phỏng lửa trong giáo dục 15
1.3.1. Sách giáo khoa phổ thông 16
1.3.2. Giáo trình trong các trường chuyên nghiệp, dạy nghề 18
Chƣơng 2. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LỬA 19
2.1. Mô phỏng lửa bằng phương pháp Physically-based 19
2.1.1. Kỹ thuật mô phỏng Physically-based 19
2.1.2. Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng phương pháp Physically-based 21
2.1.3. Cơ sở vật lý 23
2.1.4. Phương pháp mô phỏng 24
iv

Số hóa bởi trung tâm học liệu

2.1.5. Thực hiện 30
2.2. Phương pháp Particle-based 41
2.2.1. Kỹ thuật mô phỏng Particle-based 41
2.2.2. Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng phương pháp Particle-based 43
2.2.3. Bối cảnh 46

2.2.4. Phương pháp mô phỏng 48
2.2.5. Phương pháp dựng hình 56
Chƣơng 3. CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 61
3.1. Bài toán 61
3.2. Phân tích thiết kế và lựa chọn công cụ 62
3.2.1. Xây dựng mô hình mô phỏng 62
3.2.2. Điều khiển mô hình bằng ngôn ngữ lập trình 63
3.3. Một số kết quả chương trình 63
KẾT LUẬN 66
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO 69
v

Số hóa bởi trung tâm học liệu

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Một số thí nghiệm về lửa môn khoa học lớp 4 16
Bảng 1.2: Một số thí nghiệm về lửa môn vật lý lớp 6 17
Bảng 1.3: Một số thí nghiệm về lửa trong giáo trình lý thuyết cháy 18
Bảng 2.1: Thống kê mô phỏng 60
Bảng 2.2: Các thông số mô phỏng 60


vi

Số hóa bởi trung tâm học liệu

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D 3
Hình 1.2. Từ ảo đến thực 4

Hình 1.3. Morton L. Heilig và Thiết bị mô phỏng Sensorrama-1960 5
Hình 1.4. Ivan Sutherland và Thiết bị mô phỏng HMD-1970 5
Hình 1.5. Myron Kreuger và Thiết bị VIDEOPLACE-1970 6
Hình 1.6. Scott Fisher, McGreevy và Thiết bị HMD-1984 của NASA 6
Hình 1.7. Đặc tính cơ bản của một hệ thống thực tại ảo 8
Hình 1.8. Các thành phần một hệ thống VR 8
Hình 1.9. DataGloves 9
Hình 1.10. 3D Mouse và SpaceBall 10
Hình 1.11. Mouse 10
Hình 1.12. Shutter glasses 10
Hình 1.13. Head-Mounted Displays 10
Hình 1.14. Cave 11
Hình 1.15. CyberTouch 12
Hình 1.16. CyberGrasp 12
Hình 1.17. Ngọn lửa 14
Hình 1.18. Mô phỏng các loại đèn dùng đun nóng ở phòng thí nghiệm 15
Hình 2.1: Mô hình ngọn lửa khí hỗn loạn của súng phun lửa 22
Hình 2.2: Nhiệt độ ngọn lửa cho một chất rắn (hoặc khí) nhiên liệu 25
Hình 2.3: Hút thuốc cùng với ngọn lửa khí 25
Hình 2.4: Khu vực phản ứng lõi màu xanh ngọn lửa tốc độ S 26
Hình 2.5: Khu vực màu xanh ngọn lửa trộn so với ngọn lửa khuếch tán 27
Hình 2.6: Đường dẫn cong do sự mở rộng của các khí như phản ứng 27
Hình 2.7: So sánh hình dạng ngọn lửa của việc mở rộng khí 28
Hình 2.8: Hai bản ghi sử dụng để phát ra nhiên liệu. 30
vii

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Hình 2.9: Một quả bóng kim loại đi qua và tương tác với ngọn lửa khí 38
Hình 2.10: Một quả bóng dễ cháy đi qua ngọn lửa khí và bắt lửa 39

Hình 2.11: Vụ nổ bên cạnh bức tường 44
Hình 2.12: Sơ đồ vòng đời của hạt 51
Hình 2.13: Minh họa kết quả bơm chất lỏng 52
Hình 2.14: Một loạt các ảnh một vụ nổ duy nhất trên mặt phẳng vô hạn 55
Hình 2.15: So sánh side-by-side của kết quả mô phỏng 56
Hình 2.16: Một góc nhìn từ trên xuống của nổ mìn trong hình 2.15 56
Hình 2.17: Hai ví dụ súng phun lửa 57
Hình 2.18: Nhiều vụ nổ trên một mặt phẳng vô hạn. 58
Hình 2.19: Vụ nổ dưới một vòm cố định 58
Hình 2.20: Vụ nổ giữa một nhóm các trụ cột cố định 59
Hình 2.21. Mặt cắt vụ nổ trong hình 2.17 59
Hình 3.1: Mô hình toàn cảnh bên ngoài phòng thí nghiệm 64
Hình 3.2: Mô hình toàn cảnh bên trong phòng thí nghiệm 64
Hình 3.3: Trạng thái quan sát chính diện với mô hình 65
Hình 3.4: Trạng thái quan sát vuông góc với mô hình 65

1

Số hóa bởi trung tâm học liệu

MỞ ĐẦU
Cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật trong những năm gần đây đã ít nhiều
làm thay đổi cuộc sống con người. Có thể nói công nghệ thông tin đã tác động
mạnh mẽ đến muôn mặt của đời sống xã hội và hệ thống giáo dục cũng không
nằm ngoài tác động đó. Sự phát triển của công nghệ thông tin và kinh tế xã
hội đặt ra những yêu cầu mới về mục tiêu, nội dung, phương pháp dạy học.
Ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học góp phần nâng cao chất lượng
dạy - học là công cụ, là phương tiện để làm cuộc “cách mạng” trong đổi mới
phương pháp dạy học. Nhờ sự hỗ trợ của công nghệ thông tin giáo viên và
học sinh có thể nâng cao chất lượng dạy học, tăng cường tính tích cực nhận

thức cho học sinh. Công nghệ thông tin đã làm tích cực hóa quá trình dạy học,
mang đến một luồng sinh khí mới cho hệ thống giáo dục hiện nay.
Điển hình của ứng dụng công nghệ thông tin trong giáo dục là sử dụng
công nghệ mô phỏng để tái tạo các sự vật, hiện tượng, trong thế giới thực.
Thông qua những thí nghiệm, những ví dụ mô tả sát thực, giải thích, minh họa
những quá trình, hệ thống, hiệu ứng phức tạp trên máy tính giúp cho người
học hứng thú hơn, kiến thức được thể hiện rõ ràng hơn, trực quan hơn, sinh
động hơn, đầy đủ hơn.
Có rất nhiều môi trường trong thế giới thực cần được mô phỏng, trong
đó lửa là một chất liệu phổ biến và quan trọng. Lửa đã được người tiền sử
phát hiện ra từ cách đây hàng nghìn năm. Lửa được xem là một trong những
phát minh quan trọng nhất của nhân loại. Lửa trở thành nguồn sống của con
người, giúp con người thoát khỏi đời sống nguyên sơ. Nhờ đó, lửa vừa là sản
vật thiêng liêng, vừa là khởi điểm cho những sinh hoạt văn hóa cộng đồng của
người sơ khai… Ngoài duy trì sự sống lửa còn có nhiều ứng dụng trong các
lĩnh vực sản xuất, vui chơi giải trí…
Có rất nhiều nguồn lửa khác nhau, để đảm bảo cho việc tính toán thiết
kế các ứng dụng của lửa được chính xác và sử dụng có hiệu quả vào cuộc
2

Số hóa bởi trung tâm học liệu

sống việc mô phỏng những ứng dụng của lửa trước khi đưa ra ứng dụng là vô
cùng quan trọng. Việc kiểm duyệt các thiết kế, các dự án liên quan khi đưa
vào thực hiện nhằm giảm thiểu các rủi ro do lửa gây ra.
Ứng dụng mô phỏng lửa trong giáo dục, đặc biệt là trong các trường
phổ thông, trường công nghiệp, trường nghề đào tạo về chế tạo máy, cơ khí
động lực, công nghệ nhiệt lạnh… các mô phỏng về lửa với các đối tượng khác
hay các đối tượng lửa với nhau sẽ giúp cho học sinh có một cái nhìn trực quan
hơn, tiếp thu bài dễ hơn. Vì vậy, tôi đã chọn đề tài: "Mô phỏng hiệu ứng lửa

và ứng dụng trong giáo dục" để làm luận văn tốt nghiệp.
Cấu trúc của luận văn gồm: Phần mở đầu, phần kết luận và 3 chương
nội dung, cụ thể:
Chƣơng 1: Khái quát thực tại ảo và mô phỏng lửa
Trong chương này em giới thiệu chung về thực tại ảo, các ứng dụng cơ
bản của thực tại ảo và giới thiệu về bài toán mô phỏng lửa trong thực tại ảo.
Chƣơng 2: Một số phƣơng pháp mô phỏng lửa
Trong chương này em trình bày các kỹ thuật mô phỏng lửa, gồm 2
phương pháp cơ bản là phương pháp physically-based và phương pháp
particle-based.
Chƣơng 3: Chƣơng trình thử nghiệm
Chương này thể hiện chương trình mô phỏng bài toán mô phỏng lửa
trong thực tại ảo.
3

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Chƣơng 1
KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG LỬA
1.1. Khái quát thực tại ảo và ứng dụng
1.1.1. Khái niệm Thực tại ảo
Thực tại ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt là VR) là thuật ngữ
miêu tả một môi trường mô phỏng bằng máy tính. Đa phần các môi trường
thực tại ảo chủ yếu là hình ảnh hiển thị trên màn hình máy tính hay thông qua
kính nhìn ba chiều, tuy nhiên một vài mô phỏng cũng có thêm các loại giác
quan khác khác như âm thanh hay xúc giác.
Thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện phát triển mạnh trong vòng
vài năm trở lại đây, đang trở thành một ngành công nghệ mũi nhọn nhờ khả
năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực y tế, giáo dục, kiến trúc, quân sự,
du lịch, giải trí,… Nhiều bài báo, chương trình giới thiệu TV, hội thảo, đã

miêu tả VR theo nhiều cách khác nhau.
Hiện nay, có nhiều định nghĩa về Thực tại ảo, một trong các định
nghĩa được chấp nhận rộng rãi là của C.Burdea và P.Coiffet thì có thể hiểu
Thực tại ảo tương đối chính xác như sau: VR-Thực tại ảo là một hệ thống
giao diện cấp cao giữa Người sử dụng và Máy tính. Hệ thống này mô
phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực có tương tác với người
sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác (ngũ giác) gồm: thị giác, thính
giác, xúc giác, khứu giác và vị giác [6].


Hình 1.1. Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D
4

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Một cách lý tưởng, người sử dụng có thể tự do chuyển động trong
không gian ba chiều, tương tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế
giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian. Ngược lại, môi trường
ảo lại có những phản ứng tương ứng với mỗi hành động của người sử dụng,
tác động vào các giác quan thị giác, thính giác, xúc giác của người sử dụng
trong thời gian thực làm người sử dụng có cảm giác như đang tồn tại trong
một thế giới thực [6].

Hình 1.2. Từ ảo đến thực
1.1.2. Lịch sử phát triển
Mặc dù thực tại ảo được mô tả như một công nghệ mới mang tính cách
mạng, nhưng ý tưởng về việc nhúng người sử dụng vào một môi trường nhân
tạo đã ra đời từ rất sớm.
Thuật ngữ “Thực tại ảo” mới được quan tâm trong một vài năm gần
đây xong nó lại có lịch sử từ khá lâu. Cách đây khoảng gần 40 năm một nhà

làm phim có tên là Morton Heilig (1926-1997) người Mỹ đã đưa ra ý tưởng
hệ thống mô phỏng bay (Flight Simulation) là tại sao không đưa con người
bước sang một thế giới khác. Sử dụng hệ thống này người quan sát có cảm
giác ảnh đang sống động ngay trước mắt mình. Do không có sự hỗ trợ về tài
chính Heilig không thể hoàn thành ước mơ của mình, xong ông cũng đã tạo ra
được một thiết bị mô phỏng gọi là "Sensorrama Simulator", thiết bị này được
công bố vào khoảng đầu những năm 1960.
5

Số hóa bởi trung tâm học liệu


Hình 1.3. Morton L. Heilig và Thiết bị mô phỏng Sensorrama-1960
Thiết bị mô phỏng Sensorrama sử dụng hình ảnh 3D, thu được từ
camera 35mm kết hợp thành một camera chính. Bao gồm một hệ thống âm
thanh kết hợp với những cảnh quay 3 chiều thực sự. Người nhìn có thể cưỡi
một cái xe máy, có thể cảm thấy gió khi chuyển động, thậm chí họ có thể cảm
thấy những đoạn đường có ổ gà. Mặc dù đây còn là một cái máy đơn giản, thô
sơ xong nó đã mở ra nhiều ý tưởng nghiên cứu mới chưa từng có trên thế giới.
Năm 1966 Ivan Sutherland (1938) một sinh viên tốt nghiệp Trường
Utah tiếp tục nghiên cứu vấn đề Heilig đã bỏ dở. Sutherland cho rằng cảnh
quay tương tự không đáp ứng được yêu cầu thực tế. Anh bắt đầu ý tưởng của
một bộ tăng tốc đồ hoạ và đã chế tạo được hệ thống thiết bị Hiển thị đội đầu
(Head Mounted Display-HMD) có thể kết nối tới máy tính.
Năm 1970, Sutherland tiếp tục phát triển phần cứng của HMD tại
trường đại học Utah, làm cho nó hoàn thiện hơn có màn hình là màn hình
màu. Sử dụng hiển thị này, một người có thể thấy một thế giới ảo hiện ra
như thế giới vật lý thật. Bao gồm: Một thế giới ảo mà ta có thể quan sát
thông qua một HMD; một máy tính để duy trì các mô hình trong thời gian
thực; Các khả năng cho người sử dụng để thao tác những đối tượng thực tế

một cách trực quan nhất.

Hình 1.4. Ivan Sutherland và Thiết bị mô phỏng HMD-1970
6

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Cũng trong khoảng thời gian này Myron Kreuger (1942) đã phát triển một
thiết bị có tên VIDEOPLACE. Thiết bị này sử dụng một màn hình lớn đối diện
với người dùng. Trên màn hình hiển thị cái bóng người dùng. Hệ thống cũng có
khả năng hiển thị nhiều người sử dụng trên cùng một màn hình.


Hình 1.5. Myron Kreuger và Thiết bị VIDEOPLACE-1970
Những ý tưởng này được hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Scott Fisher
(1963) và McGreevy (1957) 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 thương mại đầu tiên, thiết kế dựa trên mẫu hình mặt
nạ lặn với các màn hình quang học mà ảnh được 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 được một thiết bị HMD có giá chấp nhận được
trên thị trường và như vậy ngành công nghiệp Thực tại ảo đã ra đời.

Hình 1.6. Scott Fisher, McGreevy và Thiết bị HMD-1984 của NASA
Công nghệ Thực tại ảo từ những năm 90 trở lại đây được phát triển
mạnh mẽ và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng
rộng rãi trong mọi lĩnh vực như: nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào
tạo cũng như thương mại, giải trí, tiềm năng kinh tế, cũng như tính lưỡng
dụng trong dân dụng và quân sự của nó [6].
7

Số hóa bởi trung tâm học liệu

1.1.3. Các đặc tính chính của Thực tại ảo
VR là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính được sử dụng
để tạo ra một thế giới "như thật". Hay nói một cách cụ thể VR là công nghệ sử
dụng các kỹ thuật mô hình hoá không gian ba chiều, với sự hỗ trợ của thiết bị
hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng để đưa người ta vào một thế giới
nhân tạo với không gian như thật.
Trong thế giới ảo này, người sử dụng không còn được xem như người
quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống. Thế giới
“nhân tạo” này không tĩnh tại mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn của
người sử dụng nhờ những cử chỉ, hành động, Tức là người sử dụng nhìn
thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi
sự mô phỏng này. Điều này có thể nhận thấy ngay khi quan sát trẻ nhỏ chơi
video game. Tương tác và khả năng thu hút của VR góp phần lớn vào cảm
giác đắm chìm, cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà
người sử dụng đang trải nghiệm. Nhưng VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn
nữa nhờ tác động lên tất cả các kênh cảm giác của con người. Trong thực tế,
người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi, điều khiển
(xoay, di chuyển, ) được đối tượng trên màn hình (như trong game), mà còn
sờ và cảm thấy chúng như có thật. Ngoài khả năng nhìn (thị giác), nghe (thính
giác), sờ (xúc giác), các nhà nghiên cứu cũng đã nghiên cứu để tạo các cảm
giác khác như ngửi (khứu giác), nếm (vị giác).
Hai đặc tính chính của VR là Tương tác và Đắm chìm, đây là hai "I"
(Interactive, Immersion) mà nhiều người đã biết. Tuy nhiên VR cần có 1 đặc
tính thứ 3 mà ít người để ý tới. VR không chỉ là một hệ thống tương tác
Người - Máy tính, mà các ứng dụng của nó còn 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 VR thiết kế, điều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng Tưởng

tượng của con người, đó chính là đặc tính "I" (Imagination) thứ 3 của VR. Do
đó có thể coi VR là tổng hợp của 3 yếu tố: Tương tác - Đắm chìm - Tưởng
tượng, (3 I : Interactive - Immersion - Imagination).
8

Số hóa bởi trung tâm học liệu


Hình 1.7. Đặc tính cơ bản của một hệ thống thực tại ảo
1.1.4. Các thành phần của một hệ thống Thực tại ảo
Một hệ thống Thực tại ảo tổng quát bao gồm: Phần mềm (Software),
phần cứng (HardWare), mạng liên kết, người dùng và các ứng dụng [6].
Trong luận văn này tôi chỉ tập chung vào phần cứng và phần mềm







Hình 1.8. Các thành phần một hệ thống VR
Phần cứng (Hardware)
Phần cứng của một VR tổng quát bao gồm:
Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh).
Các thiết bị đầu vào (Input devices): là các thiết bị có khả năng kích
thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong thế giới ảo
gồm có: Bộ dò vị trí (position tracking) để xác định vị trí quan sát. Bộ
giao diện định vị (Navigation interfaces) để di chuyển vị trí người sử
dụng. Bộ giao diện cử chỉ (Gesture interfaces) như găng tay dữ liệu (data
glove). Thiết bị tương tác với máy tính thông qua thiết bị như chuột

(SpaceBall), bàn phím,
9

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm thiết bị hiển thị đồ họa (Kính
mắt Shutter Glasses, màn hình rộng, thiết bị 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,
Phần mềm (Software)
Phần mềm luôn là linh hồn của Thực tại ảo cũng như đối với bất cứ
một hệ thống máy tính hiện đại nào. Về mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ
ngôn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào cũng phải bảo đảm hai công
dụng chính là: Mô hình hóa (modelling) và mô phỏng (simulation) các đối
tượng trong VR.
Các đối tượng của VR được mô hình hóa (modelling) tức là tạo dựng
mô hình nhờ chính phần mềm này hay mô hình hoá từ mô hình 2D thành mô
hình 3D nhờ công cụ đặc biệt từ các phần mềm như: Maya, 3D Max,…
1.1.5. Các thiết bị cơ bản của hệ thống Thực tại ảo
1.1.5.1. Thiết bị định hướng và chuyển động
DataGloves
Thiết bị đo lường bàn tay phải cảm nhận được cả độ cong của các ngón
tay và vị trí, sự định hướng của cổ tay trong thời gian thực. Thiết bị thương
mại đầu tiên là DataGloves từ viện nghiên cứu VPL. DataGloves bao gồm 1
găng tay nylon nhẹ có các cảm biến quang học được gắn ở các ngón tay.

Hình 1.9. DataGloves
10

Số hóa bởi trung tâm học liệu

3D Mouse and SpaceBall

Hình 1.10. 3D Mouse và SpaceBall
Chuột Logitech 3D dựa trên một mảng các vị trí siêu âm tham chiếu, là
một cái kiềng gồm 3 loa siêu âm đặt ở 3 góc tam giác phát ra tín hiệu siêu
thanh. Nó được sử dụng để theo dõi thiết bị thu, định hướng và chuyển động.
Nó quy định thành phần tỷ lệ gửi ra trong tất cả 6 mức tự do: X, Y, Z, Pitch,
Yaw và Roll.

Hình 1.11. Mouse
Shutter glasses

Hình 1.12. Shutter glasses
Head-Mounted Displays

Hình 1.13. Head-Mounted Displays
11

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Cave
CAVE là 1 nhà hát có kích thước 10 X 10 X 9 được đặt bên trong 1
phòng lớn hơn có kích thước 35 X 25 X 13. Phòng bên ngoài phải được chiếu
sáng trong suốt quá trình sử dụng CAVE. Các bức tường của CAVE được tạo
bởi các màn chiếu và sàn nhà cũng là một màn chiếu thẳng đứng. Máy chiếu
độ phân giải cao hiển thị hình ảnh lên toàn bộ nhứng màn ảnh khác bằng các
tấm gương phản chiếu. Người dùng sẽ đi vào bên trong CAVE và đeo 1 chiếc

kính đặc biệt để có thể nhìn thấy những hình ảnh 3 chiều mà CAVE hiển thị.
Với những chiếc kính này người dùng có thể thấy các đối tượng thực sự nổi
trong không khí và có thể đi lại xung quanh chúng. Điều này la hoàn toàn khả
dĩ với các cảm biến điện tử. Khi một người đi lại trong CAVE, chuyển động
của họ được theo dõi bởi các cảm biến này và video sẽ điều chỉnh cho phù
hợp. Máy tính sẽ kiểm soát việc này của CAVE cũng như khía cạnh âm thanh.
Không chỉ có hình ảnh 3 chiều mà có cả âm thanh 3 chiều nhờ có rất nhiều
loa được đặt trong CAVE dưới nhiều góc độ.

Hình 1.14. Cave
1.1.5.2. Thiết bị tương tác và phản hồi
Các thiết bị này cảm nhận một số nhân tố sau của thiết bị khác gây ra:
nhiệt độ, vận tốc di chuyển, sự chuyển động, áp lực và các ngoại lực khác.
12

Số hóa bởi trung tâm học liệu

CyberTouch

Hình 1.15. CyberTouch
CyberGrasp

Hình 1.16. CyberGrasp
1.1.6. Ứng dụng của Thực tại ảo
Thực tại ảo được ứng dụng trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến
trúc, quân sự, giải trí,…và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu - Giáo dục -
thương mại. Y học là lĩnh vưc ứng dụng truyền thống của Thực tại ảo. Bên
cạnh đó Thực tại ảo cũng được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí.
Trong lĩnh vực quân sự Thực tại ảo cũng được ứng dụng rất nhiều ở các nước
phát triển. Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng

dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của Thực tại ảo như: Thực tại ảo
ứng dụng trong sản xuất, Thực tại ảo ứng dụng trong ngành rôbốt, Thực tại ảo
ứng dụng trong hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, )
Thực tại ảo có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn. Nói tóm lại: Mọi lĩnh vực
"có thật " trong cuộc sống đều có thể ứng dụng "Thực tại ảo" để nghiên cứu
và phát triển hoàn thiện hơn [5].
13

Số hóa bởi trung tâm học liệu

1.2. Mô phỏng lửa và ý nghĩa
1.2.1. Mô phỏng lửa
1.2.3.1. Tìm hiểu về lửa
Lửa là nhiệt và ánh sáng phát sinh đồng thời từ vật đang cháy (Theo từ
điển Tiếng Việt). Lửa (hay sự cháy) là quá trình biến đổi hóa học (thường là
phản ứng ôxy hóa) nhanh của vật liệu, tỏa ra nhiệt, các sản phẩm phản ứng và
phát ra ánh sáng. Các quá trình ôxy hóa chậm khác như gỉ hay thủy phân
không bao gồm trong định nghĩa này.
Ngọn lửa là một phần biểu hiện thấy được (phát ra ánh sáng) của sự
cháy, tạo ra từ các phản ứng hóa học có sự tỏa nhiệt cao (cháy, phản ứng oxy
hóa tự duy trì) diễn ra trong môi trường hẹp. Ngọn lửa là một trạng thái tồn tại
của vật chất và được xếp như một loại khí plasma - bị ion hóa một phần.
Để sự cháy xảy ra, phải cần và đủ 3 yếu tố, đó là: chất cháy, ôxy và
nguồn nhiệt. Thiếu một trong các yếu tố trên hoặc các yếu tố trên không đủ
thì sự cháy sẽ không xảy ra. Mỗi chất khác nhau có nhiệt độ bốc cháy khác
nhau. Màu sắc của ngọn lửa theo nhiệt độ cũng khác nhau, chẳng hạn như:
Màu đỏ
Vẫn có thể nhìn thấy: 525 °C (980 °F)
Tối: 700 °C (1,300 °F)
Đỏ tối: 800 °C (1,500 °F)

Đỏ vừa: 900 °C (1,700 °F)
Đỏ sáng: 1,000 °C (1,800 °F)
Màu cam
Sậm: 1,100 °C (2,000 °F)
Sáng: 1,200 °C (2,200 °F)
Màu trắng
Hơi trắng: 1,300 °C (2,400 °F)
Sáng: 1,400 °C (2,600 °F)
Sáng lóa: 1,500 °C (2,700 °F)
14

Số hóa bởi trung tâm học liệu


Hình 1.17. Ngọn lửa
Phân loại: Có nhiều tiêu chí để phân loại lửa
Tự nhiên: Núi lửa, lửa mặt trời, lửa sấm sét, …
Nhân tạo: diêm,bật lửa; lửa hàn; hệ thống đánh điện động cơ, tên lửa…
1.2.3.2. Mô phỏng lửa
Mô phỏng lửa có thể coi là một trong những công việc khó khăn nhất,
phức tạp nhất của mô phỏng. Mô phỏng lửa ở dạng mô phỏng động theo thời
gian thực hoặc không theo thời gian thực. Để mô phỏng lửa mà chỉ yêu cầu
dạng mô hình, không yêu cầu độ chính xác cao và không yêu cầu thể hiện
đúng bản chất vật lý thì không quá khó. Nhưng để mô phỏng được lửa đúng
với các tính chất vật lý của nó và hiệu ứng của lửa theo thời gian thực thì quả
là một công việc không dễ dàng. Đối với công việc này người ta phải nghiên
cứu, xây dựng ra các phương pháp và sẽ cài đặt bằng các ngôn ngữ lập trình
thì mới có thể thể hiện được yêu cầu.
Cũng như các đối tượng khác, mô phỏng lửa cũng có 2 cách thức riêng
biệt. Một là sử dụng các công cụ đã được xây dựng sẵn với độ chính xác

không cao, hai là sử dụng các ngôn ngữ lập trình thể hiện các phương pháp
phức tạp dựa trên cơ sở lý thuyết chặt chẽ. Trong giới hạn luận văn này,
chúng ta tìm hiểu cách thứ nhất và tập trung chủ yếu nghiên cứu cách thứ hai.
1.2.4. Ý nghĩa của mô phỏng lửa
Lửa được xem là một trong những phát minh quan trọng nhất của nhân
loại. Lửa trở thành nguồn sống của con người, giúp con người thoát khỏi đời
sống nguyên sơ. Nhờ đó, lửa là sản vật thiêng liêng, vừa là khởi điểm cho
những sinh hoạt văn hóa cộng đồng của người sơ khai. Ngoài duy trì sự sống
lửa còn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất, vui chơi giải trí…
15

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Có rất nhiều nguồn lửa khác nhau, để đảm bảo cho việc tính toán thiết
kế các ứng dụng của lửa được chính xác và sử dụng có hiệu quả vào cuộc
sống việc mô phỏng những ứng dụng của lửa trước khi đưa ra ứng dụng là vô
cùng quan trọng. Việc kiểm duyệt các thiết kế, các dự án liên quan khi đưa
vào thực hiện nhằm giảm thiểu các rủi ro do lửa gây ra.
Ứng dụng mô phỏng lửa trong giáo dục, đặc biệt là trong các trường
công nghiệp, trường nghề đào tạo về chế tạo máy, cơ khí,… các mô phỏng về
lửa với các đối tượng khác hay các đối tượng lửa với nhau sẽ giúp người học
có một cái nhìn trực quan hơn, tiếp thu bài dễ hơn. Ví dụ mô phỏng các loại
đèn dùng trong quá trình đun nóng ở phòng thí nghiệm hóa học (Hình 1.28).

a. Đèn dầu hỏa có thông phong
dài trong phòng thí nghiệm

b. Đèn cồn

c. Đèn khí Bunsen

Hình 1.18. Mô phỏng các loại đèn dùng đun nóng ở phòng thí nghiệm
Tóm lại, việc xây dựng các mô hình mô phỏng lửa và các hiệu ứng của
lửa đang là nhu cầu cấp thiết đối với ngành liên quan đến lửa, mà công nghệ
mô phỏng cần phải thực hiện. Tuy nhiên, đây vẫn đang là một thách thức lớn
của công nghệ mô phỏng.
1.3. Mô phỏng lửa trong giáo dục
Như chúng ta đã biết chương trình học ở các cấp được thiết kế theo mô
hình đồng tâm xoắn ốc. Kiến thức vật lý về phần nhiệt học cũng không nằm
16

Số hóa bởi trung tâm học liệu

ngoài quy luật đó. Qua tìm hiểu chương trình học phổ thông, các trường
chuyên nghiệp, dạy nghề các thí nghiệm liên quan đến lửa xuất hiện khá
nhiều trong lĩnh vực vật lý, hóa học việc thực hiện các thí nghiệm thật này
nhiều khi gây khó khăn, nguy hiểm cho giáo viên và học sinh. Chính vì vậy
sử dụng phương pháp mô phỏng cho các thí nghiệm này rất hiệu quả, an toàn.
Trong khuôn khổ báo cáo luận văn này em xin tập trung thống kê một
số thí nghiệm trong lĩnh vực khoa học, vật lý về lửa có thể sử dụng phương
pháp mô phỏng. Cụ thể:
1.3.1. Sách giáo khoa phổ thông
Ở môn khoa học lớp 4 có thể sử dụng phương pháp mô phỏng để mô
phỏng một số thí nghiệm liên quan đến lửa (bảng 1.1.)
Bảng 1.1: Một số thí nghiệm về lửa môn khoa học lớp 4
TT
Tên bài học
ND mô phỏng
Kết quả
1
Bài 32:

Không khí gồm
những thành
phần nào?
Đốt cháy 1 cây nến, gắn vào đĩa
thủy tinh, rồi rót nước vào đĩa.
Lấy 1 lọ thủy tinh úp lên cây nến
đang cháy.
Cây nến bị tắt
2
Bài 35:
Không khí cần
cho sự cháy
Dùng 2 câu nến như nhau và 2 lọ
thủy tinh không bằng nhau. Úp 2 lọ
thủy tinh vào 2 cây nến đang cháy
Cây nến trong lọ nhỏ tắt
trước, trong lọ to cháy
lâu hơn
Dùng một lọ thuỷ tinh không có
đáy, úp vào cây nến đang cháy
Ngọn nến trong lọ bị tắt
vì không khí trong lọ
không được lưu thông
Dùng một lọ thuỷ tinh không có
đáy, úp vào cây nến đang cháy đế
gắn cây nến khoét 1 góc
Không khí ở ngoài tràn
vào tiếp tục cung cấp
oxi để duy trì ngọn lửa
3

Bài 37:
Tại sao có gió?
Đặt 1 cây nến đang cháy dưới
ống A, vài mẩu hương cháy đã
tắt lửa nhưng còn bốc khói dưới
ống B
Không khí ở ống A nóng
lên, nhẹ đi và bay lên cao,
không khí ở ống b lạnh,
nặng hơn và đi xuống.
Môn vật lý lớp 6 trong phần nhiệt học có một số thí nghiệm liên quan
đến lửa (bảng 1.2).
17

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Bảng 1.2: Một số thí nghiệm về lửa môn vật lý lớp 6
TT
Bài học
ND mô phỏng
Kết quả
1
Bài 18: Sự nở vì
nhiệt của chất
rắn
Dùng đèn cồn hơ nóng quả cầu kim loại
trong 3 phút
- Thể tích quả cầu
tăng khi nóng lên
2

Bài 21: Một số
ứng dụng của sự
nở vì nhiệt
Lắp chốt ngang rồi dùng ốc để siết chặt
cố định 2 đầu thanh thép.
Quan sát hiện tượng xảy ra khi dùng
bông tẩm cồn đốt nóng thanh thép
- Gãy chốt ngang
- Thanh thép nở ra vì
nhiệt gây ra lực rất lớn
Hai thanh KL có bản chất khác nhau (VD:
đồng & thép), được tán chặt vào nhau dọc
theo chiều dài tạo thành 1 băng kép.
Quan sát hình dạng băng kép nếu được
hơ nóng trong 2 trường hợp sau:
+ Mặt đồng ở phía dưới
+ Mặt đồng ở phía trên
Băng kép bị cong
về phí thanh đồng
vì đồng giãn nở
nhiều hơn
3
Bài 23: Thực hành
đo nhiệt độ
Đốt đèn cồn để đun nước trong 10 phút.
Cứ sau 1 phút ghi lại nhiệt độ của nước
vào bảng theo dõi nhiệt độ.

4
Bài 24: Sự nóng

chảy và sự đông
đặc
Dùng đèn cồn đun ống nghiệm chứa cục
băng phiến theo dõi nhiệt độ và trạng
thái của băng phiến từ 60-86
o
C
Từ 60-79
o
C thể rắn
80
o
C thể rắn và lỏng
Từ 81-86
o
C thể lỏng
5
Bài 25: Sự nóng
chảy và sự đông
đặc (tt)
Dùng đèn cồn đun ống nghiệm chứa cục
băng phiến lên 90
o
C rồi tắt đèn cồn.
Để băng phiến nguội dần theo dõi nhiệt
độ và trạng thái của băng phiến từ 86-
60
o
C
Từ 81-86

o
C thể lỏng
80
o
C thể rắn và lỏng
Từ 60-79
o
C thể rắn
6
Bài 26: Sự bay
hơi và sự
ngưng tụ
Lấy 2 đĩa nhôm có diện tích lòng đĩa như
nhau, đặt trong phòng không có gió
Hơ nóng 1 đĩa
Đổ 2-5cm
3
nước vào mỗi đĩa
Quan sát sự bay hơi ở mỗi đĩa
Đĩa hơ nóng bay hơi
nhanh hơn
7
Bài 28: Sự sôi
Đốt đèn cồn để đun nước

Nƣớc
(
0
C)
Hiện tƣợng

trên mặt nƣớc
Hiện tƣợng
trong lòng nƣớc
40-70
Có 1 ít hơi nước bay lên
Các bọt khí bắt đầu
xuất hiện ở đáy bình
71-83
Mặt nước bắt đầu xáo động
Các bọt khí nổi lên
84-99
Nước reo
100
Mặt nước xáo động mạnh,
hơi nước bay lên rất nhiều
Các bọt khí nổi lên
nhiều hơn, càng đi
lên càng to ra, khi
tới mặt thoáng thì
vỡ tung. Nước sôi
sùng sục.