Tìm hiểu kĩ thuật mô phỏng nước bằng phương pháp PARTICLE và ứng dụng minh họa

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới cô
giáo, Th.s Nguyễn Minh Hiền - người đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt cho
em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình em làm
khóa luận này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa Công nghệ
thông tin đã tận tình giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức cần thiết
trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại khoa.
Mặc dù đã nỗ lực hết mình, xong do thời gian và trình độ chuyên môn
còn hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy em rất mong nhận
được sự góp ý của các thầy giáo, cô giáo và các bạn để khóa luận được hoàn
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Xuân Hoà, tháng 05 năm 2013
Sinh viên

Phạm Thanh Nhã


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Phạm Thanh Nhã
Sinh viên lớp: K35 – CNTT, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2
Tôi xin cam đoan:
1. Đề tài “Tìm hiểu kỹ thuật mô phỏng nước bằng phương pháp
Particle và ứng dụng minh họa” là kết quả nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của cô giáo, Th.s Nguyễn Minh Hiền và tham khảo một số nguồn
tài liệu nước ngoài trên Internet.
2. Khóa luận hoàn toàn không sao chép từ các tài liệu có sẵn nào.
3. Kết quả nghiên cứu không trùng với các tác giả khác.
Nếu sai, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm!

Xuân hoà, tháng 05 năm 2013
Người cam đoan

Phạm Thanh Nhã


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN

BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU ..................................................................................................... ..1
Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG NƯỚC...... ..4
1.1. Khái quát về thực tại ảo (VR-Virtual Reality) ....................................... ..4
1.1.1. Định nghĩa..................................................................................... 4
1.1.2. Đặc điểm của một hệ thống thực tại ảo .......................................... 5
1.1.3. Một số loại hệ thống thực tại ảo .................................................... 8
1.1.4. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo................................. 9
1.1.5. Một số lĩnh vực ứng dụng chính của thực tại ảo .......................... 10
1.2. Mô phỏng nước ..................................................................................... 15
1.2.1. Khái quát về mô phỏng ............................................................... 15
1.2.2. Mô phỏng chất lỏng..................................................................... 17
1.2.3. Một số tính chất của chất lỏng ..................................................... 19
1.2.4. Một số tính chất vật lý hóa của nước ........................................... 21
1.2.5. Tầm quan trọng của nước và mô phỏng nước .............................. 25
Chương 2: MÔ PHỎNG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP PARTICLE ....... 26
2.1. Kỹ thuật mô phỏng hiệu ứng của nước thông thường ............................ 26
2.2. Một số phương pháp mô phỏng nước .................................................... 27

2.2.1. Phương pháp Physically - based .................................................. 27
2.2.2. Phương pháp Particle-based ........................................................ 28
2.3. Mô phỏng nước bằng phương pháp Particle .......................................... 28
2.3.1. Tiến trình mô phỏng .................................................................... 28
2.3.2. Giảm mật độ kép ......................................................................... 34


2.3.3. Biểu diễn bề mặt.......................................................................... 41
Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ............................................ 45
3.1. Ứng dụng của mô phỏng nước trong thực tại ảo .................................... 45
3.2. Chương trình thử nghiệm mô phỏng nước ............................................. 46
3.2.1. Giới thiệu chung .......................................................................... 46
3.2.2. Mô phỏng mặt nước .................................................................... 47
3.2.3. Chương trình mô phỏng mặt nước ............................................... 51
3.2.4. Các kỹ thuật liên quan ................................................................. 54
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 61


BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
VR
HMD

Giải thích
Virtual Reality - Thực tại ảo
Head mounted display - Màn hình gắn trên đầu

3D

3 Dimension - Không gian 3 chiều

2D

2 Dimension – Không gian 2 chiều

VRML

HTML

Virtual Reality Modelling Language - Ngôn ngữ
định dạng đối tượng 3D
Hyper Text Markup Language - Ngôn ngữ định
dạng siêu văn bản


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức) ....................... 5
Hình 1.2. Sử dụng tay điều khiển và mũ chụp ảo............................................ 6
Hình 1.3. Tái tạo không gian phố cổ Hà Nội bằng mô phỏng thực tại ảo ........ 7
Hình 1.4. Các đặc tính chính của Thực tại ảo ................................................. 7
Hình 1.5. Các thành phần của một hệ thống VR ............................................. 9
Hình 1.6. Cảnh sinh hoạt trong lớp học ảo.................................................... 11
Hình 1.7. Mô phỏng quá trình đào tạo phẩu thuật ảo .................................... 11
Hình 1.8. Hệ thống trong lĩnh vực giải trí 3D ............................................... 12
Hình 1.9. Các kỹ sư đang thay đổi các chi tiết cho chiếc xe hơi ảo ............... 13
Hình 1.10. Mô phỏng trong thiết kế kiến trúc cầu 3D ................................... 13
Hình 1.11. Một góc của Văn Miếu Quốc Tử Giám trên mô hình 3D ............ 14
Hình 1.12. Ứng dụng của VR trong quân sự ................................................. 14
Hình 1.13. Mô phỏng tĩnh vật....................................................................... 15

Hình 1.14. Mô phỏng đối tượng động........................................................... 16
Hình 1.15. Mô hình phân tử nước................................................................. 22
Hình 1.16. Hình học của Phân tử nước ......................................................... 22
Hình 1.17. Liên kết hiđrô ............................................................................. 23
Hình 1.18. Khi đông lạnh dưới 40C, các phân tử nước phải dời xa ra để tạo…
liên kết tinh thể lục giác mờ ......................................................................... 24
Hình 2.1. Mô tả một số hạt particle chuyển động trong không gian .............. 32
Hình 2.2. Các hạt particle chuyển động với vận tốc thay đổi khi có trọng lực32
Hình 2.3. Các hạt particle chuyển động khi có thêm độ nhớt ........................ 33
Hình 2.4. Các particle chuyển động khi mật độ các hạt tăng......................... 33
Hình 2.5. Dạng khác nhau của bề mặt chất dẻo ............................................ 42
Hình 3.1. Hệ thống tập lái tàu thuỷ của trường ĐH GTVT HCM ................. 45
Hình 3.2. Thể hiện hiệu ứng mặt nước đã được tạo ...................................... 46


Hình 3.3. Thể hiện mặt nước bằng lưới đa giác trong phương pháp..................
Particle – based ............................................................................................ 46
Hình 3.4. Mặt nước đứng yên ....................................................................... 53
Hình 3.5. Mặt nước chuyển động mạnh ........................................................ 53
Hình 3.6. Mô hình tổ chức của một file VRML ............................................ 56
Hình 3.7. Hình hộp đơn giản viết bằng VRML ............................................. 56
Hình 3.8. Billboad với mô hình hóa một cái cây........................................... 58


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Công nghệ thông tin đã, đang và sẽ tiếp tục trên đà phát triển mạnh mẽ,
sự phát triển nhanh chóng ấy đã đem lại những thành tựu đáng kể trong nhiều
lĩnh vực như y tế (với các phần mềm quản lý bệnh viện, mô phỏng tim người,
cơ thể người, các mô cơ,...), giao thông (các phần mềm trắc nghiệm thi lý

thuyết lái xe, phần mềm mô phỏng lái xe ảo,…), giáo dục (hệ thống các phần
mềm quản lý, giáo án, giáo trình điện tử, website đào tạo trực tuyến,…), an
ninh, quốc phòng,...
Những năm gần đây, cũng trên đà phát triển ấy đã xuất hiện một mô
hình phát triển mới mà phạm vi ứng dụng của nó còn rộng lớn hơn rất nhiều.
Nó dự báo một tương lai có nhiều tiềm năng, một cánh cửa rộng mở, đó chính
là công nghệ thực tại ảo. Trên thế giới, công nghệ thực tại ảo đã và đang trở
thành một ngành công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong
mọi lĩnh vực như: nghiên cứu và công nghệ, giáo dục đào tạo, du lịch, dịch vụ
bất động sản, thương mại và giải trí,… và tiềm năng kinh tế cũng như tính
hữu dụng của nó. Đối với Việt Nam, công nghệ thực tại ảo đang dần được
phát triển mạnh trong hầu hết các lĩnh vực. Tại viện công nghệ thông tin
thuộc viện khoa học và công nghệ Việt Nam đã được trang bị phòng máy thực
tại ảo đầu tiên trong cả nước. Bên cạnh trung tâm đầu não đó, kỹ thuật mô
phỏng đã được nhiều trường Đại học, nhiều công ty phần mềm nghiên cứu và
cho tới nay đã thu được những kết quả bước đầu đáng khích lệ, nhưng để làm
chủ được công nghệ mới này thì rất cần phải đầu tư nghiên cứu tiếp. Một điều
thực tế là muốn hiểu toàn bộ công nghệ thì phải nắm được phương pháp thể
hiện hay mô phỏng đối tượng trong môi trường thực tại ảo, chẳng hạn để mô
phỏng nước thì chúng ta cần phải nắm được kỹ thuật mô phỏng nước. Ở nước
ta, việc ứng dụng thực tại ảo vào mô phỏng nước vẫn chưa được quan tâm
nhiều, mà nước là một thành phần không thể thiếu trong đời sống con người.
1


Chính vì vậy, em đã chọn đề tài khoá luận tốt nghiệp là “Tìm hiểu kỹ thuật
mô phỏng nước bằng phương pháp Particle và ứng dụng minh họa”.
2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu của khóa luận là nghiên cứu một phương pháp đặc biệt
phương pháp Particle sử dụng trong mô phỏng nói chung cũng như trong mô

phỏng nước nói riêng và xây dựng chương trình ứng dụng minh họa.
3. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là mô phỏng nước bằng phương
pháp Particle. Nước là thành phần không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi
chúng ta. Nước phục vụ cho cuộc sống hàng ngày, phục vụ cho sản xuất, cuộc
sống của con người gắn liền với nước,…
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý luận
Nghiên cứu qua việc đọc sách, báo và các tài liệu liên quan nhằm xây
dựng cơ sở lý thuyết của đề tài và các biện pháp cần thiết để giải quyết các
vấn đề của đề tài.
- Phương pháp chuyên gia
Tham khảo ý kiến của các chuyên gia để có thể thiết kế chương trình
phù hợp với yêu cầu thực tiễn. Nội dung xử lý nhanh đáp ứng được yêu cầu
ngày càng cao của người sử dụng.
- Phương pháp thực nghiệm
Thông qua quan sát thực tế, yêu cầu của cơ sở, những lý luận được
nghiên cứu và kết quả đạt được qua những phương pháp trên, dùng 3DS Max
để xây dựng mô hình, sau đó dùng ngôn ngữ C# để điều kiển mô hình mô
phỏng nước.

2


5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn khóa luận
Đề tài đem lại một số kiến thức thực tế về ứng dụng mô phỏng nước
vào công nghệ giải trí, nghiên cứu khoa học và mô phỏng những thí nghiệm
có liên quan đến nước trong quá trình giảng dạy tại các trường học.
6. Cấu trúc khóa luận
Luận văn gồm 3 chương với những nội dung chính như sau:

Chương 1: Khái quát về thực tại ảo và mô phỏng nước
Trong chương 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 nước trong hệ thực tại ảo. Tại chương này cũng
đi sâu phân tích những tính chất vật lý, các hiệu ứng cơ bản của nước để làm
cơ sở cho sự trình bày phương pháp mô phỏng nước trong chương 2.
Chương 2: Mô phỏng nước bằng phương pháp Particle
Chương này đưa ra các kỹ thuật mô phỏng hiệu ứng nước thông thường
và giới thiệu những phương pháp mô phỏng mà người ta đã dùng để tạo ra các
hiệu ứng nước. Đặc biệt là trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp Particle
một phương pháp được sử dụng hiệu quả trong mô phỏng nước.
Chương 3: Chương trình thử nghiệm
Chương này dựa vào các cơ sở lý thuyết trình bày ở chương trước để
viết chương trình thử nghiệm mô phỏng nước bằng phương pháp Particle.
Phần cuối chương trình bày một số kỹ thuật liên quan khác được sử dụng
trong xây dựng chương trình thử nghiệm như VRML, Billboard.

3


Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ
MÔ PHỎNG NƯỚC
1.1. Khái quát về thực tại ảo (VR-Virtual Reality)
Thực tại ảo có tiềm năng ứng dụng vô cùng to lớn trong đời sống xã hội
của con người và sự phát triển chung của thế giới.
1.1.1. Định nghĩa
Thực tại ảo (VR - Virtual Reality) ra đời vào khoảng đầu thập kỷ 90 và
phát triển tập trung tại các nước phương Tây (chủ yếu là Mỹ và Châu Âu). Nó
đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng
rãi trong mọi lĩnh vực (nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tại cũng

như thương mại, giải trí,…). Thuật ngữ “Virtual Reality” - Thực tại ảo - được
đưa ra bởi Jaron Lanier (người sáng lập ra công ty VPL Research, tại
Redwood - California, một trong những công ty đầu tiên cung cấp các sản
phẩm cho môi trường ảo, virtual envinment). Thực tại ảo được định nghĩa
theo nhiều cách khác nhau, xét trên phương diện chức năng để đánh giá thì có
thể hiểu: Thực tại ảo là một hệ thống mô phỏng, trong đó đồ hoạ máy tính
được sử dụng để tạo ra một thế giới “như thật”. Hơn nữa, thế giới “nhân tạo”
này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tức tín hiệu vào)
của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói,…). Điều này xác định một đặc
tính chính của Thực tại ảo đó là khả năng tương tác với thời gian thực (realtime interactivity). Thời gian thực ở đây được hiểu là máy tính có khả năng
nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế
giới ảo. 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. Tương tác và khả năng thu
hút của Thực tại ảo góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm (immersion), cảm
giác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà người sử dụng đang
trải nghiệm. Thực tại ảo còn đẩy cảm giác này “thật” hơn nữa nhờ tác động
4


lên tất cả các kênh cảm giác của con người. Trong thực tế, người dùng không
những nhìn thấy đối tượng đồ hoạ 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).
Từ các phân tích trên, chúng ta có thể thấy định nghĩa sau đây của C.
Burdea và P. Coiffet tương đối chính xác về Thực tại ảo:
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 và tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác. Đó

là ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác, vị giác [10].

Hình 1.1. Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức)
1.1.2. Đặc điểm của một hệ thống thực tại ảo
 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 thông
5


tin với những gì mà ta muốn làm. Khả năng tập trung vào công việc dường
như là điều kiện tiên quyết đối với sự thành công. 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 kiến cho rất nhiều ngành công nghiệp đang khai phá cách
sử dụng các môi trường ảo.

Hình 1.2. Sử dụng tay điều khiển và mũ chụp ảo
 Tính tương tác (Interactive): Có hai khía cạch là sự điều hướng và
động lực học của môi trường. Sự điều hướng (navigation) chỉ đơn giản là khả
năng của người dùng để di chuyển khắp nơi một cách độc lập, cứ như là đang
ở trong một môi trường thật, 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 soát điểm nhìn,
hoặc di chuyển trong khắp thiết kế. Động lực học của môi trường là những
quy tắc về cách thức mà nội dung của nó (người, vật,… và mọi thứ) tương tác
với nhau trong một trật tự để trao đổi năng lượng hoặc thông tin.

6

Hình 1.3. Tái tạo không gian phố cổ Hà Nội bằng mô phỏng
thực tại ảo
 Tính tưởng tượng (Imagination): Thực tại ảo không chỉ là một hệ
thống tương tác giữa người và máy, 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 Thực tại ảo 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 Thực tại ảo.
Do đó, có thể coi Thực tại ảo là tổng hợp của ba yếu tố: tương tác –
đắm chìm – tưởng tượng [9],[10].

Hình 1.4. Các đặc tính chính của Thực tại ảo
7


1.1.3. Một số loại hệ thống thực tại ảo
 Hệ thống Window on a World còn gọi là Desktop VR, là các chương
trình thực tại ảo chạy trên các máy tính cá nhân. Các hệ thống này ra đời từ
rất sớm, tuy nhiên chúng chỉ là các ứng dụng đồ hoạ máy tính nhỏ luôn gặp
phải khó khăn là làm thế nào để hình ảnh, âm thanh và các đối tượng hoạt động
như trong thực tế.
 Hệ thống kết hợp các hình ảnh video với các hình ảnh đồ hoạ 2D làm
cho chúng ta có cảm giác người được quay video đang tương tác với các đối
tượng. Phương pháp này được áp dụng từ cuối những năm 1960 và được mô
tả chi tiết trong 2 cuốn sách "Artificial Reality" và "Artificial Reality II" của
Myron Kruger. Nó đã được áp dụng vào hệ thống thương mại Mandala của
kênh truyền hình cáp Nickelodeon cho chương trình giải trí mà trong đó
những người dự thi xuất hiện với những hình ảnh rất lớn và ngộ nghĩnh.
 Hệ thống immersive là các hệ thống mà người sử dụng dùng thiết bị

đặc biệt như màn hình gắn trên đầu (head - mounted display HMD), kính đặc
biệt, các bộ cảm ứng và đắm chìm vào bên trong thế giới ảo do các thiết bị
này tạo ra. Hệ thống quan sát từ xa (telepresence systems) kết nối các bộ cảm
biến từ xa đặt trong thế gíới thực với các giác quan của người vận hành. Ví
dụ: chúng ta gắn các bộ cảm biến vào các cơ quan trên cơ thể và đeo một
chiếc kính thực tại ảo. Chiếc kính này nhận các tín hiệu quan sát được từ vị trí
của một robot ở một khoảng cách xa và chúng ta sẽ thấy những gì mà robot
thấy để rồi chúng ta có các phản ứng như chính ta đang nhìn thấy các hình
ảnh đó. Các phản ứng này, theo các bộ cảm biến được nối với máy tính sẽ
chuyển đến các bộ phận tương ứng của robot, kết quả là robot sẽ bắt chước
các hoạt động của chúng ta. Điều này thực sự ý nghĩa nếu robot được đặt trên
một hành tinh xa xôi hay trong lòng núi lửa. Hệ thống hỗn hợp (mixed

8


realityseamless simulation systems), là sự kết hợp các hệ thống hiện thực ảo
đã trình bày ở trên.
1.1.4. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo
Tổng quát một hệ thống VR bao gồm những thành phần sau:

Hình 1.5. Các thành phần của một hệ thống VR
 HW (Hardware - phần cứng)
Phần cứng của một VR bao gồm:
 Các thiết bị đầu vào (Input devices): bao gồm những thiết bị 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 (head trackers), 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,...
9


 Bộ giả lập thực tại ảo (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 đa phương tiện; cung cấp cho bộ tác
động những thông tin giác quan cần thiết. Trong hệ thống mô phỏng cabin lái,
thì mô 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 nguyên tắc có thể dùng bất cứ ngôn ngữ
lập trình hay phần mềm đồ họa nào để mô hình hóa (modelling) và mô phỏng
(simulation) các đối tượng của VR. Ví dụ như các ngôn ngữ (có thể tìm miễn
phí): Open GL, Open Scene Graph, C++, Java 3D,VRML, X 3D,... hay các
phần mềm thương mại như World Tool Kit, People Shop,...
Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính:
Tạo hình và Mô phỏng. Các đối tượng hình học (geometry), thành phần này
bao gồm những thông tin mô tả các thuộc tính vật lý (hình dạng, màu sắc, vị
trí...) của các đối tượng trong môi trường ảo. Thông 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 mô phỏng động học,
động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tượng.
1.1.5. Một số lĩnh vực ứng dụng chính của thực tại ảo
Thực tại ảo có rất nhiều ứng dụng trong hầu như tất cả các lĩnh vực:

 Giáo dục: Mô phỏng các thí nghiệm, các phản ứng hoá học, xây dựng
các phần mềm mô phỏng,… Ở các nước phương Tây việc ở nhà học qua
Internet không còn là điều mới mẻ. Công nghệ VR sẽ làm cho việc này trở
nên thú vị hơn nhiều. Người học có thể điều khiển một nhân vật đại diện cho
mình đi lại trong một trường học ảo được xây dựng trên máy tính. Người học
cũng có thể tham gia vào bất cứ lớp ảo nào mà họ thích và nói chuyện với
những thành viên khác trong lớp.
10


Hình 1.6. Cảnh sinh hoạt trong lớp học ảo
 Y học: Việc tìm kiếm các mẫu, mô hình làm thí nghiệm (nhất là đối với
cơ thể người) là vấn đề khó khăn, do kinh phí đắt, hoặc do không có các bộ
phận, hoặc do vấn đề văn hoá dân tộc,… nên việc lập các chương trình, phần
mềm để mô phỏng các bộ phận cơ thể người, các quá trình giải phẫu, các
bệnh là một nhu cầu rất cần thiết, nó không chỉ cung cấp thư viện thông tin dữ
liệu cần thiết mà thông qua đó cũng giúp cho không chỉ sinh viên, bác sĩ, mà
ngay cả những người bệnh nếu muốn cũng có thể tìm hiểu, vì vấn đề được
trực quan hoá nên dễ hiểu và dễ được nắm bắt.

Hình 1.7. Mô phỏng quá trình đào tạo phẩu thuật ảo
11


 Giải trí: Trong giải trí có thể kể đến hai lĩnh vực đó là điện ảnh và
game. Trong điện ảnh ngày nay con người có thể dựng được những thước
phim tưởng chừng như không thể dựng được với các kỹ xảo điện thông
thường, ví dụ trong một số cảnh của phim vua bọ cạp,… Khi xem các phim
này bạn sẽ có cảm giác như đang sống trong chính bộ phim như thể bạn là
một nhân vật của bộ phim chứ không phải bạn đang xem phim. Game 3D hiện

nay đã trở thành một ngành công nghiệp thu được nhiều lợi nhuận. Các trò
chơi với sự hỗ trợ của thực tại ảo sẽ cho bạn có cảm giác như đang thực sự
tham gia vào vai diễn mà bạn đảm nhiệm trong trò chơi.

Hình 1.8. Hệ thống trong lĩnh vực giải trí 3D
 Khoa học kỹ thuật: Với sự giúp đỡ của thực tại ảo, ngày nay con người
không những có thể xem được hình ảnh trực quan của các thiết bị cần sản
xuất mà thậm chí người ta còn có khả năng sử dụng hay thay đổi các chi tiết
của các thiết bị đó. Việc này nhằm giúp cho các ngành khoa học và các kỹ sư
thuận lợi hơn trong việc tạo ra một sản phẩm hợp ý muốn mà không cần tốn
nhiều chi phí.

12


Hình 1.9. Các kỹ sư đang thay đổi các chi tiết cho chiếc xe hơi ảo
 Kiến trúc: Trong nhiều năm trở lại đây, thực tại ảo đã được sử dụng để
xây dựng mô hình của các dự án kiến trúc trước khi các dự án này đưa vào
thực tế, nhằm giúp cho người sử dụng có cái nhìn tổng quan và chi tiết về các
dự án đó.

Hình 1.10. Mô phỏng trong thiết kế kiến trúc cầu 3D
Bên cạnh đó, thực tại ảo cũng được sử dụng để tái hiện lại các công
trình kiến trúc cổ, nhằm lưu giữ lại các di sản văn hoá.
13


Hình 1.11. Một góc của Văn Miếu Quốc Tử Giám trên mô hình 3D
 Quân sự: Với việc phát triển của VR, các binh sĩ sẽ được huấn luyện
một cách trực quan nhất các kĩ năng cần thiết như: lái máy bay, lái xe tăng,…

trước khi tham gia vào trận chiến thực tế. Điều này vừa bảo đảm an toàn cho
binh sĩ, vừa tiết kiệm được chi phí cho khoá huấn luyện thực tế.

Hình 1.12. Ứng dụng của VR trong quân sự
Như vậy, thực tại ảo có ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc
sống. Qua đó cũng nhận thấy được ý nghĩa to lớn của việc ứng dụng thực tại ảo.

14


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 [10].
1.2. Mô phỏng nước
1.2.1. Khái quát về mô phỏng
a. Khái niệm
Mô phỏng (simulation) là quá trình “bắt chước” các sự vật, hiện tượng
có thực trong thiên nhiên, trong cuộc sống của con người. Hay nói cách tổng
quát là quá trình thiết kế một mô hình của hệ thống thật, và thực hiện các thử
nghiệm trên mô hình đó nhằm mục đích hiểu được hoạt động của nó. Công
nghệ mô phỏng đã xuất hiện từ rất lâu và đã phát triển mạnh ở các nước châu
Âu và một số nước châu Á, nhưng ở Việt Nam mấy năm gần đây công nghệ
này mới thực sự được quan tâm và đầu tư thích đáng.
b. Phân loại
Mô phỏng nói chung có 2 dạng chính: Mô phỏng tĩnh và mô phỏng
động.
 Mô phỏng tĩnh: Là dạng mô phỏng chỉ thể hiện được mô hình tĩnh,
trong kết quả mô phỏng không có sự chuyển động, không có sự biến đổi. Đây
là dạng mô phỏng thường chỉ áp dụng cho các vật tĩnh, nó là dạng mô phỏng
đơn giản nhất.

Hình 1.13. Mô phỏng tĩnh vật
15


 Mô phỏng động: Mô phỏng động được tách thành 2 loại, đó là mô
phỏng động theo thời gian thực và mô phỏng động không theo thời gian thực:
 Mô phỏng động theo thời gian thực: Là dạng mô phỏng đối tượng có sự
chuyển động hoặc có tính chất thay đổi theo thời gian, không gian, và khi có
tương tác thì hệ phải đáp ứng sự kiện đó trong một khoảng thời gian nhất
định. Đây là dạng mô phỏng phức tạp nhất, khó khăn nhất, nhưng đó lại là
một đặc tính của Thực tại ảo.
 Mô phỏng động không theo thời gian thực: Đây là dạng mô phỏng
không quan tâm tới thời gian đáp ứng của yêu cầu. Nó phù hợp cho xây dựng
các hệ mô phỏng không có sự tương tác nhiều, không cần đáp ứng thời gian.

Hình 1.14. Mô phỏng đối tượng động
c. Xu hướng thực hiện mô phỏng
Cho đến nay, thường có 2 xu hướng để thực hiện mô phỏng:
Thứ nhất: Dùng các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++,… để
thực hiện các mô hình 3D. Cách này không đòi hỏi sự chạy đua về công nghệ
cũng như cấu hình mạnh của phần cứng, nó có thể thực hiện các mô phỏng
phức tạp đòi hỏi sự chính xác cao. Tuy nhiên nó không được nhiều người sử
dụng vì đó không phải là một công cụ đơn giản, nó đòi hỏi trình độ lập trình
cao, các thuật toán phức tạp, chính xác và khối lượng thời gian rất lớn. Mặt dù
ít được ưa thích nhưng đôi khi nó lại là lựa chọn duy nhất cho những ai muốn
mô phỏng chính xác các hiện tượng tự nhiên đúng với bản chất của nó.
16


Thứ hai: Sử dụng các công cụ mô phỏng đã được xây dựng sẵn. Cách

này không đòi hỏi trình độ lập trình cao, không tốn nhiều thời gian thực hiện
nhưng nó chỉ phù hợp với các mô phỏng có tính chất mô hình, không yêu cầu
độ chính xác cao và không yêu cầu thể hiện đúng bản chất vật lý của hiện
tượng. Một nhược điểm là nhiều khi nó yêu cầu cấu hình hệ thống mạnh để
cài đặt công cụ và chạy chương trình. Tuy nhiên, hiện nay cách này đang rất
phổ biến, rất được ưa chuộng, nhất là trong các công việc làm game, làm
web,… Một số công cụ mô phỏng thông dụng là: 3DSMax, Flash, Maya,…
1.2.2. Mô phỏng chất lỏng
Mô phỏng chất lỏng có thể coi là một trong những công việc khó khăn
nhất, phức tạp nhất của công nghệ mô phỏng. Ví dụ như mô phỏng nước,
nước có thể nói là thành phần không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi chúng
ta. Nước phục vụ đời sống hàng ngày, phục vụ sản xuất nông nghiệp,... Mô
phỏng nước ở dạng mô phỏng động theo thời gian thực hoặc không theo thời
gian thực. Để mô phỏng nước mà chỉ cần 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 nước động không theo thời gian thực ta có thể thực hiện
bằng cách sử dụng các mặt phẳng được áp dụng vật liệu nước trượt lên nhau
(trong Flash), hay để mô phỏng vòi nước chảy theo thời gian thực ta sử dụng
thành phần Particel System trong 3DsMax. Nhưng để mô phỏng được nước
đúng với các tính chất vật lý của nó và hiệu ứng của nước theo thời gian thực
thì quả là một công việc không dễ dàng mà cho đến nay kết quả nghiên cứu
được vẫn còn hạn chế [10].
Không giống với các loại vật chất khác, nước tồn tại ở rất nhiều trạng
thái và có tính chất rất phức tạp. Do đó, muốn mô phỏng thành công chất lỏng
nói chung và nước 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 nước, nhưng ở đây chúng ta giới hạn
việc phân loại nước theo hình dạng.
17

Có 4 dạng chính:
 Dòng nước
 Giọt nước
 Khối nước
 Mặt nước
Dưới tác dụng khác nhau của ngoại lực thì các dạng nước trên sẽ biến
đổi thành dạng và chuyển động khác nhau. Chúng ta có thể xét các trường
hợp sau:


Dòng nước:
 Dòng nước chảy gặp vật rắn cản
 Dòng nước (nước trong kênh, sông) va vào bờ
 Dòng nước chảy từ cao xuống thấp

Ví dụ: nước chảy ở đỉnh đập xuống, nước ở các thác.


Giọt nước:
 Giọt nước rơi xuống mặt nước
 Giọt nước rơi nằm trên các bề mặt:
+ Giọt nước trên bề mặt lá
+ Giọt nước trên bề mặt các chất rắn



Khối nước:
 Khối nước tan chảy
 Khối nước dưới tác dụng của chất rắn



Mặt nước:
 Mặt nước dao động bình thường
 Mặt nước khi có vật rắn rơi xuống
 Mặt nước khi có mưa
 Mặt nước khi có gió mạnh

18