Tìm hiểu bài toán mô phỏng lửa trong thực tại ảo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

VŨ THỊ HOÀNG ANH

TÌM HIỂU BÀI TOÁN
MÔ PHỎNG LỬA TRONG THỰC TẠI ẢO

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Sư phạm Tin học

HÀ NỘI – 2016


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

VŨ THỊ HOÀNG ANH

TÌM HIỂU BÀI TOÁN
MÔ PHỎNG LỬA TRONG THỰC TẠI ẢO
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Sư phạm Tin học

Người hướng dẫn khoa học
PGS.TS Đỗ Năng Toàn

HÀ NỘI – 2016


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp của mình em xin bày tỏ
lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS. Đỗ Năng Toàn – người đã tận
tình hướng dẫn, truyền đạt cho em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu
trong suốt thời gian làm khóa luận này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Công
nghệ thông tin, trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã 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, nhưng do thời gian và trình độ chuyên môn
còn hạn chế nên khóa luận của em không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy
em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy giáo, cô giáo và các bạn để
khóa luận tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn.
Kính chúc các thầy cô sức khỏe và thành công trong sự nghiệp đào tạo.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 30 tháng 4 năm 2016
Sinh viên

Vũ Thị Hoàng Anh


LỜI CAM ĐOAN
Tên em là: Vũ Thị Hoàng Anh
Sinh viên lớp: K38 – Sư phạm Tin học, khoa Công nghệ Thông tin,
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2
Em xin cam đoan:
1. Đề tài “Tìm hiểu bài toán mô phỏng lửa trong thực tại ảo” là kết
quả nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS.Đỗ Năng Toàn và
có sử dụng tài liệu tham khảo của một số tác giả.
2. Khóa luận không sao chép từ các tài liệu sẵn có.
3. Kết quả nghiên cứu không trùng lặp với các tác giả khác.

Nếu sai em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 30 tháng 4 năm 2016
Sinh viên thực hiện

Vũ Thị Hoàng Anh


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN MÔ
PHỎNG LỬA .................................................................................................. 4
1.1.

Tổng quan về Thực tại ảo và ứng dụng ............................................. 4

1.1.1.

Khái niệm Thực tại ảo ................................................................. 4

1.1.2.

Lịch sử phát triển ........................................................................ 5

1.1.3.

Đặc điểm của Thực tại ảo ........................................................... 8

1.1.4.

Các thành phần của hệ thống thực tại ảo .................................... 9

1.1.5.

Ứng dụng của Thực tại ảo ......................................................... 11

1.2.

Bài toán Mô phỏng lửa và ý nghĩa .................................................. 11

1.2.1.

Bài toán Mô phỏng lửa.............................................................. 11

1.2.2.

Ý nghĩa của Mô phỏng lửa ........................................................ 13

1.2.3.

Một số ứng dụng của Mô phỏng lửa trong giáo dục ................. 14

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LỬA
PARTICLE - BASED ................................................................................... 18
2.1.

Giới thiệu ......................................................................................... 18

2.1.1.

Định nghĩa Particle System ....................................................... 18

2.1.2.

Đặc tính của Particle System .................................................... 18

2.2.

Mô phỏng lửa lửa bằng phương pháp Particle – Based .................. 20

2.3.

Phương pháp mô phỏng................................................................... 21

2.3.1.

Mô hình khí ............................................................................... 21

2.3.2.

Mô hình hạt ............................................................................... 23

2.3.3.

Nổ, phân tán và đánh lửa .......................................................... 25

2.3.4.

Sự tương tác và quá trình cháy ................................................. 27

2.4.

Phương pháp dựng hình .................................................................. 30

CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ......................................... 34
3.1.

Bài toán ............................................................................................ 34

3.2.

Phân tích thiết kế và lựa chọn công cụ ............................................ 34

3.2.1.

Xây dựng mô hình mô phỏng ................................................... 35

3.2.2. Lựa chọn ngôn ngữ lập trình và điều khiển chương trình ......... 35
3.3.

Kết quả mô phỏng ........................................................................... 36

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................... 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 40


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Một số thí nghiệm về lửa môn khoa học lớp 4 ............................... 15
Bảng 1.2: Một số thí nghiệm về lửa trong giáo trình lý thuyết cháy .............. 16

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D ................. 4
Hình 1.2 Từ thực đến ảo.................................................................................... 5
Hình 1.3: Morton L. Heilig và Thiết bị mô phỏng Sensorrama-1960 ............. 6
Hình 1.4: Ivan Sutherland và Thiết bị mô phỏng HMD-1970 .......................... 7
Hình 1.5: Myron Kreuger và Thiết bị VIDEOPLACE-1970............................ 7
Hình 1.6: Scott Fisher, McGreevy và Thiết bị HMD-1984 của NASA ........... 8
Hình 1.7: Đặc tính cơ bản của một hệ thống thực tại ảo................................... 9
Hình 1.8: Các thành phần một hệ thống VR ................................................... 10
Hình 1.9: Ngọn lửa .......................................................................................... 12
Hình 1.10: Mô phỏng các loại đèn dùng đun nóng ở phòng thí nghiệm ........ 14
Hình 2.1: Sơ đồ vòng đời của hạt.................................................................... 25
Hình 2.2: Minh họa kết quả bơm chất lỏng .................................................... 26
Hình 2.3: Một vụ nổ trên mặt phẳng vô hạn ................................................... 28
Hình 2.4: So sánh side-by-side của kết quả mô phỏng ................................... 30
Hình 2.5: Một góc nhìn từ trên xuống của nổ mìn trong hình 2.4 .................. 30
Hình 2.6 : Hai ví dụ súng phun lửa ................................................................. 30
Hình 2.7: Nhiều vụ nổ trên một mặt phẳng vô hạn ......................................... 32
Hình 2.8: Vụ nổ dưới một vòm cố định .......................................................... 32
Hình 2.9: Vụ nổ giữa một nhóm các trụ cột cố định....................................... 32
Hình 2.10: Mặt cắt vụ nổ trong hình 2.6 ......................................................... 33
Hình 3.1: Thông báo yêu cầu nhập số hạt mô phỏng...................................... 36
Hình 3.2: Ngọn lửa tạo bởi 30 hạt ................................................................... 37
Hình 3.3: Ngọn lửa tạo bởi 300 hạt ................................................................. 37
Hình 3.2: Ngọn lửa tạo bởi 1200 hạt ............................................................... 38

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, mô phỏng vi tính đã ngày càng chứng tỏ vai trò quan trọng
trong đời sống xã hội cũng như trong nghiên cứu, khoa học, kỹ thuật và trong
giáo dục. Mô phỏng hiện diện ở hầu như mọi lĩnh vực kinh tế, chính trị, khoa
học, đời sống hiện nay. Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin đã
giúp cho các phần mềm mô phỏng ngày càng đáp ứng được những đòi hỏi
khắt khe và sát với thực tế hơn. Điều này làm cho công nghệ mô phỏng vi tính
phát triển và ứng dụng vào đời sống sâu rộng 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. Nó cũng được xem là một trong
những phát minh quan trọng của nhân loại và trở thành nguồn sống của con
người. Nhờ đó, lửa vừa là sản vật thiêng liêng, vừa là khởi điểm cho những
sinh hoạt văn hóa cộng đồng của người tiền sử... Ngoài duy trì sự sống lửa
còn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất, vui chơi giải trí, giáo
dục...
Để đảm bảo cho việc tính toán và thiết kế các ứng dụng của lửa được
chính xác và sử dụng có hiệu quả vào cuộc sống thì việc mô phỏng những
ứng dụng của lửa trước khi đưa ra ứng dụng là vô cùng quan trọng. Vì vậy,
em đã chọn đề tài: “Tìm hiểu bài toán Mô phỏng lửa trong Thực tại ảo“ để
làm khóa luận tốt nghiệp. Em hi vọng đề tài này sẽ đem lại một số kiến thức
thực tế và ứng dụng của Mô phỏng lửa vào nghiên cứu khoa học, ngăn chặn
các thảm họa, rủi ro do lửa gây ra và ứng dụng mô phỏng vào các thí nghiệm
trong nhà trường, các phân đoạn cháy nổ trong các bộ phim Điện ảnh, truyền
hình.
2. Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu khái quát về Thực tại ảo và bài toán Mô phỏng lửa.
- Tìm hiểu Mô phỏng lửa bằng phương pháp Particle-Based.
1

- Xây dựng chương trình Mô phỏng lửa trong Thực tại ảo.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu bài toán Mô phỏng lửa trong Thực tại ảo và phương pháp
Particle – Based.
- Xây dựng chương trình mô phỏng bằng phương pháp Particle - Based.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Bài toán Mô phỏng lửa trong Thực tại ảo,
phương pháp Particle – Based.
- Phạm vi nghiên cứu: Khóa luận tìm hiểu khái quát về Thực tại ảo, bài
toán Mô phỏng lửa và phương pháp Particle - Based.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Bài toán Mô phỏng lửa trong Thực tại ảo ra đời,
phát triển và có cơ sở khoa học vững chắc. Nghiên cứu sẽ góp phần chứng
minh thêm tính đúng đắn của bài toán và phương pháp mô phỏng.
Ý nghĩa thực tiễn: Xây dựng chương trình mô phỏng bài toán Mô phỏng
lửa nếu thành công sẽ ứng dụng được Mô phỏng lửa vào các thí nghiệm trong
nhà trường giúp học sinh có cái nhìn trực quan hơn và tiếp thu bài tốt hơn.
6. 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 khóa luận và các biện pháp cần thiết để giải quyết
các vấn đề của khóa luận.
- Phương pháp chuyên gia
Tham khảo ý kiến các chuyên gia để có thể thiết kế chương trình phù
hợp với yêu cầu thực tiễn. Nội dung xử lý nhanh đáp ứng 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.
2


7. Cấu trúc khóa luận
Ngoài phần lời cảm ơn, mở đầu, kết luận và hướng phát triển, tài liệu
tham khảo, khóa luận có những nội dung sau:
Chương 1: Khái quát về Thực tại ảo và bài toán Mô phỏng lửa
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.
Chương 2: Phương pháp Mô phỏng lửa Pasticle - Based
Chương này em trình bày phương pháp Mô phỏng lửa Particle – Based.
Chương 3: Chương trình mô phỏng
Chương này thể hiện chương trình mô phỏng ngọn lửa bằng phương pháp
Particle – Based.

3


CHƯƠNG 1:
KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG LỬA
1.1. Tổng quan về 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 như thính giác 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“[4].

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

4


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[4].

Hình 1.2 Từ thực đến ảo
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, song ông cũng đã tạo ra

5


được một thiết bị mô phỏng gọi là "Sensorrama Simulator", thiết bị này được
công bố vào khoảng đầu những năm 1960.

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.

6


Hình 1.4: Ivan Sutherland và Thiết bị mô phỏng HMD-1970
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
7


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 [4].
1.1.3. Đặc điểm 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 đưa người ta vào một thế giới
nhân tạo với không gian như thực tế.
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
8


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 điểm 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
điểm 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 điểm "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, (3I: Interactive - Immersion - Imagination)[5].

Hình 1.7: Đặc tính cơ bản của một hệ thống thực tại ảo
1.1.4. Các thành phần của 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[4].
9


Trong đó, Phần cứng và Phần mềm là hai thành phần quan trọng nhất

.
Hình 1.8: Các thành phần một hệ thống VR
a, 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,...
 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,...
b, 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
10


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. 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 vực 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.
1.2. Bài toán Mô phỏng lửa và ý nghĩa
1.2.1. Bài toán Mô phỏng lửa

a, 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.
11


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)

Hình 1.9: Ngọn lửa

12


 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…
b, Bài toán 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.
1.2.2. 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…

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.
13


Mô phỏng lửa rất thiết thực 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:

b. Đèn cồn

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

c. Đèn khí Bunsen

Hình 1.10: Mô phỏng các loại đèn dùng đun nóng ở phòng thí nghiệm
Tóm lại, việc xây dựng các mô hình mô phỏng 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.
1.2.3. Một số ứng dụng của 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
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.
14


Sau đây em xin thống kê một số thí nghiệm trong lĩnh vực khoa học, vật lý về
lửa có thể sử dụng phương pháp mô phỏng.
a. Chương trình giáo dục 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

Nội dung mô phỏng

Kết quả

Bài 32: Không Đốt cháy một cây nến gắn vào đĩa
1

khí

gồm thủy tinh, rồi rót nước vào đĩa.

những

thành Lấy một lọ thủy tinh úp lên cây

phần nào?

nến đang cháy.
Dùng 2 cây nến như nhau và 2 lọ
thủy tinh không bằng nhau. Úp 2
lọ thủy tinh vào hai cây nến đang
cháy.

Cây nến trong lọ
nhỏ tắt trước, trong
lọ to chay lâu hơn.
Ngọn nến trong bị

Bài 35:
2

Cây nến bị tắt

Không khí cần
cho sự cháy

Dùng 1 lọ thủy tinh không có đáy, tắt vì không khí
úp vào cây nến đang cháy.

trong

lọ

không

được lưu thông.
Dùng 1 lọ thủy tinh không có đáy,
úp vào cây nến đang cháy, đế gắn
cây nến khoét một góc.

Không khí ở ngoài
tràn vào tiếp tục
cung cấp oxi để
duy trì ngọn lửa.
Không khí ở ống A

Đặt một cây nến đang cháy dưới nóng lên, nhẹ đi và

Bài 37:
3

Tại
gió?

sao

có

ống A, vài mẩu hương cháy đã tắt bay lên bay, không
lửa nhưng còn bốc khói dưới ống khí ở ống B lạnh,
nặng hơn và đi

B

xuống.

15


b. Chương trình giáo dục chuyên nghiệp, dạy nghề
Giáo trình Lý thuyết cháy dùng cho sinh viên các ngành Cơ khí Động
lực và công nghệ Nhiệt - lạnh cũng có một số thí nghiệm liên quan đến lửa có
thể dùng phương pháp mô phỏng để mô tả (bảng 1.2)
Bảng 1.2: Một số thí nghiệm về lửa trong giáo trình lý thuyết cháy
STT

Bài học

Nội dung mô phỏng
- Các quá trình trong buồng lửa: hỗn hợp, nung

1

Buồng lửa

nóng, phản ứng, truyền nhiệt.
- Mô phỏng diễn biến quá trình hỗn hợp và cháy
theo chiều chuyển động của dòng.

2

Cháy nhiên liệu

Phản ứng cháy: Cháy đồng thể và Cháy không
đồng thể.
- Hỗn hợp trước chảy tầng

Mô phỏng các
3

loại ngọn lửa cơ
bản

- Hỗn hợp trước chảy rối
- Hỗn hợp trước một phần chảy tầng
- Không hỗn hợp trước chảy tầng
- Không hỗn hợp trước chảy rối

4

Cháy

Cháy tầng

động

Cháy rối

học

Sự ổn định của ngọn lửa hỗn hợp trước

Cháy

Cháy

nhiên

khuếch

liệu khí

tán
Ngọn
lửa
xoáy

Cháy tầng
Cháy khuếch tán rối
Sự ổn định ngọn lửa khuếch tán và vật giữ ngọn
lửa
Ngọn lửa của dòng khí xoáy
Ngọn lửa của dòng khí xoáy kép

5

Cháy dầu

Ngọn lửa dầu

6

Cháy than

- Cháy than trong buồng đốt lớp chặt
16

- Cháy than trong buồng đốt tầng sôi
- Cháy than trong buồng đốt than bụi

17