Mô phỏng tính trong suốt của lửa theo nhiệt độ trong thực tại ảo2

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

NGUYỄN THỊ DIỆP HỒNG

MÔ PHỎNG TÍNH TRONG SUỐT CỦA LỬA
THEO NHIỆT ĐỘ TRONG THỰC TẠI ẢO
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60-48-01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

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


ii

Thái Nguyên - 2013


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung luận văn này chưa từng được công
bố hay xuất bản dưới bất kỳ hình thức nào và cũng không sao chép từ bất kỳ
một công trình nghiên cứu nào.
Nội dung bản luận văn này là do tôi tự sưu tầm, nghiên cứu và sắp xếp
cho phù hợp với yêu cầu nội dung của đề tài.
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
Người cam đoan

Nguyễn Thị Diệp Hồng


ii

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu, sự hướng dẫn và chỉ
bảo tận tình của thầy giáo PGS. TS. Đỗ Năng Toàn, Viện Công nghệ Thông
tin thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam là cán bộ trực tiếp hướng
dẫn khoa học cho em trong quá trình thực hiện luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo của Viện Công nghệ
Thông tin và trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học
Thái Nguyên đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt
quá trình học tập tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn các anh, chị cán bộ của phòng VRLAB Viện Công nghệ Thông tin và các bạn học viên lớp cao học khóa 10B Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái
Nguyên đã luôn giúp đỡ, chia sẻ những kinh nghiệm học tập, nghiên cứu
trong suốt khóa học.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 9 năm 2013
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Diệp Hồng


iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................................ II
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ CÁC YẾU TỐ TRONG MÔ PHỎNG LỬA .......................................3
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM............................................................................................ 43
KẾT LUẬN............................................................................................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................................. 50
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN.................................................................51

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................................ II
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ CÁC YẾU TỐ TRONG MÔ PHỎNG LỬA .......................................3
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM............................................................................................ 43
KẾT LUẬN............................................................................................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................................. 50
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN.................................................................51


iv

DANH MỤC CÔNG THỨC
Công thức (1)...................................................................................................19
Công thức (2)...................................................................................................19
Công thức (3)...................................................................................................20
Công thức (4)...................................................................................................20
Công thức (5)...................................................................................................22
Công thức (6)...................................................................................................23
Công thức (7)...................................................................................................32
Công thức (8)...................................................................................................32
Công thức (9)...................................................................................................32

1

MỞ ĐẦU
Ngày nay, Công nghệ Thông tin đã được ứng dụng mạnh mẽ trong hầu
hết các lĩnh vực trong đời sống. Những ứng dụng của nó ngày càng phong
phú, đa dạng và thiết thực. Từ các lĩnh vực như khoa học cơ bản đến các lĩnh
vực kinh tế, kỹ thuật cho đến các lĩnh vực như giải trí, du lịch...; không lĩnh
vực nào không có ứng dụng thiết thực và hiệu quả của Công nghệ thông tin.
Sự phát triển không ngừng của máy tính đã làm cho một số lĩnh vực khó phát
triển trước kia nay đã phát triển và đạt được những thành tựu đáng kể như là:
các hệ chuyên gia, các hệ thống xử lý thời gian thực, ... và lĩnh vực đang được
phát triển mạnh mẽ trên thế giới đó là công nghệ mô phỏng.
Nhìn chung, mô phỏng ở Việt Nam vẫn là một khái niệm khá mới mẻ
nhưng trên thế giới hiện nay ứng dụng của công nghệ mô phỏng trong các
lĩnh vực của đời sống là khá đa dạng và phong phú, nó dường như đã trở
thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống. Vì vậy, nghiên cứu và phát
triển công nghệ mô phỏng sẽ trở thành một hướng nghiên cứu mang nhiều
hứa hẹn.
Việc tái tạo các hiện tượng, sự vật trong thế giới thực trên máy tính có
rất nhiều tác dụng. Cụ thể trong các lĩnh vực như giải trí nó sẽ giúp chúng ta
tạo ra các trò chơi sống động, gần gũi với con người tạo nên sức lôi cuốn
mạnh mẽ. Trong xây dựng nó giúp tạo nên các mô hình thực tại ảo cho chúng
ta cái nhìn trực quan, chính xác về các công trình để từ đó đưa ra những quyết
định, sáng kiến thiết kế về công trình xây dựng. Trong giáo dục thì những thí
nghiệm, những ví dụ minh họa trực quan được mô tả sát thực trên máy tính
giúp cho người học hứng thú, kiến thức được thể hiện rõ ràng hơn, đầy đủ
hơn. Ngoài ra thì còn rất rất nhiều các ứng dụng trong các lĩnh vực khác như y
học, kinh tế, kỹ thuật....
“Thực tại ảo” là lĩnh vực nhằm mô phỏng thế giới thực của con người
vào máy tính, mà trong đó con người có thể tương tác, cảm nhận như trong

2

thế giới thực. Việc mô phỏng thế giới thực là rất cần thiết và có rất nhiều sự
vật hiện tượng cần được mô phỏng; trong đó, lửa là một chất liệu phổ biến và
quan trọng. Lửa được xem là một trong những phát minh quan trọng của nhân
loại, nó đánh dấu bước tiến quan trọng trong văn minh loài người. Nhờ có lửa
con người được ăn thức ăn chín tiệt trùng làm giảm bớt nguy cơ bệnh tật và
chết chóc, cũng nhờ có lửa con người mới biết đốt nóng kim loại để rèn, đúc
cải tạo công cụ lao động giúp tăng năng suất lao động...
Trong thực tế có rất nhiều ngành liên quan trực tiếp đến lửa như: giải
trí, giáo dục, khoa học kỹ thuật, phòng cháy chữa cháy, .... mà việc tương tác
trực tiếp với lửa là rất khó khăn, vì vậy việc mô phỏng các hiệu ứng của lửa là
rất cần thiết để đưa ra cái nhìn trực quan, chính xác về các trạng thái, tính chất
của lửa khi tương tác với các đối tượng khác hay chính các đối tượng lửa với
nhau. Vì tính ứng dụng rất rộng rãi của lửa như vậy nên tôi đã chọn đề tài MÔ
PHỎNG TÍNH TRONG SUỐT CỦA LỬA THEO NHIỆT ĐỘ TRONG
THỰC TẠI ẢO để làm luận văn tốt nghiệp.
Luận văn tốt nghiệp gồm có 3 chương.
Chương 1: Khái quát thực tại ảo và các yếu tố trong mô phỏng lửa
Chương 2: Trình bày yếu tố trong suốt trong mô phỏng lửa
Trong đó đưa ra cơ sở lý thuyết để xây dựng kỹ thuật mô phỏng lửa và
độ trong suốt của lửa phụ thuộc theo nhiệt độ.
Chương 3: Chương trình thử nghiệm
Giới thiệu bài toán và một số kết quả đạt được của chương trình.


3

Chương 1: KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ CÁC YẾU TỐ TRONG MÔ
PHỎNG LỬA
1.1. Khái quát về thực tại ảo
1.1.1. Định ngĩa
VR - Virtual Reality - Thực Tại Ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện
khoảng đầu thập kỷ 90, nhưng ở Mỹ và châu Âu VR (Thực tại ảo) 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 tạo cũng như thương
mại, giải trí,..) tiềm năng kinh tế, cũng như tính lưỡng dụng (trong dân dụng,
quân sự) của nó. Thuật ngữ "Virtual Reality" - thực tại ảo - được đưa ra bởi
Jaron Lanier (người sáng lập công ty VPL Research, tại Redwood California, một trong những công ty đầu tiên cung cấp các sản phẩm cho môi
trường ảo, virtual environment). 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 VR tương đối chính xác như sau “VR- Thực Tế 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. Đó là ngũ giác gồm: thị
giác, thính giác, xúc giác, khứu giác, vị giác”[6].
1.1.2. Các đặc điểm chính của thực tại ảo
Tương tác (Interactive): 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". Hơn
nữa, thế giới "nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý
muốn (tín hiệu vào) của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói,...). Người sử
dụng tương tác với mô hình ảo, trong đó tương tác được mô phỏng từ thao tác
với các đối tượng thực. Điều này xác định một đặc tính chính của thực tại ảo,


4

đó là tương tác thời gian thực (real-time interactivity). Thời gian thực ở đây

có nghĩa 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. Điều này chúng ta có thể nhận thấy ngay khi quan sát trẻ nhỏ chơi
video game.
Đắm chìm (Immersion): Các phương pháp hiển thị có độ phân giải và
tốc độ cao lôi cuốn người sử dụng tạo cảm giác như trong thực tế. Khả năng
thu hút của thực tại ảo 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 thực tại ảo 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), nhiều nghiên cứu hiện nay đã nghiên cứu để tạo các cảm giác khác như
ngửi (khứu giác), nếm (vị giác). Tuy nhiên hiện nay trong thực tại ảo các cảm
giác này cũng ít được sử dụng đến.
Tưởng tượng (Imagination): Ngoài 2 đặc tính chính của thực tại ảo là
Tương tác và Đắm chìm mà nhiều người đã biết. Thì thực tại ảo còn có 1 đặc
tính thứ 3 mà ít người để ý tới. Thực tại ảo 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 thực tại ảo thiết kế, điều này phụ thuộc rất nhiều vào khả
năng “tưởng tượng” của con người. Do đó có thể coi thực tại ảo là tổng hợp
của 3 yếu tố: Tương tác- Đắm chìm- Tưởng tượng, (3 chữ “I” trong tiếng
Anh: Interactive- Immersion- Imagination).


5

1.1.3. Một số loại hệ thống thực tại ảo [6]
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
realityseamless simulation systems), là sự kết hợp các hệ thống hiện thực ảo
đã trình bày ở trên.

6

1.1.4. Các thành phần của hệ thống thực tại ảo
Hệ thống thực tại ảo bao gồm 3 thành phần chính sau: HW (phần
cứng), bộ giả lập thực tại (reality simulator), ứng dụng (application).
 HW (phần cứng)
Phần cứng của một VR bao gồm:
Các thiết bị đầu vào (Input devices): Chúng bao gồm những thiết bị
đầu ra có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện
hữu trong thế giới ảo. Chẳng hạn như màn hình đội đầu HMD, chuột, các tai
nghe âm thanh nổi - và những thiết bị đầu vào có khả năng ghi nhận nơi
người sử dụng đang nhìn vào hoặc hướng đang chỉ tới, như thiết bị theo dõi
gắn trên đầu (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,...

 Bộ giả lập thực tại (reality simulator)
Là trái tim của hệ thống thực tại ảo, bao gồm hệ thống máy tính và
phần cứng ngoại vi, thiết bị đồ hoạ và multimedia; cung cấp cho bộ tác động
những thông tin 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 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

7

ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào để mô hình hóa (modelling) và mô
phỏng (simulation) các đối tượng của thực tại ảo. Ví dụ như các ngôn ngữ (có
thể tìm miễn phí) Open GL, Open Scene Graph, Open SG, C++, Java 3 D,
VRML, X3D, ...hay các phần mềm thương mại như World Tool Kit, People
Shop,Ve Ga...
Phần mềm của bất kỳ thực tại ảo nào cũng phải bảo đảm 2 công dụng
chính: Tạo hình và Mô phỏng. Các đối tượng của thực tại ảo được mô hình
hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang từ mô hình 3D (thiết kế nhờ
các phần mềm CAD khác như AutoCAD, 3D Studio, ....). Sau đó phần mềm
thực tại ảo phải có khả năng mô phỏng động học, động lực học, và mô phỏng
ứng xử của đối tượng.
1.1.5. Một số ứng dụng chính của thực tại ảo
Tại các nước phát triển, chúng ta có thể nhận thấy 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 robot, 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. Có thể nói tóm lại một
điều: 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.


8

1.2. Các yếu tố trong mô phỏng lửa
1.2.1. Công nghệ mô phỏng
Mô phỏng là quá trình “bắt chước” các sự vật, hiện tượng có thật trong
thực tế cuộc sống của con người. Công nghệ mô phỏng đã xuất hiện từ rất lâu
và đã phát triển mạnh ở các nước châu Âu và một số nước ở châu Á, nhưng ở
Việt Nam thì công nghệ này những năm gần đây mới được quan tâm và đầu
tư thích đáng. 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. Đây là dạng mô phỏng thường chỉ
áp dụng cho các sự vật. Đây là dạng mô phỏng đơn giản nhất
 Mô phỏng động: dạng mô phỏng này được tách làm 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 mà trong kết
quả của nó có sự chuyển động và chuyển động đó thay đổi theo thời gian. Đây
là dạng mô phỏng phức tạp nhất, khó nhất. Nó thường được áp dụng để thực
hiện mô phỏng các hiện tượng tự nhiên hoặc các qui trình nào đó hay hoạt
hình... Trong dạng mô phỏng này, hiện nay đang nổi bật một công nghệ mới
đó là công nghệ “thực tại ảo”.
Với công nghệ này con người có thể tương tác trực tiếp với thế giới ảo
thông qua các kênh cảm giác như: thị giác, thính giác, xúc giác; các nhà
nghiên cứu đang tìm cách cải tạo những cảm giác như khứu giác và vị giác
trong thế giới ảo.
- Mô phỏng động không theo thời gian thực: đây là dạng mô phỏng mà
trong kết quả của nó có sự chuyển động nhưng các chuyển động đó không
thay đổi theo thời gian.


9

Cho đến nay, thường có 2 xu hướng thực hiện mô phỏng:
Cách thứ nhất: dùng các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C+
+,... để thể 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 công việc đơn giản, nó đòi hỏi
trình độ lập trình cao, các kỹ thuật phức tạp, chính xác và khối lượng thời
gian rất lớn. Mặc 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.
Cách 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 kém 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 nữa là nhiều khi nó còn yêu cầu hệ thống có cấu hình
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 games,
làm web, ... Một số công cụ mô phỏng thông dụng là: 3DSMax, Maya, ....
1.2.2. Ứng dụng
Các ứng dụng của công nghệ mô phỏng (đặc biệt là công nghệ thực tại
ảo) vô cùng phong phú và đa dạng. Chúng có mặt trong hầu hết các lĩnh vực
trong đời sống con người.
- Khoa học quân sự, quốc phòng: hiện nay những ứng dụng của công
nghệ mô phỏng trong lĩnh vực này khá phong phú như huấn luyện lính, thử
nghiệm vũ khí, phương tiện chiến tranh, bản đồ hóa từng khu vực (hệ thống
định vị toàn cầu), ...


10

Hình 1.1. Hệ thống huấn luyện quân sự ảo
- Giáo dục, đào tạo: việc học bằng các hình ảnh trực quan giúp tiếp thu
nhanh hơn và hiệu quả hơn các phương pháp khác. Vì vậy, công nghệ mô
phỏng đã và đang trở thành một công cụ hữu hiệu trong giáo dục, đặc biệt với
lứa tuổi trẻ em. Ngoài ra, nó cũng là một phương tiện giáo dục hết sức mạnh
mẽ đối với một số ngành nghề đòi hỏi phải thực hành như huấn luyện phi
công, lái xe, ...

Hình 1.2. Hệ thống tập lái xe ảo


11

- Y học: Đây là lĩnh vực nhiều triển vọng của công nghệ mô phỏng, đặc
biệt là thực tại ảo. Hiện nay trên thế giới thì sự ứng dụng thực tại ảo vào y học
là rất phong phú, ta có thể kể đến một số ứng dụng sau: Trong phẫu thuật bác
sĩ đã có thể tiến hành các cuộc phẫu thuật trong môi trường ảo mà không cần
bệnh nhân mà vẫn như đang phẫu thuật trên bệnh nhân thật, họ cũng có thể
tiến hành các cuộc phẫu thuật từ xa thông qua các thiết bị của thực tại ảo.

Hình 1.3. Hệ thống phẫu thuật ảo
- Thiết kế: Với sự trợ giúp của công nghệ mô phỏng, trong thiết kế hiện
nay không chỉ đơn thuần là những thiết kế nữa mà nó tiến gần tới sản phẩm
thực. Không những con người có thể xem được hình ảnh trực quan của thiết
bị cần thiết mà thậm chí còn có khả năng đi vào, thậm chí là sử dụng các thiết
bị đó. Ví dụ với một cái ô tô người sử dụng không những được xem mọi ngóc
ngách của nó mà còn có thể lái thử xe trong môi trường ảo. Với một bản thiết
kế xây dựng không những khách hàng có thể nhìn thấy các hình ảnh của nó
mà còn có thể đi lại xem chi tiết từng phòng, từng khu vực của kiến trúc đó

với mọi góc nhìn có thể.


12

- Giải trí: Hiện nay ngành giải trí là ngành đạt được nhiều thành tựu và
thu được nhiều lợi nhuận nhất của công nghệ mô phỏng. Trong giải trí có thể
kể đến hai lĩnh vực chính đó là điện ảnh và game. Trong điện ảnh ngày nay
thì con người có thể dựng được những thước phim tưởng chừng như không
thể dựng được với các kỹ xảo điện ảnh thông thường, ví dụ trong một số cảnh
của phim Tân Tây Du Ký, Vua Bọ Cạp, … Cùng với nó các phim thực tại ảo
ba chiều cũng được sản xuất và trình chiếu tại các rạp chiếu phim 3D, 4D.
Khi xem các phim này bạn có cảm giác như đang được sống trong chính bộ
phim, như thể mình là một nhân vật của bộ phim chứ không phải là khán giả
đang xem. Bên cạnh đó Game 3D hiện nay cũng trở thành một ngành công
nghiệp thu được nhiều lợi nhuận. Ở nước ta hiện nay thì game thực tại ảo
chưa được biết đến nhiều, song ở các nước tiên tiến thì đây là một ngành giải
trí mang lại lợi nhuận khổng lồ, ví dụ như ở Anh, Mỹ, Nhật …Các trò chơi
với sự hỗ trợ của thực tại ảo sẽ mang đến một cảm giác thực sự như ta đang
đảm nhiệm một nhiệm vụ trong trò chơi.
Tóm lại, với các ứng dụng đa dạng và nhu cầu thực tế thì công nghệ mô
phỏng đang ngày càng phát triển mạnh mẽ hơn, thu hút sự quan tâm của mọi
người nhất là những người quan tâm đến sự phát triển của công nghệ nói
chung và công nghệ thông tin nói riêng. Ở nước ta hiện nay, lĩnh vực này mới
thực sự bắt đầu phát triển vì vậy nghiên cứu vấn đề này sẽ đem lại nhiều kết
quả hứa hẹn trong tương lai.
1.2.3. Mô phỏng lửa
Theo tính chất vật lý, hóa học và khí động học thì lửa có thể được xem
từ nhiều khí cạnh: Nó là một nguồn bức xạ; một hỗn hợp khí hoạt động theo
các qui luật của cơ chế khí động học, hay một vật chất trong suốt điều biến

ánh sáng. Tuy nhiên, khi mô phỏng về lửa ta chỉ tập trung vào hình ảnh của
ngọn lửa, bởi mục đích chính là xây dựng một mô hình trực quan của lửa. Các


13

thuộc tính vật lý có thể được xác định bằng phương thức quang học dựa trên
mô hình đó. Phần lớn các mô hình đặc tả ngọn lửa như một vật chất phát ra
ánh sáng và có tính trong suốt cao (mặc định nó là môi trường không tán xạ).
Khi không có khói hay độ ẩm thì giả thiết này là có thể chấp nhận được.
Thể hiện ngọn lửa trong mô phỏng cần tạo ra một cảm giác trực quan
đúng đắn về tính động của nó. Hiện tại có rất nhiều mô hình được sử dụng để
mô phỏng lửa. Trong các mô hình cháy các tia lửa được mô phỏng khá thuyết
phục bằng cách sử dụng mô hình đơn giản của cơ chế đốt cháy hỗn hợp khí nhiên liệu cũng như bằng các mô hình thủ tục phức tạp hơn. Những mô hình
nắm bắt các chuyển động của ngọn lửa như các thuộc tính khuyếch tán, sự đối
lưu, sự nổ hay nhiễu loạn…
Tiến trình thể hiện hình ảnh ngọn lửa là vấn đề then chốt của mô phỏng
lửa, trong một thể thiện ba chiều của ngọn lửa các hình ảnh có thể được tạo
rất nhanh bằng các kỹ thuật tận dụng sức mạnh phần cứng để cho ta cảm giác
thực sự về một ngọn lửa.
Để có kết quả tốt hơn, người ta có thể sử dụng các kỹ thuật như ánh xạ
photon coi ngọn lửa như một nguồn sáng hạt thật sự. Các hiệu ứng tâm lý như
sự điều chỉnh mắt người khi thay đổi độ sáng của ngọn lửa cũng được sử
dụng. Để thể hiện ngọn lửa ta có thể sử dụng kỹ thuật đơn giản như phép
chiếu thẳng và phép theo vết tia sáng. Chúng ta cũng có thể sử dụng các mô
hình thể hiện ngọn lửa dựa trên các hình ảnh có sẵn để tận dụng các thông tin
ở các hình ảnh sử dụng. Phương hướng trong tương lai là ứng dụng các phân
tích chuẩn về các tính chất của lửa như tính trong suốt để đề ra các phương
thức mới, mở rộng các phương thức mô phỏng để có thể thể hiện được các
thuộc tính vật lý khác của ngọn lửa và thiết kế phương thức để đánh giá một

cách khách quan và đáng tin cậy các thuộc tính này [11].


14

1.2.4. Ý nghĩa của việc mô phỏng lửa
Có thể nói lửa có vai trò to lớn trong cuộc sống của loài người, ngoài
việc duy trì sự sống, lửa còn có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực
sản xuất, nghiên cứu, vui chơi giải trí… Để đảm bảo cho việc tính toán, thiết
kế các ứng dụng của lửa được chính xác và sử dụng có hiệu quả những ứng
dụng của lửa vào cuộc sống, nhất là trong điều kiện công nghệ thông tin phát
triển đòi hỏi phải có sự mô phỏng những ứng dụng của lửa trước khi đưa ứng
dụng vào thực tế. Người ta có thể kiểm duyệt các thiết kế, các dự án liên quan
đến lửa trước khi đi vào thực tế để giảm thiểu các rủi ro có thể xảy ra, bởi
chúng ta đều biết sức tàn phá của lửa là vô cùng to lớn. Đó chính là nhiệm vụ
của công nghệ mô phỏng. Khi đã nghiên cứu được phương pháp mô phỏng
lửa và đầy đủ các hiệu ứng của lửa, chúng ta sẽ dễ dàng thấy được trên máy
tính quá trình chuyển động của lửa, quá trình bốc cháy của lửa với các đối
tượng khác nhau trong công trình nghiên cứu. Kết quả của các quá trình sẽ là
cơ sở để đánh giá công trình nghiên cứu có đạt tiêu chuẩn hay không.
Dưới đây là một số hình ảnh minh chứng cho sức tàn phá khủng khiếp
của lửa đã gây ra.

Hình 1.4. Cháy rừng ở Tây Nguyên năm 2010


15

Hình 1.5. Cháy cây xăng Trần Hưng Đạo - Hà Nội năm 2013
Ngoài ra, còn một lý do để xếp mô phỏng lửa vào một trong những vị

trí quan trọng nhất trong lĩnh vực mô phỏng chính là việc ứng dụng nó trong
giáo dục, đào tạo đặc biệt là trong các trường, các ngành đặc thù như phòng
cháy chữa cháy, kỹ xảo điện ảnh, cảnh báo thiên tai hỏa hoạn…
Các mô hình mô phỏng về lửa, các tương tác của lửa đối với các đối
tượng khác hay các đối tượng lửa với nhau sẽ cho người học một cái nhìn trực
quan hơn, tiếp thu và nắm bài dễ hơn.
Tóm lại, việc xây dựng các mô hình mô phỏng lửa và các hiệu ứng của
nó đang là nhu cầu cấp thiết đối với các ngành liên quan đến lửa, mà mô
phỏng cần được thực hiện. Tuy nhiên, đây vẫn là một thách thức không hề
nhỏ của công nghệ mô phỏng.


16

Chương 2: YẾU TỐ TRONG SUỐT TRONG MÔ PHỎNG LỬA
2.1. Cơ sở lý thuyết để xây dựng kỹ thuật mô phỏng lửa
Với kỹ thuật tổng hợp hình ảnh như hiện tại sẽ rất khó khăn để mô hình
hóa các hiện tượng mà bề mặt không được xác định rõ ràng, cũng như không
có qui luật như mây, khói, nước, lửa….Đặc biệt, các hiện tượng này luôn
chuyển động và biến đổi. Do đó, những đối tượng không định hình như thế
này sẽ không thể dùng các kỹ thuật biến đổi thông thường dành cho các vật
thể cứng trong đồ họa máy tính như hiện tại, mà Particle chính là một phương
pháp đặc biệt dùng để mô phỏng cho các đối tượng kiểu này.
2.1.1. Particle System là gì ?
Particle System là một kỹ thuật đồ họa máy tính dùng để mô phỏng một
số hiện tượng mờ, những cái mà rất khó có thể tái tạo lại bằng các kỹ thuật
dựng hình thông thường.
Ví dụ: Các vụ cháy, nổ, khói, nước chảy, tia lửa, những chiếc lá rơi, mây,
sương mù, tuyết, bụi, đuôi sao băng hoặc các hiệu ứng hình ảnh trừu tượng
như những đường ánh sáng …

Theo William T. Reeves, Particle System được định nghĩa như sau:
Particle System là một tập hợp các thành phần hay các hạt riêng biệt.
Particle System điều khiển tập particle đó, cho phép chúng hoạt động một
cách tự động nhưng với một số thuộc tính chung nhất định [7].
2.1.2. Đặc tính của Particle System
So với các kỹ thuật dựng hình thông thường thì Particle System có ba
đặc tính riêng khác biệt hẳn. Đó là:
1. Đối tượng được biểu diễn không phải là một tập các thành phần bề mặt
cơ bản như các đa giác hay các miếng nhỏ bề mặt để tạo ra bề mặt biên,
mà được cấu thành từ tập các hạt để tạo ra hình khối.


17

2. Particle System không phải là thực thể tĩnh mà nó chuyển động và thay
đổi hình dạng liên tục theo thời gian. Các hạt sẽ liên tục “chết đi” và
các hạt mới sẽ được “sinh ra”.
3. Trong Particle System thì các đối tượng là không xác định, hình dạng
và hình thức của nó hoàn toàn không quy định. Thay vào đó, nó sẽ
được xác định bằng các tiến trình ngẫu nhiên.
2.1.3. Ưu điểm của phương pháp Particle System
Trong mô hình hóa các đối tượng không định hình, phương pháp
Particle System có một số các ưu điểm so với các kỹ thuật hướng bề mặt cổ
điển như sau:
1. Particle là một thành phần nguyên tố đơn giản hơn cả đa giác - thành
phần đơn giản nhất của kỹ thuật mô hình dựa trên bề mặt. Do đó, trong
cùng một khoảng thời gian xử lý trên máy tính, ta có thể tạo ra nhiều
quá trình xử lý hơn, xây dựng được hình ảnh phức tạp hơn. Cũng do
đơn giản nên việc tạo hiệu ứng nhòe khi chuyển động cho particle sẽ dễ
dàng hơn. Việc tạo hiệu ứng nhòe cho đối tượng khi di chuyển nhanh

phần lớn đã bị bỏ qua trong kỹ thuật tổng hợp hình ảnh.
2. Định nghĩa mô hình được xác định theo thủ tục, và được điều khiển
bằng các số ngẫu nhiên. Do đó, việc nhận một mô hình với độ chi tiết
cao không yêu cầu thời gian thiết kế lớn như trong các hệ thống mô
hình hướng bề mặt. Vì là thủ tục nên Particle System có thể tự điều
chỉnh mức độ chi tiết của nó để phù hợp với tập tham số đã được xác
định cho việc quan sát. Cũng như với các bề mặt Fractal, càng phóng
đại một Particle System càng cho ta những hình ảnh chi tiết hơn,
3. Một đối tượng được mô phỏng bằng Particle System là một đối tượng
“sống”, có nghĩa là chúng thay đổi theo thời gian.
Rất khó để có thể mô hình sự chuyển động phức tạp này bằng các kỹ thuật
mô hình dựa vào bề mặt đối tượng.


18

2.1.4. Mô hình mô phỏng bằng Particle System
Một Particle System là một tập hợp nhiều hạt nhỏ kết hợp cùng nhau
tạo nên một vật thể mờ ảo, không định hình. Trong một khoảng thời gian, các
hạt được tạo thành một hệ thống, di chuyển và thay đổi từ bên trong hệ thống,
sau đó chết đi. Để tính toán mỗi khung hình trong một chuỗi chuyển động,
trình tự các bước sau đây được thực hiện:
1. Các hạt mới được tạo ra trong hệ thống
2. Mỗi hạt mới được gán cho các thuộc tính riêng biệt
3. Các hạt đã tồn tại trong hệ thống đều sẽ bị dập tắt dần theo quy định
4. Các hạt vẫn còn sống trong hệ sẽ chuyển động và biến đổi dựa theo các
thuộc tính động của nó
5. Một hình ảnh của các hạt đang sống được kiết xuất trong bộ đệm
khung hình
Particle System có thể được lập trình để thực hiện bất kỳ tập lệnh nào tại

mỗi bước. Bởi vì nó là thủ tục, phương pháp này có thể kết hợp bất kỳ mô
hình tính toán nào dùng để mô tả bề ngoài hay tính chuyển động của đối
tượng. Ví dụ, sự chuyển động và biến đổi của các hạt có thể được gắn với các
giải pháp của một hệ thống phương trình vi phân từng phần, hoặc các thuộc
tính hạt có thể được chỉ định trên cơ sở của cơ học thống kê. Chúng ta có thể,
tận dụng lợi thế của các mô hình đã được phát triển trong lĩnh vực khoa học
hoặc kỹ thuật khác.
Trong phạm vi nghiên cứu, chúng ta sử dụng quy trình ngẫu nhiên đơn
giản như các yếu tố thủ tục của mỗi bước trong việc tạo ra một khung hình.
Để kiểm soát hình dạng, bề mặt và động thái của các hạt trong một Particle
System, chúng ta thiết kế mô hình có quyền truy cập vào một tập hợp các


19

tham số. Chuyển động và biến đổi của các hạt sẽ bị rằng buộc bởi các tham số
ngẫu nhiên này. Nói chung, mỗi tham số quy định cụ thể một dải giá trị mà
mỗi hạt sẽ nhận được một giá trị trong khoảng đó. Các phần dưới đây mô tả
chi tiết hơn về mô hình mô phỏng bằng phương pháp Particle System.
2.1.4.1. Quá trình sinh ra các hạt [7]
Các hạt được sinh ra trong Particle System được kiểm soát bởi các tiến
trình ngẫu nhiên. Một tiến trình xác định số hạt được sinh ra và tham gia vào
hệ thống trong một khoảng thời gian. Con số này sẽ ảnh hưởng đến mật độ
của đối tượng đang được xây dựng. Có hai cách để điều khiển số lượng hạt
mới được sinh ra:
1. Xác định số lượng hạt trung bình được sinh ra trong một khung hình và

khoảng biến đổi của nó. Khi đó, số lượng hạt thực sự trong một khung
hình f là:
Npartsf = MeanPartsf + Rand() x VariancePartsf

(1)

Trong đó:
Rand(): là một hàm trả về một giá trị ngẫu nhiên nằm trong đoạn [-1,1].
MeanPartsf: là số lượng trung bình các hạt.
VariancePartsf: là khoảng biến đổi của hạt.
2. Số lượng hạt phụ thuộc vào kích thước mà đối tượng thể hiện trên màn
hình. Trong phương pháp này, ta cần xác định các tham số của điểm
quan sát so với một khung hình cụ thể của đối tượng, tính toán vùng
màn hình mà nó bao phủ và đưa ra số lượng hạt mới phù hợp. Không
cần thiết tạo ra hàng ngàn hạt để bao phủ chỉ một vài điểm ảnh.
Phương trình cụ thể như sau:
Npartsf = (MeanPartsSAf + Rand() x VariancePartsSAf ) x ScreenArea

(2)