Mô phỏng nước trong công nghệ thực tại ảo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ






ĐỖ THỊ THANH TOÀN








MÔ PHỎNG NƯỚC TRONG CÔNG NGHỆ
THỰC TẠI ẢO






LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HÀ NỘI – 2009



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ






ĐỖ THỊ THANH TOÀN

MÔ PHỎNG NƯỚC TRONG CÔNG NGHỆ
THỰC TẠI ẢO


Chuyên ngành : Công nghệ phần mềm
Mã số : 60.48.01




LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN


Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐỖ NĂNG TOÀN









HÀ NỘI – 2009



Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
6
MỤC LỤC

Trang
PHẦN MỞ ĐẦU 6
Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG NƢỚC 8
1.1. KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO 8
1.1.1.Thực tại ảo là gì? 8
1.1.2. Sơ lƣợc lịch sử phát triển của thực tại ảo 8
1.1.3. Một số lĩnh vực thực tế ứng dụng thực tại ảo 9
1.2. MÔ PHỎNG NƢỚC TRONG THỰC TẠI ẢO 15
1.2.1. Vai trò của mô phỏng nƣớc 15
1.2.2. Một số hiệu ứng nƣớc cơ bản 16
1.2.3. Cơ sở lý thuyết của mô phỏng nƣớc 19
1.2.3.1. Tính đàn hồi của chất lỏng 20
1.2.3.2. Độ nhớt của chất lỏng 20
1.2.3.3. Lực mao dẫn của chất lỏng 21
1.2.3.4. Sự hút khí của chất lỏng 22
Chƣơng 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG NƢỚC 23
2.1. KỸ THUẬT PHYSICALLY-BASE 23
2.1.1. Giớí thiệu 23
2.1.2. Cơ sở vật lý 23
2.1.3. Khái quát thuật toán 26
2.1.4. Phƣơng pháp ngoại suy bề mặt ảo 26
2.2. KỸ THUẬT PARTICLE-BASE 29
2.2.1. Giới thiệu 29
2.2.2. Tiến trình mô phỏng 29
2.2.3. Mật độ kép 34
2.2.3.1. Mật độ và áp suất 34
2.2.3.2. Phục hồi tính không nén đƣợc 35
2.2.3.3. Near – Density and Near- Pressure 35

2.2.3.4. Sức căng bề mặt 40

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
7
2.2.4. Biểu diễn bề mặt 40
2.2.4.1. Tính đàn hồi 40
2.2.4.2. Tính dẻo 42
2.2.4.3. Tính nhớt 44
2.2.5. Sự va chạm đối tƣợng 44
2.2.5.1. Va chạm 44
3.2.5.2. Tính nhớt trong tƣơng tác với đối tƣợng 47
Chƣơng 3: ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG NƢỚC 48
3.1. MÔ PHỎNG NƢỚC TRONG CÁC HỆ THỰC TẠI ẢO 48
3.2. CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 52
3.2.1. Kỹ thuật Physically-Based 52
3.2.2. Kỹ thuật Particle-Based 55
PHẦN KẾT LUẬN 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
8
Bảng chữ cái viết tắt


Stt
Chữ cái viết tắt
Nội dung
1
VR
Vỉtual Reality
2
VIVED
Visual environment display
3
HMD
Head Mounted Display :
4
SPH
Smoothed Particle Hydro Dynamics:

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
9
Danh mục hình vẽ

Hình 1.1. Ứng dụng thực tại ảo trong thiết kế kiến trúc ………………………. 10
Hình 1.2. Ứng dụng thực tại ảo trong thiết kế thiết bị công nghệ …………… 11
Hình 1.3. Ứng dụng thực tại ảo trong lĩnh vực giải trí ……………………… 12
Hình 1.4. Mô hình huấn luyện bay sử dụng công nghệ thực tại ảo …………… 13
Hình 1.5. Một phần cơ thể ảo …………………………………………………. 14
Hình 2.1. Mô tả góc tiếp xúc bề mặt ảo ……………………………………… 27
Hình 2.2. Mô tả góc tiếp xúc bề mặt ảo giữa chất lỏng và rắn ……………… 28
Hình 3.1. Hệ thống tập tái tàu thuỷ ……………………………………………. 48
Hình 3.2. Thể hiện hiệu ứng mặt nƣớc đã đƣợc tạo ……………………………49
Hình 3.3. Hiệu ứng chuyển động của vật rơi xuống nƣớc …………………… 50
Hình 3.4. Thể hiện mặt nƣớc bằng lƣới đa giác phƣơng pháp Particle-Base… 50
Hình 3.5. Thể hiện dòng nƣớc chảy bằng các phần tử lập thể particles ………. 51
Hình 3.6. Biểu đồ so sánh ………………………………………………… 52
Hình 3.7. Mô phỏng mặt hồ bằng kỹ thuật Physically-Based ………………… 52
Hình 3.8. Mô phỏng hiệu ứng sóng nƣớc bằng kỹ thuật Particle-Based ……….56


Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn

10




PHẦN MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin đã đƣợc ứng dụng mạnh
mẽ trong hầu hết tất cả các lĩnh vực. Các ứng dụng của nó vào cuộc sống
ngày càng phong phú, đa dạng và thiết thực hơn. Từ các lĩnh vực nhƣ khoa
học cơ bản, đến các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cho đến các lĩnh vực nhƣ giải
trí, du lịch; không lĩnh vực nào không có sự ứng dụng thiết thực và hiệu quả
của công nghệ thông tin. Sự phát triển không ngừng của sức mạnh máy tính
đã làm cho một số lĩnh vực khó phát triển trƣớc kia, nay đã có khả năng phát
triển và đã đạt đƣợc những thành tựu đáng kể; nhƣ là: Các hệ chuyên gia, các
hệ xử lý thời gian thực v.v và một lĩnh vực đang đƣợc phát triển mạnh trên
thế giới, đó là công nghệ mô phỏng.
Việc “tái tạo” các hiện tƣợng, sự vật trong thế giới thực trên máy tính có
rất nhiều tác dụng. Trong giải trí, nó sẽ giúp chúng ta xây dựng đƣợc những
trò chơi sống động, gần gũi với con ngƣời tạo ra sức lôi cuốn mạnh mẽ. Trong
xây dựng, việc dựng đƣợc các mô hình hiện thực ảo cho phép chúng ta có cái
nhìn trực quan, chính xác để có thể đƣa ra những quyết định, những sáng kiến
thiết kế về các công trình xây dựng đúng đắn. Trong giáo dục, những thí
nghiệm, những ví dụ đƣợc mô tả sát thực bằng máy tính giúp cho ngƣời học
hứng thú hơn, kiến thức đƣợc thể hiện rõ hơn, trực quan hơn, đầy đủ hơn.
“Thực tại ảo” là lĩnh vực nhằm mô phỏng thế giới thực của con ngƣời
vào máy tính, mà trong đó con ngƣời có thể tƣơng tác và cảm nhận nhƣ trong
thế giới thực. Để mô phỏng đƣợc thế giới thực trong máy tính, thì nhất thiết
môi trƣờng trong thế giới thực cần đƣợc mô phỏng; trong đó, nƣớc là một
chất liệu phổ biến và quan trọng.

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
11
Trong các ngành liên quan nhiều đến nƣớc nhƣ: Tàu thuỷ, du lịch, giải
trí, cứu hoả… Đặc biệt đối với ngành thuỷ lợi, đê điều, việc mô phỏng nƣớc
và các hiệu ứng của nó cực kỳ có ý nghĩa. Nó giúp mô phỏng các hiện tƣợng
thủy lực để đƣa đến cái nhìn trực quan cho ngƣời học. Nó có thể cho thấy
chính xác các trƣờng hợp xói lở bờ khi tính đƣợc các lực tác dụng tƣơng ứng;
các trạng thái chuyển động khác nhau của nƣớc khi chịu tác dụng của những
lực khác nhau. Chúng ta cũng có thể dựng đƣợc những mô hình đập ảo, kênh
ảo, hệ thống thủy nông từ bản thiết kế và tính toán đƣợc chính xác các trạng
thái của dòng chảy và các hiện tƣợng mà nó gây ra…. Để từ đó các nhà thiết
kế, nhà quản lý dự án có thể đƣa ra đƣợc những quyết định chính xác hơn
trong việc xây dựng các công trình thủy lợi, tránh những trƣờng hợp đáng tiếc
xảy ra.
Xuất phát từ thực tế đó, luận văn lựa chọn đề tài “Mô phỏng nƣớc trong
công nghệ thực tại ảo”. Mục tiêu chính của luận văn là: Nghiên cứu một số kỹ
thuật mô phỏng nƣớc nhằm ứng dụng cho việc xây dựng mô hình 3 chiều
trong Thực tại ảo. Cấu trúc luận văn gồm Phần mở đầu, Phần kết luận và 3
Chƣơng nội dung, cụ thể nhƣ sau:
 Chƣơng 1: Khái quát về thực tại ảo và mô phỏng nƣớc
Trong chƣơng này giới thiệu tổng quan về quá trình phát triển và các
lĩnh vực ứng dụng chính hiện nay của Thực tại ảo, đồng thời cung cấp một cái
nhìn tổng quan về mô phỏng nƣớc trong hệ Thực tại ảo. Chƣơng này cũng đi
sâu phân tích những tính chất vật lý, các hiệu ứng cơ bản của nƣớc để làm cơ
sở cho sự trình bày những phƣơng pháp mô phỏng nƣớc trong chƣơng 2.
 Chƣơng 2: Một số kỹ thuật mô phỏng nƣớc
Chƣơng này trình bày 2 kỹ thuật chính mà thế giới đã phát triển là kỹ
thuật Physically-based và kỹ thuật Particle-base. Mỗi kỹ thuật có những cách
tính, ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng. Từ đó cho chúng ta sự hiểu biết về mô
phỏng nƣớc, và khi tiếp xúc với những bộ phần mềm công cụ hỗ trợ xây dựng

mô hình 3D thì ta cũng có thể dễ dàng biết đƣợc họ đã dùng kỹ thuật gì để tạo
ra những hiệu ứng nƣớc ở trong nó.
 Chƣơng 3: Ứng dụng của mô phỏng nƣớc

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
12
Trình bày một số ứng dụng mô phỏng nƣớc trong Thực tại ảo và chƣơng
trình thử nghiệm cho các kỹ thuật mô phỏng nƣớc đƣợc hệ thống trong
chƣơng 2.

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
13
Chƣơng 1
KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG NƢỚC

1.1. KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO
1.1.1.Thực tại ảo là gì?
Theo cách truyền thống, việc tƣơng tác với máy tính đƣợc thực hiện
thông qua các thiết bị nhƣ bàn phím, chuột hay joystick/trackball để cung cấp
thông tin đầu vào và sử dụng khối hiển thị trực quan (VDU) để nhận thông tin
đầu ra từ hệ thống. Với sự ra đời của các hệ thống Thực tại ảo (Virtual
Reality-VR), các phƣơng thức giao tiếp mới đƣợc phát triển cho phép ngƣời
sử dụng tƣơng tác một cách tích cực hơn với máy tính.
Thực tại ảo là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá các đối
tƣợng trong không gian ba chiều với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phƣơng tiện
hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng bằng máy tính – môi trƣờng ảo
(virtual environment). Trong thế giới ảo này, ngƣời sử dụng không còn đƣợc
xem nhƣ ngƣời quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ
thống. Một cách lý tƣởng, ngƣời sử dụng có thể tự do chuyển động trong
không gian ba chiều, tƣơng tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế

giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian. Ngƣợc lại, môi trƣờng
ảo lại có những phản ứng tƣơng ứng với mỗi hành động của ngƣời sử dụng,
tác động vào các giác quan nhƣ thị giác, thính giác, xúc giác của ngƣời sử
dụng trong thời gian thực và tuân theo những quy tắc vật lý rất tự nhiên, làm
anh ta có cảm giác nhƣ đang tồn tại trong một thế giới thực.
1.1.2. Sơ lƣợc lịch sử phát triển của thực tại ảo
Mặc dù Thực tại ảo đƣợc mô tả nhƣ một công nghệ mới mang tính cách
mạng, nhƣng ý tƣởng về việc nhúng ngƣời sử dụng vào một môi trƣờng nhân
tạo không còn mới. Thực tại ảo có thể đƣợc xem nhƣ một sự mở rộng của
những ý tƣởng đã ra đời khá lâu nhƣ hệ thống mô phỏng bay (flight
simulation), rạp chiếu phim màn ảnh rộng (nhƣ Cinerama hay IMAX). Sử

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
14
dụng các hệ thống nhƣ vậy, ngƣời dùng đƣợc quan sát hình ảnh trong một
màn hình có trƣờng nhìn rộng lớn cho họ cảm giác nhƣ đang tồn tại trong
trƣờng không gian đó.
Sự ra đời của các máy điện toán mini và bài báo khoa học của Ivan
Sutherland có tên “Màn hình tối tân” (Ultimate Display) vào năm 1965 đƣợc
xem là hai bƣớc đột phá lớn vào những năm 1960 cho công nghệ Thực tại ảo.
Trong bài báo của mình, Sutherland đã tiên đoán sự phát triển của Thiết bị
Hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) đầu tiên, mà sau đó chính
ông đã tạo ra một thiết bị nhƣ vậy, có tên là “Thanh kiếm của Damocles”
(The Sword of Damocles). Sutherland cũng nhận ra tiềm năng của máy điện
toán trong việc tạo lập hình ảnh cho hệ thống mô phỏng bay, trong khi những
hình ảnh này trƣớc đó đƣợc xây dựng bằng video camera.
Những ý tƣởng này đƣợc hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Fisher và
McGreevy kết hợp lại trong một dự án có tên là “trạm làm việc ảo” (visual
workstation) vào năm 1984. Cũng từ đó NASA phát triển thiết bị Hiển thị đội
đầu có tính thƣơng mại đầu tiên, đƣợc gọi là màn hình môi trƣờng trực quan

(visual environment display - VIVED), thiết kế dựa trên mẫu hình mặt nạ lặn
với các màn hình quang học mà hình ảnh đƣợc cung cấp bởi hai thiết bị
truyền hình cầm tay Sony Watchman. Sự phát triển của thiết bị này đã thành
công ngoài dự đoán, bởi NASA đã sản xuất đƣợc một thiết bị HMD có giá
chấp nhận đƣợc trên thị trƣờng, và nhƣ vậy ngành công nghiệp Thực tại ảo đã
ra đời.
1.1.3. Một số lĩnh vực thực tế ứng dụng thực tại ảo
Mặc dù khái niệm về Thực tại ảo đã xuất hiện từ khá lâu, nhƣng do
nhiều lý do về mặt công nghệ (kéo theo chi phí cho nghiên cứu và phát triển),
phải mất nhiều thời gian và nỗ lực để Thực tại ảo có đƣợc những thành tựu
nhƣ ngày nay. Hiện tại đây vẫn là lĩnh vực công nghệ mới mẻ và nhiều tiềm
năng xét về khía cạnh ứng dụng. Ở đây, báo cáo cố gắng đƣa ra những lĩnh
vực ứng dụng chính có khuynh hƣớng phát triển mạnh mẽ nhất trong thời
gian gần đây.
- Kiến trúc và thiết bị công nghiệp

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
15
Một trong những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu nhất của Thực tại ảo là
thiết kế kiến trúc. Khả năng mô hình hoá thế giới thực của công nghệ Thực tại
ảo dƣờng nhƣ đáp ứng một cách tự nhiên mục tiêu của ngành thiết kế kiến
trúc: đƣa ra mô hình trực quan nhất có thể về hình ảnh công trình kiến trúc
mong muốn trong tƣơng lai.


Hình 1.1: Ứng dụng thực tại ảo trong thiết kế kiến trúc
Việc xây dựng các mô hình không gian kiến trúc bằng hình ảnh lập thể
với đầy đủ mô tả trực quan về các hình khối kiến trúc, cách bố trí nội thất bên
trong, thậm chí hoa văn hay màu của từng vật, cùng với khả năng cho phép
khách hàng tự do tham quan, khảo sát khuôn viên của họ trong tƣơng lai theo

nhiều góc độ và vị trí khác nhau thực sự đem lại hiệu quả trực quan mang tính
cách mạng trong lĩnh vực mang nhiều đặc điểm nghệ thuật này.
Tƣơng tự nhƣ trong kiến trúc, với các ngành sản xuất thiết bị mà trong
đó công đoạn thiết kế đóng vai trò quan trọng nhƣ thiết kế động cơ, thiết kế ô
tô, tàu biển, hay thậm chí tàu vũ trụ, hình dạng và cách bố trí các chi tiết
không chỉ đơn thuần mang tính thẩm mỹ, tính kỹ thuật mà đôi khi còn ảnh
hƣởng tới sức sống của thiết bị xét về khía cạnh thƣơng mại. Khả năng mô

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
16
hình hoá bằng hình ảnh lập thể của công nghệ Thực tại ảo cho phép ngƣời
thiết kế thể hiện đƣợc một cách trực quan nhất ý tƣởng thiết kế của mình,
đánh giá cơ bản về hiệu năng của thiết bị dựa trên những thử nghiệm mô
phỏng trên thiết bị ảo, từ đó có những hiệu chỉnh cần thiết trƣớc khi thiết bị
thực sự đƣợc sản xuất. Điều này rõ ràng góp phần không nhỏ trong thành
công của thiết bị công nghệ, giảm bớt những chi phí phát sinh.




Hình 1.2: Ứng dụng công nghệ Thực tại ảo trong thiết kế thiết bị công nghệ
Giải trí
Thị trƣờng giải trí cũng là một ứng dụng tiêu biểu khác của các môi
trƣờng Thực tại ảo. Trên thực tế, đây là lĩnh vực ứng dụng lớn nhất xét theo
khía cạnh lợi ích về tài chính. Rất nhiều công ty đang sản xuất ra các trò chơi
có sử dụng các nguyên lý Thực tại ảo. Số lƣợng ngƣời bị cuốn hút theo các
trò chơi nhƣ vậy, đặc biệt là giới trẻ, tăng theo cấp số nhân đánh dấu tiềm
năng thƣơng mại to lớn của công nghệ Thực tại ảo trong lĩnh vực này.

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn

17

Hình 1.3: Ứng dụng thực tại ảo trong lĩnh vực giải trí
Hơn thế, ngành công nghiệp trò chơi điện tử có những ảnh hƣởng to lớn
tới lĩnh vực Thực tại ảo. Nó tạo ra động lực cần thiết để thúc đẩy sự phát triển
của rất nhiều phần cứng Thực tại ảo, chẳng hạn nhƣ card tăng tốc đồ hoạ
(graphic accelerator cards). Nếu nhƣ chúng ta trở lại khoảng 10 năm về trƣớc,
thật khó có thể tìm thấy một card tăng tốc đồ hoạ có đủ năng lực tính toán cần
thiết cho phép tạo ra các ứng dụng Thực tại ảo thời gian thực. Tại thời điểm
đó, những chiếc card nhƣ vậy trị giá hàng ngàn đô-la và chỉ đủ khả năng sinh
100.000 đa giác/giây ở mức độ phân giải trung bình. Những thiết bị phần
cứng khác nhƣ Găng tay dữ liệu (DataGloves) và Thiết bị hiển thị đội đầu
(Head Mounted Displays-HMD) cũng chịu ảnh hƣởng phần nào của công
nghiệp giải trí. Tóm lại, chúng ta có thể nói rằng các ứng dụng Thực tại ảo
trong giải trí đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong việc định hƣớng đi
cho công nghiệp Thực tại ảo.
Giáo dục và đào tạo
Phát triển trên nền công nghệ và kỹ thuật cao, Thực tại ảo tích hợp
những đặc tính làm cho bản thân nó có những tiềm năng vƣợt trội so với các
công nghệ đa phƣơng tiện truyền thống khác: cho ngƣời sử dụng cảm nhận sự
hiện diện của mình trong môi trƣờng do máy tính tạo ra bằng khả năng tƣơng
tác, tự trị (autonomy) của ngƣời dùng trong môi trƣờng ảo, cũng nhƣ bằng
những phản hồi tức thời, trực quan từ phía môi trƣờng ảo tới các giác quan
của ngƣời sử dụng. Hơn thế nữa, công nghệ Thực tại ảo cho phép mô phỏng

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
18
những môi trƣờng nguy hiểm hay tốn kém nhƣ buồng lái máy bay, phòng thí
nghiệm hoá chất v.v

Hình 1.4: Mô hình huấn luyện bay sử dụng công nghệ Thực tại ảo
Tất cả những đặc tính này khiến công nghệ Thực tại ảo trở nên rất phù
hợp cho các ứng dụng có tính chất giáo dục hay đào tạo. Trong đó, những mô
hình trình diễn lập thể đóng vai trò quan trọng. Các vật thể trong thế giới ảo
đƣợc biểu diễn chính xác hơn nhiều so với các đối tƣợng phẳng (hình ảnh hai
chiều) do đƣợc bổ sung thêm chiều sâu. Kết quả là các trình diễn minh hoạ
hay những thí nghiệm cũng đƣợc mô phỏng chính xác hơn do có thể quan sát
từ nhiều góc độ khác nhau về mặt không gian, điều mà thế giới phẳng hai
chiều không làm đƣợc.
Tính chất trực quan của bài giảng đƣợc nâng cao một bƣớc làm tăng sự
hứng thú trong học tập cũng nhƣ khả năng ghi nhớ các khái niệm quan trọng
trong bài giảng. Xét về mặt này, khả năng tƣơng tác với môi trƣờng ảo là một
khía cạnh đáng lƣu ý. Nếu thiếu đi khả năng tƣơng tác (hai chiều) giữa môi
trƣờng ảo và ngƣời tham dự, Thực tại ảo không gì khác hơn là một giao diện
lập thể ấn tƣợng nhƣng không có sự sống. Trong các phòng thí nghiệm hay
huấn luyện ảo, thực hiện các thao tác trên các đối tƣợng trong môi trƣờng ảo,
nhận đƣợc những phản hồi kịp thời và có nghĩa từ các vật thể và môi trƣờng
là một trong những yếu tố tiên quyết khiến cho học viên có cảm nhận đang
đƣợc trải nghiệm trong những tình huống thực. Từ đó, học viên nắm bắt đƣợc
nhanh chóng và có ý thức hơn với những tính huống đƣợc học.

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
19
Y học
Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng tiềm năng trong công nghệ
Thực tại ảo và là một trong số ít lĩnh vực ứng dụng thuộc ngành khoa học của
Thực tại ảo. Cho đến nay, lĩnh vực nổi bật trong y học áp dụng thành công
công nghệ Thực tại ảo là giả lập giải phẫu (Surgical Simulation).
Trên cơ sở các kỹ thuật đồ hoạ máy tính và Thực tại ảo, hệ thống đào tạo
y học này bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tƣơng tác ba chiều là mô hình

sinh thể ảo cho phép ngƣời sử dụng thực hiện các thao tác giải phẫu thông
qua các dụng cụ giải phẫu ảo; Khối giao diện ngƣời dùng hai chiều cung cấp
những thông tin phản hồi trực quan từ mô hình trong quá trình giải phẫu cũng
nhƣ những thông tin hƣớng dẫn trong phiên đào tạo.
Phƣơng pháp đào tạo có tính tƣơng tác cao này mang nhiều ƣu điểm so
với các phƣơng pháp truyền thống nhƣ thực hành trên mô hình plastic hay
trên bệnh nhân thực. Thứ nhất, khác với phƣơng pháp dùng mô hình plastic,
sinh thể giải phẫu ảo có khả năng cung cấp những thông tin phản hồi sinh học
một cách tự nhiên nhƣ một sinh thể sống thực, dƣới tác động giải phẫu của
bác sỹ mổ, chẳng hạn nhƣ sự thay đổi về nhịp tim, huyết áp,… Điều này tạo
cho học viên có cảm giác đang trải qua một ca mổ trong một tình huống thực.
Thứ hai, khác với thực hành trên bệnh nhân thật, rõ ràng sai lầm của học viên
trong quá trình thực tập không phải trả giá bằng những thƣơng tổn thực trên
cơ thể ngƣời bệnh. Điều này cũng làm giảm áp lực lên học viên khi thực hiện
phẫu thuật ảo. Từ đó, giúp họ tự tin và chủ động hơn trong học tập.

Hình 1.5: Một phần cơ thể ảo

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
20
Phƣơng pháp này không chỉ cho phép các học viên y khoa thực hành các
ca phẫu thuật trong tình huống thực, đem lại cho họ những kinh nghiệm cần
thiết trƣớc khi thực hiện phẫu thuật trên cơ thể con ngƣời, đây còn là cơ hội
để các bác sỹ mổ nâng cao kỹ thuật giải phẫu và kỹ năng phối hợp làm việc
theo nhóm trong phòng mổ. Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình
huống phẫu thuật nguy hiểm và nhạy cảm.
Các kỹ thuật Thực tại ảo cũng đƣợc sử dụng để hỗ trợ bác sỹ mổ trong
giai đoạn lập kế hoạch tiền phẫu thuật (preoperative planning). Trƣớc khi thực
hiện quy trình giải phẫu trên bệnh nhân thực, ngƣời bác sỹ có thể thử nghiệm
các phƣơng pháp tiến hành phẫu thuật khác nhau trên mô hình ảo của ngƣời

bệnh. Mô hình này mô phỏng đầy đủ các đặc điểm bệnh lý của ngƣời bệnh
thật. Theo cách này, ngƣời bác sỹ sẽ lựa chọn ra đƣợc cách thức an toàn nhất,
hiệu quả nhất và tốn ít thời gian nhất trong phòng phẫu thuật, hạn chế những
biến cố trong quá trình giải phẫu.
1.2. MÔ PHỎNG NƢỚC TRONG THỰC TẠI ẢO
1.2.1. Vai trò của mô phỏng nƣớc
Có thể nói nƣớc là thành phần không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi
chúng ta. Nƣớc phục vụ cho đời sống hàng ngày, phục vụ cho sản xuất, cuộc
sống của con ngƣời gắn liền với nƣớc… Nhƣng để mô phỏng đƣợc nƣớc
không phải là điều đơn giản, việc tính toán, đo đạc các thông số của nƣớc
trong nhiều môi trƣờng và điều kiện khác nhau tốn rất nhiều thời gian và công
sức. Sau đó, để có thể biểu diễn đƣợc những dữ liệu đó thành hình ảnh trên
máy tính cần phải tìm ra những thuật toán, những phƣơng pháp để xử lý kho
dữ liệu đó. Tiếp theo, phải phân tích thiết kế một hệ thống các công cụ trợ
giúp cho việc lập trình tạo hiệu ứng nƣớc, rồi mới tới khâu thiết kế ra những
bản vẽ nƣớc đƣợc thể hiện trên màn hình. Cuối cùng, là khâu kết xuất
(Rendering) tạo ra sản phẩm thực sự.
Ngoài ra, còn một lý do nữa để xếp mô phỏng nƣớc có vị trí quan trọng
trong lĩnh vực mô phỏng chính là tầm quan trọng không thể thiếu của hiệu
ứng nƣớc trong các hệ mô phỏng. Hiệu ứng nƣớc tạo ra cảm giác thật, lôi
cuốn cho hệ vốn không phải là những hình ảnh thật, nó tạo ra sự hài hoà, nhẹ
nhàng cho những chuyển động của đối tƣợng. Việc thể hiện thành công hiệu

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
21
ứng nƣớc trong Thực tại ảo sẽ cho phép ta đi sâu vào thế giới ảo để tạo ra
những giá trị thật cho cuộc sống con ngƣời.
1.2.2. Một số hiệu ứng nƣớc cơ bản
Mô phỏng nƣớc có thể coi là một trong những công việc khó khăn nhất,
phức tạp nhất của Thực tại ảo, đã và đang là một thách thức lớn đối với công

nghệ mô phỏng. Mô phỏng nƣớc là dạng mô phỏng động theo thời gian thực
hoặc không theo thời gian thực. Để mô phỏng nƣớc mà chỉ yêu cầu dạng mô
hình, không yêu cầu sự chính xác và không cần thể hiện đúng bản chất vật lý
thì không quá khó. Ví dụ: để mô phỏng mặt nƣớc động không theo thời gian
thực ta có thể thực hiện bằng cách sử dụng các mặt phẳng đƣợc áp vật liệu
nƣớc trƣợt lên nhau (trong Flash), hay để mô phỏng vòi nƣớc chảy theo thời
gian thực ta sử dụng thành phần Particle System trong 3DsMax. Nhƣng để mô
phỏng đƣợc nƣớc đúng với các tính chất vật lý của nó và hiệu ứng của nƣớc
theo thời gian thực thì quả là một công việc không dễ dàng mà cho đến nay
kết quả nghiên cứu đƣợc vẫn còn hạn chế.
Không giống với các loại vật chất khác, nƣớc tồn tại ở rất nhiều trạng
thái và có các tính chất rất phức tạp. Do đó, muốn mô phỏng thành công chất
lỏng nói chung và nƣớc nói riêng thì phải dựa vào các tính chất vật lý của
chúng, và xác định hình thái của chất lỏng mình muốn thể hiện.
Có nhiều tiêu chí để phân loại nƣớc, nhƣng ở đây chúng ta giới hạn việc
phân loại nƣớc theo hình dạng.
Có 4 dạng chính:
 Dòng nƣớc
 Giọt nƣớc
 Khối nƣớc
 Mặt nƣớc
Dƣới các tác dụng khác nhau của ngoại lực thì các dạng nƣớc trên sẽ
biến đổi hình dạng và chuyển động khác nhau. Chúng ta có thể xét các trƣờng
hợp sau:

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
22
 Dòng nƣớc:
- Dòng nƣớc chảy gặp vật rắn cản.
- Dòng nƣớc (nƣớc trong kênh, sông) va vào bờ.

- Dòng nƣớc chảy từ cao xuống thấp.
 Giọt nƣớc:
- Giọt nƣớc rơi xuống mặt nƣớc
- Giọt nƣớc rơi nằm trên các bề mặt:
+ Giọt nƣớc trên bề mặt lá.
+ Giọt nƣớc trên bề mặt các chất rắn.
 Khối nƣớc:
- Khối nƣớc tan chảy
- Khối nƣớc dƣới tác dụng của chất rắn
 Mặt nƣớc:
- Mặt nƣớc dao động bình thƣờng
- Mặt nƣớc khi có vật rắn rơi xuống
- Mặt nƣớc khi có mƣa
- Mặt nƣớc khi có gió mạnh
Đối với các dạng nƣớc khác nhau, dƣới các tác dụng khác nhau thì sẽ
dẫn đến các hiệu ứng khác nhau. Sau đây là một số hiệu ứng nƣớc cơ bản mà
ta thƣờng gặp:
 Hiệu ứng phản chiếu ánh sáng.
 Hiệu ứng in bóng nƣớc.
 Hiệu ứng sóng nƣớc.

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
23
 Hiệu ứng giao thoa sóng nƣớc.
 Hiệu ứng nƣớc chảy.
 Hiệu ứng giọt nƣớc rơi.
 Hiệu ứng nƣớc sôi (sủi bọt nƣớc).
Tìm hiểu các giải thuật để thể hiện đƣợc những hiệu ứng rất phức tạp
trên ngƣời ta đã đƣa ra nhiều giải pháp khác nhau :
- Khi muốn thể hiện sóng nƣớc có mấy cách sau: cho những điểm ảnh là

sóng nƣớc chuyển động theo chiều thẳng đứng với các thông số nhƣ (tần số,
biên độ, góc radian) => do đó sinh sóng => nhiều sóng nhƣ vậy tạo thành mặt
sóng.
- Cũng có thể tạo ra sóng bằng cách cho các lớp hình ảnh mặt nƣớc xếp
chồng lên nhau chuyển động trƣợt trên nhau => do đó có mặt sóng.
- Cũng có thể tạo ra mặt sóng bằng cách cho các khối hình cơ bản (cấu
tạo nên ảnh) chuyển động => sau đó dùng các kỹ thuật ghép ảnh, cắt xén ảnh,
biến đổi ảnh để, làm trơn làm cho những hình cơ bản ghép với nhau mềm mại
hơn, hợp khớp với nhau hơn. Cách này có ƣu điểm là dung lƣợng nhỏ, tốn ít
bộ nhớ.
- Với các trò chơi 3D trực tuyến, do yêu cầu khắt khe về dung lƣợng và
tốc độ đƣờng truyền để đáp ứng nhanh chóng thao tác của ngƣời chơi. Cho
nên họ đã tạo hiệu ứng nƣớc bằng cách đơn giản là chụp ảnh ngoại cảnh rồi
sử dụng các phép ghép ảnh, làm trơn để tạo hiệu ứng nƣớc đơn giản. Hoặc
dùng các phƣơng pháp Texture tạo bề mặt cho đối tƣợng, tạo các script từ các
ảnh lẻ hoặc phƣơng pháp flash động
- Để thể hiện hiệu ứng in bóng nƣớc: ngƣời dùng phép chiếu ảnh và phép
biến đổi ảnh.
- Để thể hiện hiệu ứng phản chiếu ánh sáng gồm có phản xạ và khúc xạ,
ngƣời ta sử dụng phép chiếu và quay vectơ + màu sắc (ánh sáng chiếu vào bề
mặt chất lỏng thì có phản xạ và khúc xạ, ánh sáng chiếu vào bề mặt chất rắn
thì có phản xạ và khuếch tán).

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
24
- Để thể hiện hiệu ứng giọt nƣớc rơi ngƣời ta phải dựa vào một loạt các
thông số nhƣ độ bám dính, sức căng bề mặt, mặt cong, quãng đƣờng, thời
gian, vận tốc, gia tốc, độ trong suốt của giọt nƣớc… Giọt nƣớc đƣợc thể hiện
bằng hình học cơ bản rồi sau đó gắn thêm các thuộc tính nhƣ trên sau đó đƣợc
đƣa vào một hệ vật để thể hiện nó.

- Kỹ thuật thể hiện hiệu ứng nƣớc sôi tƣơng tự nhƣ kỹ thuật thể hiện hiệu
ứng giọt nƣớc rơi, bởi vì giọt nƣớc chuyển động trong không khí còn nƣớc sôi
thì bọt khí chuyển động trong nƣớc. Ta chỉ việc thay đổi các thông số cho phù
hợp với môi trƣờng thôi.
- Kỹ thuật thể hiện hiệu ứng nƣớc chảy mở rộng hơn một chút so với kỹ
thuật thể hiện hiệu ứng sóng nƣớc. Ta chỉ thêm thông số vận tốc, hƣớng
vector cho những điểm chuyển động (hay những hình cơ bản chuyển động).
Dựa vào mục đích sử dụng ngƣời ta đã chia ra hai kỹ thuật chính để thể
hiện hiệu ứng nƣớc. Kỹ thuật tạo hiệu ứng giả mặt nƣớc và kỹ thuật tạo hiệu
ứng mặt nƣớc thật. Các kỹ thuật tạo hiệu ứng giả mặt nƣớc nhƣ Texture,
Sclip, ghép ảnh, biến đổi ảnh… chỉ áp dụng cho những đối tƣợng ít quan
trọng trong một hệ mô phỏng để làm giảm dung lƣợng bộ nhớ và đáp ứng
nhanh hoặc trong các trò chơi game. Trong phạm vi đề tài, luận văn không đi
sâu vào tìm hiểu những phƣơng pháp đó mà trọng tâm là tìm hiểu những kỹ
thuật tạo ra hiệu ứng thật cho mặt nƣớc.
1.2.3. Cơ sở lý thuyết của mô phỏng nƣớc
Cơ sở lý thuyết của các phƣơng pháp mô phỏng nƣớc chính là các tính
chất vật lý của nó. Phần dƣới đây xin giới thiệu một số tính chất vật lý của
chất lỏng nói chung và nƣớc nói riêng để tạo điều kiện cơ sở cho nhận thức
các phƣơng pháp mô phỏng nƣớc.
Chất lỏng chiếm một vị trí trung gian giữa chất khí và chất rắn. Ở nhiệt
độ cao, chất lỏng giống trạng thái của thể khí và ở nhiệt độ thấp thì giống
trạng thái của vật rắn. Chất lỏng có sự biến đổi liên tục từ thể này sang thể
khác tuỳ thuộc vào nhiệt độ, áp suất. Biểu diễn chất lỏng biến đổi trạng thái từ
rắn sang lỏng, từ lỏng sang khí là bài toán hiệu ứng tan chảy và mây mù của
chất lỏng.

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
25
Khi nhận một lực hay một áp suất tác động thì lực sẽ đƣợc phân tán đều

trên toàn bộ khối chất lỏng theo mọi hƣớng khác nhau. Khác với vật rắn, các
hạt chất lỏng không có lƣới tinh thể trong một thể tích giới hạn, nghĩa là các
hạt có đặc tính phân bố không có qui tắc, nhƣng cũng nhƣ ở tinh thể, các hạt
chất lỏng cũng giao động (10
13
giao động trong một giây) xung quanh một vị
trí cân bằng tức thời trong một thời gian vô cùng ngắn.
Khác với vật rắn, các hạt chất lỏng thƣờng luôn thay đổi vị trí cân bằng
đó một cách tự do, các hạt chuyển từ vị trí này sang vị trí khác. Nếu tách
thành phần chuyển động giao động ra thì hạt sẽ vẽ một quỹ đạo theo đƣờng
gãy khúc, giống nhƣ quỹ đạo của các hạt khí.
Nhờ các đặc điểm trong tính chất chuyển động nhiệt ở một chừng mực
nào đó, chất lỏng vừa có tính chất của chất khí vừa có tính chất của chất rắn.
Ví dụ: chất lỏng cũng có tính chảy nhƣ chất khí, và cũng có tính đàn hồi
chống trƣợt nhƣ vật rắn, tính chất này làm cho chất lỏng dính nhớt.
Cần thiết phải nhấn mạnh rằng, khác hẳn với chất khí, chất lỏng hầu nhƣ
không nén đƣợc và hoàn toàn chiếm một thể tích nhất định, nghĩa là nó có thể
có mặt thoáng. Và khác với chất khí, độ nhớt của chất lỏng giảm đi khi nhiệt
độ tăng.
Khác với chất rắn, hình dạng của chất lỏng hoàn toàn phụ thuộc vào bình
chứa, nó không chịu sự biến dạng khi bị tác dụng lực.
1.2.3.1. Tính đàn hồi của chất lỏng
Tính chịu nén của chất lỏng đƣợc đặc trƣng bằng hệ số nén thể tích β
c
.
Nó biểu thị sự thay đổi tƣơng đối của thể tích W khi áp lực P thay đổi đi một
lƣợng 1kg/m
2
và xác định bằng công thức:
Β

c
= (1/W) * (dw/dp) m
2
/kg.
Từ công thức trên ngƣời ta tính toán đƣợc bảng β
c
của nƣớc ở các
nhiệt độ khác nhau:
T
0
C
0
10
20
30
Β
c
(m
2
/kg)
50,2.10
-10
48,2.10
-10
46,5. 10
-10

45,6. 10
-10

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
26
Từ bảng trên ta thấy rằng độ chịu nén của nƣớc rất không đáng kể, vì
vậy hầu hết trong các trƣờng hợp thực tế có thể bỏ qua.
1.2.3.2. Độ nhớt của chất lỏng
Khả năng của chất lỏng khi chuyển động có thể gây ra các ứng suất tiếp
tuyến bên trong là một tính chất đƣợc gọi là tính nhớt hay ma sát trong của chất
lỏng. Tính nhớt là một trong những tính chất căn bản của chất lỏng. Tính chất
đó đƣợc tạo ra do chuyển động bên trong của phân tử chất lỏng và sẽ thể hiện
ra khi các lớp chất lỏng chuyển động tƣơng đối so với các lớp bên cạnh làm
cho thể tích bị biến hình, trong đó lực ma sát sẽ xuất hiện.
Lực ma sát làm cho lớp chất lỏng chảy nhanh hơn sẽ lôi kéo lớp chất lỏng
chảy chậm hơn và ngƣợc lại. Do lực ma sát biến cơ năng của chất lỏng đang
chuyển động sẽ biến thành nhiệt năng. Độ nhớt của chất lỏng đƣợc đặc trƣng
bằng hệ số nhớt . Hiện nay, chƣa có một công thức thống nhất nào để tính độ
nhớt của chất lỏng, mà ngƣời ta chỉ mới tính đƣợc vài trị số độ nhớt của nƣớc
nhƣ sau:
T
0
c
0
10
20
30
Μ
1,827

1,330
1,024

0,816
Khi nhiệt độ tăng thì động năng của phân tử tăng, nên “thể tích dao động”
sẽ dần dần lớn ra và hệ số nhớt giảm xuống.
1.2.3.3. Lực mao dẫn của chất lỏng
Chúng ta đã biết rằng mặt thoáng của chất lỏng hay nói tổng quát hơn là
mặt phân giới của chất lỏng và chất khí ở trong trạng thái cân bằng của sức
căng mặt ngoài.
Trị số của sức căng mặt ngoài σ qui về một đơn vị chiều dài của “đƣờng
tạo thành” chỉ phụ thuộc vào bản chất chất lỏng và nhiệt độ của nó. Đối với
nƣớc tiếp xúc với không khí, trị số σ ở 20
0
C bằng khoảng 0,0074kg/m
2
, và
giảm đi khi nhiệt độ tăng.
Trong một số lớn quá trình thủy lực, ảnh hƣởng của sức căng mặt ngoài vì
quá nhỏ nên bỏ qua, chỉ cần tính đến sức căng mặt ngoài nếu mặt thoáng của
chất lỏng có một độ cong rõ rệt hoặc nếu các lực căng mặt ngoài tạo thành áp

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
27
lực phụ lên chất lỏng. Tác dụng của áp lực phụ này giải thích đƣợc hiện tƣợng
dâng mao quản của chất lỏng.
1.2.3.4. Sự hút khí của chất lỏng
Chất lỏng có khả năng hút và hòa tan các chất khí khi tiếp xúc với nó. Khi
đó, trọng lƣợng của chất khí bị hoà tan thay đổi tỷ lệ với áp lực của chất lỏng,
còn về thể tích thì thực tế vẫn không thay đổi.
Nƣớc trong trạng thái thiên nhiên bao giờ cũng chứa một lƣợng không khí
bị hòa tan: ở nhiệt độ bình thƣờng, lƣợng đó vào khoảng 2% thể tích nƣớc. Khi
áp lực giảm, một phần không khí hòa tan sẽ bốc lên khỏi chất lỏng. Áp lực

càng giảm thì không khí bốc hơi lên càng mạnh, khi đó sẽ sinh ra hơi chất lỏng.
Sự bốc hơi tạo thành sƣơng mù của chất lỏng có thể xảy ra ở các áp lực
lớn hơn áp lực khí trời nếu nhiệt độ nƣớc tăng hay nƣớc chứa nhiều khí quá.
Đó là nguyên nhân của việc sinh ra các “túi” không khí trong các ống dẫn nƣớc
dài; không khí bốc ra và hơi nƣớc sẽ tích lũy lại trong các ống đó ở những nơi
cao nhất và có thể gây khó khăn hay làm cho nƣớc hoàn toàn không chuyển
động đƣợc.

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
28
Chƣơng 2
MỘT SỐ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG NƢỚC

2.1. KỸ THUẬT PHYSICALLY-BASE
2.1.1. Giớí thiệu
Kỹ thuật Physically-based đƣợc đƣa ra để tìm ra góc tiếp xúc giữa mặt
thoáng của chất lưu (lỏng, khí) với các đối tượng rắn, cho phép mô phỏng các
trạng thái khác nhau của chất lỏng co giãn nhẹ bao gồm cả giọt nƣớc trên bề
mặt. Trọng tâm của kĩ thuật này là phương pháp bề mặt ảo (Virtual Surface),
tức là thay đổi cấp độ thiết lập trƣờng khoảng cách đặc trƣng cho bề mặt chất
lỏng nhằm tìm ra góc tiếp xúc thích hợp. Sức căng bề mặt đƣợc tính toán trên
cơ sở mối liên hệ giữa bề mặt chất rắn và bề mặt chất lỏng, khi đó sẽ suy ra
đƣợc tất cả sức căng bề mặt chung bao gồm sức căng lỏng – đặc, lỏng – khí,
đặc – khí. Chúng ta sử dụng mô hình góc tiếp xúc động để lựa chọn góc tiếp
xúc (Contact Angle) tùy theo tính chất của vật liệu rắn, tính chất của nƣớc và
sự chuyển động của chất lƣu.
Thuật toán này xử lý đúng và chính xác những biến dạng khác nhau của
giọt nƣớc và nghiên cứu cả các bề mặt rắn cong, phẳng. Kết quả mà thuật
toán này đƣa ra cho thấy rằng có khả năng mô phỏng vài hiện tƣợng chất lỏng
co giãn nhỏ. Ví dụ, những giọt nƣớc bị dẹt và xâu thành chuỗi, giọt nƣớc bị

kéo căng và chia nhỏ, những giọt nƣớc lơ lửng trên bề mặt cong, và hiệu ứng
mao dẫn (Capillary Action).
2.1.2. Cơ sở vật lý
Sức căng bề mặt là yếu tố quan trọng trong mô phỏng chất lỏng co giãn
nhẹ. Nó đƣợc sinh ra do sự mất cân bằng của lực kết cấu phân tử trên miền
mặt phân giới, nơi mà 2 đối tƣợng gặp nhau (lỏng-khí, lỏng-rắn, khí-rắn). Có
2 cách để phân tích ảnh hƣởng của sức căng mặt ngoài đến sự chuyển động
của chất lỏng.