Tài liệu luận văn Xây Dựng Chương Trình Mô Phỏng 3D Hướng Dẫn Các Kỹ Năng

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỀ TÀI

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG 3D HƯỚNG DẪN
CÁC KỸ NĂNG XỬ LÝ THỐT HIỂM KHI GẶP HỎA HOẠN
TRONG CÁC TRƯỜNG HỌC
Giáo viên hướng dẫn : PGS TS. NGUYỄN VĂN HUÂN
Học viên

: Phùng Duy Linh

Lớp

: Cao học K17

Thái Nguyên - 2020


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi - Phùng Duy Linh xin cam đoan những nội dung trình bày luận văn này là
kết quả tìm hiểu, nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn của PGS TS. Nguyễn Văn
Huân và các nhà nghiên cứu đi trước. Nội dung tham khảo, kế thừa, phát triển từ các
cơng trình đã được cơng bố được trích dẫn, ghi rõ nguồn gốc. Kết quả mơ phỏng, thí
nghiệm được lấy từ chương trình của bản thân.
Nếu có gì sai phạm tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm.
Người cam đoan

Phùng Duy Linh


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn mặc dù gặp rất nhiều khó khăn nhưng tơi ln
nhận được sự quan tâm, giúp đỡ từ thầy cô, đồng nghiệp bạn bè và người thân. Đây là
nguồn động lực giúp tơi hồn thành luận văn này.
Tơi xin gửi lời chân thành cảm ơn tới PGS TS. Nguyễn Văn Huân đã tận tình
giúp đỡ, hướng dẫn và chỉ bảo trong quá trình thực hiện luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn tới quý thầy, cô trường Đại học Công nghệ thông tin
và truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo, truyền đạt những kiến thức
qúy báu giúp tơi hồn thành nhiệm vụ học tập trong suốt thời gian theo học tại trường.
Quý thầy cô đã giúp tôi có được những kiến thức quan trọng trong lĩnh vực Công nghệ
thông tin, là nền tảng vững chắc cho những nghiên cứu của bản thân trong thời gian tới.
Tôi xin cảm ơn anh em, đông nghiệp đã giúp đỡ, ủng hộ tinh thần trong thời gian
tôi tham gia học tập.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tất cả những người đã luôn luôn quan tâm, sẻ chia và
động viên tôi.

Thái Nguyên, ngày

tháng

Phùng Duy Linh

năm 2020

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH .....................................................................................................v
LỜI NĨI ĐẦU .......................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÔ PHỎNG.............................................2
1.1. Khái quát về mô phỏng ...................................................................................................2
1.1.1.Khái niệm mô phỏng .....................................................................................................2
1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm của mô phỏng .......................................................................3
1.1.3. Xu hướng thực hiện mô phỏng ba chiều ......................................................................5
1.2. Các ứng dụng của công nghệ mô phỏng .........................................................................7
1.2.1. Kiến trúc và thiết bị cơng nghệ ....................................................................................7
1.2.2. Giải trí ..........................................................................................................................8
1.2.3. Giáo dục và Đào tạo .....................................................................................................9
1.2.4. Y học ..........................................................................................................................10
1.3. Bài toán thoát hiểm và mơ phỏng khói, lửa ..................................................................11
1.3.1. Bài tốn thốt hiểm khi xảy ra hỏa hoạn ....................................................................11
1.3.2. Tổng quan về mô phỏng khói ....................................................................................11
1.3.3. Tổng quan về mơ phỏng lửa.......................................................................................12
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỒ HỌA ÁP DỤNG TRONG MÔ PHỎNG HỎA
HOẠN ............................................................................................................................... 14
2.1. Kỹ thuật Particle trong mơ phỏng khói, lửa ..................................................................14
2.1.1. Particle trong mơ phỏng khói ....................................................................................16
2.1.2. Particle trong mô phỏng lửa ......................................................................................18
2.2. Kỹ thuật phát hiện và xử lý va chạm trong mô phỏng ..................................................21

2.2.1. Các kỹ thuật va chạm .................................................................................................21


iv
2.2.2. Kỹ thuật phát hiện va chạm dựa vào hộp bao AABB ................................................22
2.2.3. Kỹ thuật phát hiện va chạm dựa vào hộp bao OBB ...................................................23
2.2.4. Kỹ thuật phát hiện va chạm dựa vào khối bao cầu ....................................................24
2.2.5. Kỹ thuật phát hiện va chạm dựa vào hộp bao đa diện lồi ..........................................27
2.3. Kỹ thuật xây dựng mơ hình 3D .....................................................................................28
2.3.1.Phương pháp thiết kế đi từ tổng thể đến chi tiết .........................................................28
2.3.2. Phương pháp thiết kế đi từ chi tiết đến tổng thể ........................................................31
2.3.3. Phương pháp thiết kế phối hợp ..................................................................................32
2.4. Kỹ thuật điều khiển nhân vật ........................................................................................34
2.4.1. Kỹ thuật điều khiển chuyển động theo đường Path ...................................................34
2.4.2. Kỹ thuật tạo chuyển động Set Driver Key .................................................................35
2.4.3. Kỹ thuật tạo chuyển động KeyFrame.........................................................................36
2.4.4. Kỹ thuật FK và IK điều khiển đối tượng có xương ...................................................38
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG ..............................................................40
3.1. Yêu cầu thực nghiệm, ứng dụng ...................................................................................40
3.2. Phân tích, lựa chọn công cụ ..........................................................................................41
3.3. Một số kết quả mô phỏng thực nghiệm .........................................................................41
3.3.1. Hình ảnh kiến trúc thư viện Đại học Hùng Vương ....................................................41
3.3.2. Hình ảnh khói trong q trình mơ phỏng ...................................................................42
3.3.3. Hình ảnh lửa trong q trình mơ phỏng .....................................................................43
3.3.4. Mơ phỏng di chuyển, các tình huống khi sảy ra va chạm ..........................................45
3.3.5. Một số hình ảnh mơ phỏng tình huống trong chương trình .......................................46
3.3.6. Kết quả chương trình, đánh giá hiệu quả ...................................................................48
KẾT LUẬN ..........................................................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................51

v

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Mơ phỏng phẫu thuật .....................................................................................2
Hình 1.2. Mơ phỏng đối tượng tĩnh ...............................................................................6
Hình 1.3. Mơ phỏng đối tượng động .............................................................................7
Hình 1.4. Ứng dụng trong mơ phỏng kiến trúc .............................................................7
Hình 1.5.Mơ phỏng lái xe trong giải trí .........................................................................9
Hình 1.6. Buồng lái mơ phỏng máy bay ảo của Học viện Phịng Khơng-Khơng qn Việt
Nam
......................................................................................................................9
Hình 1.7. Khói từ nhà máy điện hạt nhân Oi trước sự cố Fukushima. ........................12
Hình 1.8. Lửa trong bài tốn mơ phỏng cháy rừng .....................................................13
Hình 2.1.Star Trek II - 1982 ........................................................................................15
Hình 2.2. Quy trình thực hiện hệ Particle ....................................................................16
Hình 2.3. Khói với các tham số cơ bản hệ Particle .....................................................16
Hình 2.4. Khói mơ phỏng: (a)Tham số khuếch tán (b) Tham số mơi trường….. .......17
Hình 2.5. Khói khi sử dụng mặt nạ .............................................................................17
Hình 2.6. Khói khi có vật cản và va chạm...................................................................18
Hình 2.7. Cộng ảnh Alpha Channel vào ảnh để tạo mặt nạ ........................................18
Hình 2.8. Ảnh ngọn lửa được mơ phỏng bởi hệ Particle .............................................20
Hình 2.9. Sự thay đổi hướng của vecto vận tốc ..........................................................20
Hình 2.10. Hộp bao AABB .........................................................................................22
Hình 2.11. Xây dựng hộp bao AABB .........................................................................22
Hình 2.12. Hợp nhất và kiểm tra va chạm giữa AABB và OBB ................................23
Hình 2.13. Phát hiện va chạm giữa 2 hộp bao AABB .................................................23
Hình 2.14. Hợp nhất và kiểm tra va chạm giữa 2 khối bao cầu ..................................25
Hình 2.15. Hai khối cầu xảy ra va chạm .....................................................................26
Hình 2.16. Hộp bao dạng đa diện lồi ...........................................................................27

Hình 2.17. Minh họa một số hộp bao K-Dop ..............................................................27
Hình 2.18. Độ phức tạp trong tính tốn đối với các hộp bao ......................................28
Hình 2.19. Một số hình khối 3D cơ bản ......................................................................29
Hình 2.20. Cơng cụ Select and Move trong thiết kế ...................................................30


vi

Hình 2.21. Chế độ Editable Poly .................................................................................31
Hình 2.22. Hai tấm plane chiếu đứng và cạnh (cách 1) ..............................................32
Hình 2.23. Hai tấm plance chiếu đứng và cạnh (cách 2) .............................................32
Hình 2.24. Mơ hình trường ĐH Hùng Vương góc 1 ...................................................33
Hình 2.25. Mơ hình trường ĐH Hùng Vương góc 2 ...................................................33
Hình 2.26. Mơ hình trường ĐH Hùng vương góc 3 ....................................................34
Hình 2.27. Mơ hình phòng học giảng đường trường ĐH Hùng vương .......................34
Hình 2.28. Đường Path trong điều khiển chuyển động đối tượng ..............................35
Hình 2.29. Chuyển động nhận vật sử dụng keyframe .................................................37
Hình 3.1.Cơng trình xây dựng đã được mơ hình hóa ba chiều....................................40
Hình 3.2. Hình ảnh kiến trúc trong thư viện................................................................42
Hình 3.3. Hình ảnh khói tự nhiên và khói lấy từ chương trình mơ phỏng ..................42
Hình 3.4. Khói bay lên cao bao phủ bên trong thư viện..............................................43
Hình 3.5. Hình ảnh lửa tự nhiên và lửa lấy từ chương trình mơ phỏng .....................44
Hình 3.6. Hình ảnh khu vực trong thư viện trước, sau khi xảy ra hỏa hoạn ...............44
Hình 3.7. Hình ảnh khu vực trong thư viện khi xảy ra hỏa hoạn nhìn từ trên cao ......45
Hình 3.8. Các điểm va chạm Trigger tương ứng câu hỏi thốt hiểm ..........................45
Hình 3.9. Hình ảnh đường Path và các điểm va chạm Trigger ...................................46
Hình 3.10. Tình huống bên ngồi khu vực lan can khi bắt đầu xảy ra cháy ...............46
Hình 3.11. Tình huống phát hiện đám cháy ngồi tầm kiểm sốt ...............................47
Hình 3.12. Thơng báo khi lựa chọn sai trong các tình huống thốt hiểm ...................47
Hình 3.13. Tình huống lựa chọn thang máy cho q trình thốt hiểm ........................48

Hình 3.14. Thành cơng thốt hiểm ..............................................................................48


1

LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, mơ phỏng đã ngày càng chứng tỏ vai trò quan trọng trong đời sống
cũng như trong khoa học, kỹ thuật. Mô phỏng hiện diện ở hầu như mọi lĩnh vực văn
hóa, kinh tế, chính trị, khoa học, đời sống v.v.. Sự phát triển nhanh chóng của phần cứng
đã giúp cho các phần mềm mô phỏng ngày càng đáp ứng được những đòi hỏi khắt khe
của thực tiễn. Điều này làm cho những người trước đây vốn lưỡng lự bởi khả năng hạn
chế của mô phỏng trên máy tính cũng đã bị thuyết phục.
Bên cạnh đó, hậu quả của các cuộc hỏa hoạn là vô cùng to lớn, sau mỗi cuộc hỏa
hoạn có thể làm cho thiệt hại nặng về tài sản, môi trường và kể cả tính mạng con người.
Với mong muốn xây dựng một chương trình mơ phỏng để dạy các kỹ năng xử lý hỏa
hoạn ở các giảng đường cao tầng hay thư viện của các trường, luận văn đặt tìm hiểu các
kỹ thuật mơ phỏng và từ đó xây dựng các tình huống hướng dẫn các thầy cơ giáo, các
em học sinh có thể xử lý một cách tốt nhất trong các trường hợp hỏa hoạn sảy ra đột
xuất.
Nội dung luận văn được chia làm 3 phần chính: Chương 1 trình bày tổng quan về
cơng nghệ mơ phỏng, đồng thời trình bày bài tốn mơ phỏng hỏa hoạn cũng như những
ý nghĩa thực tiễn của bài tốn này khi mơ phỏng các tình huống thốt hiểm. Chương 2
là những nghiên cứu, phân tích về các kỹ thuật sử dụng trong mơ phỏng khói lửa từ đó
áp dụng vào cài đặt và mơ phỏng tình huống. Chương 3 là trình bày thực nghiệm và ứng
dụng của mơ phỏng khói, lửa áp dụng trong việc xây dựng các tình huống thốt hiểm
khi gặp hỏa hoạn. Phần cuối cùng là kết luận và hướng phát triển tiếp theo của luận văn.


2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÔ PHỎNG

1.1. Khái quát về mô phỏng
Mô phỏng [1,3] được sử dụng để giảm thiểu rủi ro và chi phí khi tạo một hệ thống
mới hoặc thay đổi hệ thống đang có. Hơn thế nữa, còn nhiều hệ thống chỉ mới tồn tại
trên lý thuyết, chưa hề được triển khai trong thế giới thực do thiếu các điều kiện cần
thiết hoặc kinh phí q lớn. Việc mơ phỏng các hệ thống đó sẽ giúp cho các nhà khoa
học hiểu rõ hơn bản chất của hệ thống trước khi đem vào áp dụng. Cuộc sống càng hiện
đại thì những u cầu về độ chính xác trong việc mơ phỏng càng khắt khe hơn. Vì vậy,
những kĩ thuật mới trong mơ phỏng trên máy tính trở nên quan trọng và cần phải nghiên
cứu để hiểu rõ nó.
1.1.1. Khái niệm mơ phỏng
Mơ phỏng là phỏng theo một hoạt động của một tiến trình thế giới thực hay một
hệ thống trong suốt thời gian nó tồn tại [3]. Mô phỏng được dùng để mô tả và phân tích
các hoạt động của một hệ thống, với mục tiêu là thể hiện giống nhất những gì đang xảy
trong thế giới thực. Mơ phỏng trên máy tính là mơ phỏng mà trong đó các mơ hình được
tạo ra thơng qua việc lập trình.
Việc mơ phỏng trên máy tính bao gồm thiết kế một mơ hình vật lý của hệ thống,
thực thi mơ hình đó trên một máy tính và phân tích kết quả đầu ra. Từ đó, người ta phân
mơ phỏng thành ba lĩnh vực nhỏ: thiết kế mơ hình, thực thi mơ hình và phân tích mơ
hình.
Mơ hình được định nghĩa là biểu diễn của một hệ thống thực. Một mơ hình khơng
nên q phức tạp, mà chỉ cần đủ để trả lời những câu hỏi mà người ta đặt ra khi nghiên
cứu. Bởi vì một hệ thống thực ln có rất nhiều ràng buộc và ảnh hưởng qua lại với
những hệ thống khác, việc mơ phỏng tồn bộ tất cả các mối quan hệ này là hết sức khó
khăn mà nhiều khi khơng giúp ích gì cho việc nghiên cứu hệ thống.

Hình 1.1. Mơ phỏng phẫu thuật

3

1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm của mô phỏng
Sự cạnh tranh trong cơng nghệ máy tính làm cho các hãng sản xuất phần cứng
liên tục tạo ra các sản phẩm tốt hơn. Gần như các công ty đưa ra các sản phẩm mới với
nhiều tính năng, bộ nhớ, khả năng đồ họa và sức mạnh vi xử lý lớn hơn chỉ trong thời
gian ngắn. Điều này tạo hiệu ứng thúc đẩy sự phát triển của các ngành liên quan khác,
đặc biệt là kỹ nghệ mô phỏng bằng phần mềm. Sự phát triển của phần cứng tỉ lệ thuận
với sự phát triển của phần mềm.
Số lượng ngành nghề sử dụng mô phỏng như một công cụ hỗ trợ cho công việc
đang tăng lên một cách nhanh chóng. Các nhà quản lý đã nhận ra rất nhiều ưu điểm của
công nghệ mô phỏng trong việc tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất.
 Ưu điểm
Sử dụng mô phỏng mang lại rất nhiều ưu điểm trong việc đưa ra các quyết định
về phương hướng sản xuất và phát triển. Trong đó, nổi bật nhất là những ưu điểm sau:
Cho phép thử nghiệm mà không phá vỡ hệ thống hiện tại:
Với một hệ thống đang tồn tại, một ý tưởng mới đang có ý định áp dụng vào có
thể rất khó, chi phí bỏ ra nhiều và thậm chí bất khả thi. Mơ phỏng cho phép tạo ra một
mơ hình và so sánh để đảm bảo rằng mơ hình đó phản ánh đúng đắn hệ thống hiện tại.
Bất cứ một thay đổi nào muốn áp dụng vào hệ thống thực tế có thể được tiến hành trên
mơ hình đó và kiểm tra tất cả các ảnh hưởng lên mơ hình. Sau q trình đánh giá đó
những thay đổi mới được áp dụng vào thực tế khi đã đảm bảo rằng sẽ khơng có một sai
sót nào đó xảy ra có thể phá vỡ hệ thống sẵn có.
Kiểm tra các lý thuyết trước khi cài đặt:
Mơ phỏng trên trên máy tính cho phép các lý thuyết được kiểm tra trước khi cài
đặt, xây dựng một hệ thống mới. Phép kiểm tra này sẽ cho phép nhận ra được những kẽ
hở trong thiết kế khơng được dự đốn trước. Từ kết quả kiểm tra này, người thiết kế có
thể khắc phục và cải tiến hệ thống trước khi nó được cài đặt. Cũng với những sai lầm
này, nếu chỉ được phát hiện sau khi đã thiết lập xong hệ thống thì chi phí khắc phục sẽ
tăng lên rất cao, thậm chí là khơng thể sử dụng được.

Nhận biết các vấn đề không được dự đốn trước:
Khi một hệ thống được mơ phỏng trước khi cài đặt và làm việc theo đúng như
tính tốn thì mơ hình thường được cải tiến để có thể mơ phỏng chi tiết hơn lúc ban đầu.
Việc này có thể làm cho các vấn đề trong thiết kế bị bộc lộ ra. Khi lỗi thiết kế được sửa
thì chi phí cho việc sửa chữa hệ thống thực sau này sẽ được giảm thiểu. Thêm vào đó,
các tính năng của hệ thống cũng có thể được cải tiến.
Tìm hiểu hệ thống:


4

Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của tiến trình mơ phỏng là giúp chúng
ta nghiên cứu hệ thống để rút ra những hiểu biết về hệ thống đó. Tại thời điểm một dự
án mô phỏng mới được bắt đầu, đặc biệt là một dự án mơ hình hóa một hệ thống phức
tạp thì các kiến thức về hệ thống thường phân tán vì mỗi chun gia đều có những kiến
thức riêng trong lĩnh vực của mình. Để phát triển mơ hình của hệ thống thì các mảnh
kiến thức rời rạc đó phải được thu thập lại để tạo thành một bức tranh tổng thể về hệ
thống. Quá trình tìm hiểu hệ thống thơng qua mơ hình, ngồi những kiến thức tổng hợp
từ người khác, ta có thể tìm hiểu sâu thêm về những hoạt động cũng như những tương
tác của hệ thống với mơi trường bên ngồi.
Nâng cao tốc độ phân tích:
Sau khi phát triển một mơ hình, chúng ta có thể chạy hệ thống mơ phỏng ở tốc
độ lớn hơn nhiều so với thế giới thực, do đó tiết kiệm rất nhiều thời gian. Một sự kiện
có thể mất hàng năm trong thế giới thực có thể chỉ xảy ra vài phút trong mơ hình. Việc
đưa ra kết quả rất nhanh sẽ đẩy nhanh quá trình phân tích rất nhiều.
Phát triển các khái niệm của hệ thống:
Nhằm tạo ra một mơ hình có thể làm việc của một hệ thống thì mọi mặt của hệ
thống đó cần phải được tìm hiểu. Nếu một định nghĩa thiếu sót hay thậm chí là sai trong
hệ thống thì mơ hình sẽ khơng hoạt động chính xác và mơ hình đó khơng thể dùng làm
cơng cụ phân tích hệ thống. Vì thế, việc phát triển mơ hình đồng nghĩa với việc các nhà

phân tích phải đưa ra đầy đủ các định nghĩa, tham số cho các hoạt động của nó. Nếu một
số định nghĩa không được xác định rõ ràng, độ an tồn của mơ hình sẽ trở thành một
vấn đề lớn.
Thúc đẩy sáng tạo:
Có một mơ hình sẽ giúp nâng cao tính sáng tạo của thiết kế. Ví dụ, một kĩ sư có
thể đưa ra hai giải pháp cho một vấn đề xảy ra. Một đảm bảo cho sự hoạt động của hệ
thống nhưng lại đắt. Giải pháp còn lại sử dụng phương pháp mới rẻ hơn nhưng lại tồn
tại rủi ro. Thường thì người ta lựa chọn giải pháp an tồn hơn mà khơng dám lựa chọn
cách làm mới. Điều này làm giảm tính sáng tạo trong cơng việc. Nhưng nếu có một mơ
hình mơ phỏng thì giải pháp mới có thể được sử dụng để so sánh. Nếu như hệ thống vẫn
hoạt động tốt và thực sự giảm chi phí thì người kĩ sư sẽ n tâm lựa chọn phương pháp
mới. Ngoài ra, các ý tưởng mới cũng có thể được đưa lên mơ hình để kiểm tra mà không
sợ gặp rủi ro.
Tựu trung lại, các ưu điểm của mơ phỏng đều có điểm chung là giảm rủi ro và
tiếp kiệm chi phí.
 Nhược điểm


5

Tuy vậy, mô phỏng không phải là một phương pháp hồn hảo đến mức có thể sử
dụng trong mọi trường hợp. Cụ thể còn tồn tại những nhược điểm như sau:
Khó khăn khi mơ phỏng:
Việc tạo ra một hệ thống mô phỏng giống với thực tế đòi hỏi người làm chương
trình mơ phỏng phải hiểu rõ cấu trúc, phương thức hoạt động, vận hành của hệ thống đó
trên thực tế. Chỉ một yếu tố khơng được tính đến có thể dẫn tới sự đổ vỡ của chương
trình mơ phỏng.
Kết quả đưa ra mang tính tương đối:
Nhược điểm này xuất phát từ chính khó khăn đầu tiên khi tiến hành mơ phỏng.
Một hệ thống có thể là rất phức tạp, để hiểu rõ tồn bộ những hệ thống đó là điều khó

có thể khẳng định 100%. Bên cạnh đó có nhiều đối tượng mà con người khơng thể hiểu
biết hồn tồn hoặc chưa được biết đến (một ví dụ điển hình là mô phỏng hố đen). Để
khẳng định kết quả đưa ra là chính xác tuyệt đối, đơn giải là tiến hành thực nghiệm chứ
khơng phải mơ phỏng, nhưng lúc đó chi phí sẽ là rất lớn.
Khó để xác thực:
Q trình xác thực là nhằm đảm bảo mơ hình được xây dựng phản ánh chính xác
hoạt động của hệ thống. Nếu như hệ thống chưa có thực thì việc kiểm tra này khơng thể
thực hiện được. Thậm chí với một hệ thống đã có thì việc xác định này cũng rất khó
khăn, vì thường thì một hệ thống có nhiều hoạt động và quan hệ phức tạp.
1.1.3. Xu hướng thực hiện mơ phỏng ba chiều
Có nhiều xu hướng khác nhau nhằm tiếp cận và xây dựng một hệ thông mô
phỏng ba chiều. Tuy nhiên có thể nhắc tới hai xu hướng chính cụ thể như sau:
Cách thứ nhất: thể hiện các mơ hình 3D nhờ các ngơn ngữ lập trình truyền thống
như C, C++ v.v.. Cách này không đòi hỏi sự chạy đua về cơng nghệ cũng như cấu hình
mạnh của phần cứng, hơn nữa nó có thể thực hiện các mơ phỏng phức tạp đòi hỏi sự
chính xác cao. Tuy nhiên nó khơng được nhiều người sử dụng vì đó khơng phải là cơng
việc đơn giản, nó đòi hỏi trình độ lập trình cao, các thuật tốn phức tạp, mất nhiều thời
gian và nhất là rất khó trong việc tạo ra những cảnh rộng lớn. Mặc dù ít được ưa thích
nhưng đơi khi nó lại là lựa chọn cho những ai muốn mơ phỏng chính xác các hiện tượng
thiên nhiên đúng với bản chất của nó. Tuy nhiên nó chỉ phù hợp với những mơ phỏng
có quy mơ nhỏ, phù hợp với việc học tập.
Cách thứ hai: sử dụng các công cụ mô phỏng đã được xây dựng sẵn. Cách này
khơng đòi hỏi trình độ lập trình cao, khơng tốn nhiều thời gian thực hiện, nó phù hợp
với các mơ phỏng có tính chất mơ hình khơng u cầu độ chính xác cao. Một nhược
điểm là nó u cầu cấu hình hệ thống mạnh để cài đặt và chạy chương trình, nhất là khi


6

kết xuất (Rendering).Tuy nhiên, hiện nay cách này đang rất phổ biến, rất được ưa

chuộng, nhất là trong các công việc làm Game 3D, Web3D, Phim 3Dv.v.. Một số bộ
công cụ mô phỏng thông dụng là: 3DsMax, Maya, Autocad, Painter3D, VirtualML,
Softimage, Renderman, Houdili, Lightware, Flash.v.v..
Trạng thái đối tượng mô phỏng có 2 dạng chính: mơ phỏng tĩnh và mơ
phỏng động.
 Mô phỏng tĩnh: Là dạng mô phỏng chỉ thể hiện được mơ hình tĩnh, trong kết quả mơ
phỏng khơng có sự chuyển động, khơng có sự biến đổi. Đây là dạng mô phỏng
thường chỉ áp dụng cho các vật tĩnh. Đây là dạng mơ phỏng đơn giản nhất.

Hình 1.2. Mơ phỏng đối tượng tĩnh
 Mô phỏng động: mô phỏng động được tách thành hai loại, đó là mơ phỏng động theo
thời gian thực và mô phỏng động không theo thời gian thực:
Mô phỏng động theo thời gian thực: là dạng mơ 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 (quá thời gian đó thì kết
quả khơng còn có ý nghĩa). Đây là dạng mơ phỏng phức tạp nhất, khó khăn nhất. Nhưng
đó lại là một đặc tính của thực tại ảo và mang tính ứng dụng cao, hiệu có nhiều chương
trình mơ phỏng thời gian thực được áp dụng trong thực tế.
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 mơ phỏng khơng
có sự tương tác nhiều, khơng cần đáp ứng thời gian.


7

Hình 1.3. Mơ phỏng đối tượng động
Để thực hiện mơ phỏng sự vật ta lại có hai phương pháp chính: Phương pháp giả
mô phỏng và phương pháp mô phỏng thật.
Phương pháp giả mô phỏng là ta dùng các kỹ thuật xử lý ảnh để tạo ra những đối
tượng và những hiệu ứng giả đánh lừa mắt nhìn của con người. Ví dụ, như biến đổi ảnh

khơng gian 2D thành hình ảnh của vật như trong không gian 3D, hay các phương pháp
sử dụng mặt nạ.
Phương pháp mô phỏng thật là dùng các kỹ thuật tạo đối tượng và hiệu ứng dựa
trên cơ sở khoa học là các thuật toán biểu diễn tính chất vật lý của đối tượng và các hàm
biến đổi để thể hiện đối tượng một cách chính xác.

1.2. Các ứng dụng của công nghệ mô phỏng
Hiện nay, công nghệ mô phỏng vẫn là lĩnh vực công nghệ nhiều tiềm năng xét về
khía cạnh ứng dụng. Một số lĩnh vực ứng dụng chính có khuynh hướng phát triển mạnh
mẽ trong thời gian gần đây có thể nhắc tới như sau:
1.2.1. Kiến trúc và thiết bị cơng nghệ

Hình 1.4. Ứng dụng trong mô phỏng kiến trúc


8

Một trong những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu nhất của là thiết kế kiến trúc. Khả
năng mơ hình hố thế giới dường như đáp ứng một cách tự nhiên mục tiêu của ngành
thiết kế kiến trúc: đưa ra mô hình trực quan nhất có thể về hình ảnh cơng trình mong
muốn trong tương lai.
Việc xây dựng các mơ hình khơng gian kiến trúc bằng hình ảnh lập thể với đầy
đủ mơ tả trực quan về các hình khối kiến trúc của một căn nhà, cách bố trí nội thất bên
trong, thậm chí hoa văn cửa sổ hay màu sơn của tường, cùng với khả năng cho phép
khách hàng tự do tham quan, khảo sát căn nhà của họ trong tương lai theo nhiều góc độ
và vị trí, từ phòng này sang phòng khác thực sự đem lại hiệu quả trực quan mang tính
cách mạng trong lĩnh vực mang nhiều đặc điểm nghệ thuật này.
Tương tự như trong kiến trúc, với các ngành sản xuất thiết bị mà trong đó cơng
đoạn thiết kế đóng vai trò quan trọng như 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 khơng chỉ đơn thuần mang tính

thẩm mỹ, tính kỹ thuật mà đơi khi còn ảnh hưởng tới sức sống của thiết bị xét về khía
cạnh thương mại. Khả năng mơ hình hố bằng hình ảnh lập thể của công nghệ cho phép
người thiết kế thể hiện được một cách trực quan nhất ý tưởng 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 trước khi thiết bị thực sự được sản xuất. Điều
này rõ ràng góp phần khơng nhỏ trong thành cơng của thiết bị cơng nghệ, giảm bớt
những chi phí phát sinh, và đây cũng là một ưu điểm điển hình của cơng nghệ mơ phỏng.
1.2.2. Giải trí
Thị trường giải trí cũng là một ứng dụng tiêu biểu khác của công nghệ mô phỏng
với một loạt các trò chơi mô phỏng. Trên thực tế, đây là lĩnh vực ứng dụng lớn nhất xét
theo khía cạnh lợi ích về tài chính. Rất nhiều cơng ty đang sản xuất ra các trò chơi có sử
dụng các nguyên lý thế giới thực. Số lượng người bị cuốn hút theo các trò chơi như vậy,
đặc biệt là giới trẻ, tăng theo cấp số nhân đánh dấu tiềm năng thương mại to lớn của
công nghệ mô phỏng và thực tại ảo trong lĩnh vực này.
Những thiết bị phần cứng khác như Găng tay dữ liệu (DataGloves) và Thiết bị
hiển thị đội đầu (Head Mounted Displays-HMD) cũng chịu ảnh hưởng phần nào của
cơng nghiệp giải trí. Tóm lại, các ứng dụng mơ phỏng và thực tại ảo trong giải trí đã và
đang đóng một vai trò vừa là mục tiều vừa là động lực cho công nghiệp Thực tại ảo.


9

Hình 1.5. Mơ phỏng lái xe trong giải trí
1.2.3. Giáo dục và Đào tạo
Đào tạo là một lĩnh vực điển hình của cơng nghệ mơ phỏng. Phát triển trên nền
cơng nghệ và kỹ thuật cao, tích hợp những đặc tính làm cho bản thân nó có những tiềm
năng vượt trội so với các công nghệ giáo dục truyền thống khác: cho người sử dụng cảm
nhận sự hiện diện của mình trong mơi trường do máy tính tạo ra bằng khả năng tương
tác, tự trị của người dùng trong môi trường ảo, cũng như bằng những phản hồi tức thời,
trực quan từ phía mơi trường ảo tới các giác quan của người sử dụng. Hơn thế nữa, công

nghệ cho phép mô phỏng những môi trường nguy hiểm hay tốn kém như buồng lái máy
bay, phòng thí nghiệm hố chất, hay nhưng bài học về thốt hiểm v.v..

Hình 1.6. Buồng lái mơ phỏng máy bay ảo của Học viện Phịng Khơng - Khơng qn
Việt Nam
Tất cả những đặc tính này khiến cơng nghệ mô phỏng trở nên rất phù hợp cho
các ứng dụng có tính chất giáo dục hay đào tạo. Các vật thể trong thế giới ảo được biểu
diễn chính xác hơn nhiều so với các đối tượng phẳng (hình ảnh hai chiều) do được bổ
sung thêm chiều sâu. Kết quả là các trình diễn minh hoạ hay những thí nghiệm cũng
được mơ phỏng chính xác hơn do có thể quan sát từ nhiều góc độ khác nhau về mặt
khơng gian, điều mà thế giới phẳng hai chiều không làm được.


10

Tính chất trực quan của bài giảng được nâng cao một bước làm tăng sự hứng thú
trong học tập cũng như khả năng ghi nhớ các khái niệm quan trọng trong bài giảng. Xét
về mặt này, khả năng tương tác với mơi trường ảo là một khía cạnh đáng lưu ý. Trong
các phòng thí nghiệm hay huấn luyện ảo, thực hiện các thao tác trên các đối tượng trong
môi trường ảo, nhận được những phản hồi kịp thời và có nghĩa từ các vật thể và môi
trường là một trong những yếu tố tiên quyết khiến cho học viên có cảm nhận đang được
trải nghiệm trong những tình huống thực. Từ đó, học viên nắm bắt được nhanh chóng
và có ý thức hơn với những tính huống được học. Và cũng khơng phải là viễn tưởng khi
ta có thể nói rằng một ngày nào đó bài học của học sinh sẽ là những kỹ năng sống được
đào tạo trong môi trường ảo.
1.2.4. Y học
Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng tiềm năng trong công nghệ mô
phỏng và thực tại ảo. Cho đến nay, lĩnh vực nổi bật trong y học áp dụng thành công công
nghệ mô phỏng là giả lập giải phẫu.
Trên cơ sở các kỹ thuật đồ hoạ máy tính và mơ phỏng, hệ thống đào tạo y học

này bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tương tác ba chiều là mơ hình sinh thể ảo cho
phép người sử dụng thực hiện các thao tác giải phẫu thông qua các dụng cụ giải phẫu
ảo; Khối giao diện người dùng hai chiều cung cấp những thông tin phản hồi trực quan
từ mơ hình trong q trình giải phẫu cũng như những thông tin hướng dẫn trong phiên
đào tạo.
Phương pháp đào tạo có tính tương tác cao này mang nhiều ưu điểm so với các
phương pháp truyền thống như thực hành trên mơ hình plastic hay trên bệnh nhân thực.
Thứ nhất, khác với phương 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 như một sinh thể sống
thực, chẳng hạn như sự thay đổi về nhịp tim, huyết áp v.v. 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, những sai lầm của học viên trong q trình thực tập khơng
phải trả giá bằng những thương tổn thực trên cơ thể người 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. Phương pháp này còn cho phép các bác sĩ không ngừng nâng cao
trình độ tay nghề, kỹ năng phối hợp làm việc bằng cách liên tục đặt ra những giả định
tình huống bệnh, cập nhật những dữ liệu bệnh lý mới để thực hiện những phương pháp
mới, kỹ thuật mới trong điều trị. Bác sĩ cũng có thể tự lập kế hoạch mổ thử trên bệnh
nhân ảo trước khi mổ trên bệnh nhân thật do đó làm tăng mức độ an tồn và hiệu quả
điều trị, giảm thiểu sai lầm rủi ro đáng tiếc xảy ra.


11

1.3. Bài tốn thốt hiểm và mơ phỏng khói, lửa
1.3.1. Bài toán thoát hiểm khi xảy ra hỏa hoạn
Thoát hiểm là một tập kỹ năng và tri thức cần thiết phải trang bị cho tất cả mọi
người. Ngày ngay các kỹ năng thoát hiểm được quan tâm nhiều và thường xuyên được
quan tâm giáo dục và đào tạo, đặc biệt là dành cho các đối tượng trẻ nhỏ và học sinh.
Trong thời gian gần đây thường xuyên xảy ra các đám cháy gây thiệt hại nhiều

về người và tài sản. Trong đó ảnh hưởng lớn tới tính mạng con người không phải do
ngọn lửa mà nguyên nhân chủ yếu lại tới từ khói.
Theo cục an tồn lao động: ngun nhân nghẹt thở vì khói là ngun nhân dẫn
đến tử vong cao hơn, nhanh hơn bị phỏng và cháy. Vì vậy hãy di tản nhanh chóng ra
khỏi khu vực nhiễm khói càng nhanh càng tốt.
Một nghiên cứu ở Hoa Kỳ () cho biết: tổn thương do hít khói
là ngun nhân gây tử vong của trên 50% trường hợp bị bỏng, cao hơn nhiều so với tỷ
lệ tử vong 10% khơng có thương tổn do hít khói. Trong 75.000 nạn nhân bị bỏng nặng,
30% phải điều trị vì ngộ độc khói và những tổn thương do hít khói. Hít phải khí CO gây
tử vong 75% trường hợp do hỏa hoạn, nhất là trong một khơng gian kín.
Theo báo sức khỏe gia đình (): Do tác dụng của các chất
trong khơng khí nóng: khói nóng gây tổn thương nặng hơn so với khơng khí nóng; hơi
nước nóng thường gây bỏng nặng hơn khơng khí nóng vì gây bỏng tồn bộ đường hơ
hấp, trong đó tổn thương nặng nhất là ở đường hơ hấp. Thời gian nạn nhân tiếp xúc với
nguồn nhiệt càng lâu thì bỏng càng nặng. Ngồi ra, khí thải động cơ ơtơ, xe máy, máy
phát điện, khí ga, khói than, củi cháy dở v.v. cũng là nguyên nhân gây bỏng và ngộ độc
rất nặng dễ dẫn đến tử vong.
Vì những nguyên nhân cấp thiết và sự nguy hiểm lớn của khói đến tính mạng
con người, khi tiến hành xây dựng các cơng trình nhà ở, phịng ốc cần tính đến trường
hợp khi xảy ra hỏa hoạn. Trong nội dung luận văn kế thừa các kết quả thu được từ việc
nghiên cứu các kỹ thuật tạo hiệu ứng khói, lửa mơ phỏng lại một số tình huống xảy ra
hỏa hoạn và các xử lý tương ứng với mục tiêu hướng dẫn thoát hiểm và bảo vệ tính
mạng cho con người trong trường hợp hỏa hoạn.
1.3.2. Tổng quan về mơ phỏng khói
Khói là một đối tượng rất quen thuộc trong đời sống sinh hoạt thường ngày của
con người. Chúng ta biết đến khói khi nhóm lò, đun bếp hay đơn giản chỉ là đốt một vật
nào đó (một que diêm, một điếu thuốc v.v.). Ngày nay với sự phát triển của xã hội ta
nhìn thấy khói nhiều hơn khi ra đường, tại những khu cơng nghiệp hay khi nhìn lên màn

12

hình tivi trong những bộ phim đầy khói lửa, trong những trò chơi trên máy tính, thiết bị
di động v.v.
Dựa trên mặt vật lý chúng ta có thể định nghĩa khói như sau: Khói là một loại
chất ở trạng thái khí sinh ra khi vật chất bị cháy. Nó do ba loại chất ở thể khí, thể lỏng,
thể rắn hỗn hợp tạo nên. Nếu thiếu đi chất ở thể rắn thì chủng loại của khói ít nhiều cũng
khác đi, nhưng chất hỗn hợp đó lại có một đặc điểm chung đó là trong chất hỗn hợp có
nhiệt lượng.
Vì rằng trong khói có giữ một nhiệt lượng nhất định, cho nên nó trở thành rất nhẹ
và bay lên cao. Theo đà tăng lên của độ cao bốc lên, đường kính của đám khói sẽ mở
rộng. Tuy nhiên nhiệt lượng giảm dần vì thế càng bay lên cao, tốc độ bay lên của nó
càng chậm lại. Vì trong khói có chứa chất rắn ở dạng bột nên thường ngày chúng ta nhìn
thấy khói có loại màu đen, có loại màu vàng, màu trắng v.v.

Hình 1.9. Khói từ nhà máy điện hạt nhân Oi trước sự cố Fukushima.
Bài tốn mơ phỏng khói: thuộc lớp các bài tốn mơ phỏng, với mục đích tái tạo
ra hình ảnh, phương thức hoạt động, tương tác của đối tượng khói trên máy tính. Từ đó
tạo ra hình ảnh về khói và các thí nghiệm tương tác với đối tượng này trên máy tính
giống với thực tế. Với bài tốn mơ phỏng khói có hai nhóm đầu vào: Thứ nhất là nhóm
các đầu vào là thuộc tính nội thể của đối tượng khói, thứ hai là nhóm các yếu tố ảnh
hưởng của mơi trường tới đối tượng khói cần mơ phỏng.
1.3.3. Tổng quan về mơ phỏng lửa
Lửa có thể được xem xét từ nhiều khía 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 ngọn lửa chúng ta chỉ tập trung vào mơ
hình hình ảnh của lửa, bởi vì mục tiêu chính của chúng ta là xây dựng mơ hình trực quan
của ngọn lửa. Các thuộc tính vật lý của nó có thể được xác định bằng phương thức quang

13

học dựa vào mơ hình đó. Phần lớn các mơ hình đặc tả ngọn lửa như một vật chất phát ra
ánh sáng và có tính trong suốt cao và mặc nhận nó là mơi trường khơng tán xạ. Khi
khơng có khói hay độ ẩm thì giả định này là có thể chấp nhận được.
Thể hiện ngọn lửa trong đồ họa vi tính cần tạo ra một cảm giác trực quan đúng
đắn về tính động của lửa. Hiện tại có rất nhiều mơ hình được sử dụng để mơ phỏng ngọn
lửa. Trong các mơ hình cháy vẫn đang khá sơ sài ở thời điểm hiện tại, các tia lửa được
mô phỏng khá thuyết phục bằng cách sử dụng mơ hình đơn giản của cơ chế đốt cháy
hỗn hợp khí - nhiên liệu cũng như bằng các mơ hình thủ tục phức tạp hơn.
Tiến trình thể hiện ngọn lửa là vấn đề then chốt của mô phỏng lửa. Trong một thể
hiện ba chiều của ngọn lửa, các hình ảnh có thể được tạo ra rất nhanh bằng các kĩ thuật
đồ họa cho ta cảm giác thực sự về một ngọn lửa. Để có kết quả tốt hơn, người ta có thể
sử dụng các kĩ thuật như ánh xạ photon coi ngọn lửa như là các nguồn sáng hạt thật sự.
Các hiệu ứng tâm lý như sự điều chỉnh của mắt người khi thay đổi độ sáng của ngọn lửa
cũng được sử dụng.
Để thể hiện ngọn lửa, ta có thể sử dụng những kĩ thuật đơn giản như phép chiếu
thẳng và phép theo vết tia sáng. Chúng ta cũng có thể sử dụng các mơ hình thể hiện ngọn
lửa dựa trên hình ảnh để tận dụng các thơng tin ở các hình ảnh sử dụng. Phương hướng
trong tương lai là ứng dụng các phân tích chuẩn về các tính chất của ngọn lửa như tính
mờ để đề ra các phương thức mới, mở rộng các phương thức mơ 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 [4].

Hình 1.8. Lửa trong bài tốn mơ phỏng cháy rừng


14

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỒ HỌA ÁP DỤNG

TRONG MÔ PHỎNG HỎA HOẠN
Với mục tiêu đề ra của luận văn hướng tới mô phỏng hỏa hoạn trong trường học,
từ đó xây dựng một số các tình huống hướng dẫn thốt hiểm đòi hỏi các nghiên cứu về
hiệu ứng khói, lửa, các kỹ thuật va chạm, điều khiển nhân vật và mơ hình hóa ba chiều.
Trong đó, các kỹ thuật xây dựng hiệu ứng khói lửa ứng dụng trong quá trình mơ phỏng
lửa và khói sinh ra trong hỏa hoạn, các kỹ thuật va chạm giúp điều khiển, tương tác giữa
đổi tượng ảo và các mơ hình ba chiều xung quanh, đồng thời xác định va chạm giúp quá
trình thiết đặt tình huống khi mà đối tượng ở trong các vị trí khác nhau tồn tại các tình
huống khác nhau. Các kỹ thuật điều khiển nhân vật cho phép mô phỏng lại các hoạt
động đi lại, bò của người tham gia khi thực hiện thốt hiếm. Cuối cùng q trình mơ
hình hóa cho phép mơ hình ba chiều khơng gian và các vật dụng cần mô phỏng. Chương
2 của luận văn sẽ trình bày chi tiết các kỹ thuật này áp dụng trong mô phỏng hỏa hoạn.

2.1. Kỹ thuật Particle trong mơ phỏng khói, lửa
Particle [5] là một kỹ thuật mơ phỏng điển hình được áp dụng rộng rãi trong các
bài tốn mơ phỏng vật chất khí, lỏng. Khối khí, chất lỏng với bản chất là tập các phân
tử có liên kết lỏng với nhau, do đó bề mặt, kích thước, hình dạng của các đối tượng này
thường xuyên thay đổi và rất khó để tính tốn, dự đốn một cách chính xác. Những thay
đổi này có thể được mơ tả bởi phương trình tốn học rất phức tạp. Particle là một trong
những phương pháp đặc biệt được dùng để mô phỏng các đối tượng kiểu này, với ý
tưởng mô phỏng các đối tượng khí, lỏng bởi chính các hạt tạo ra chúng. Đây là phương
pháp mô phỏng gần nhất với bản chất vật lý của đối tượng khói do vậy trong luận văn
được lựa chọn làm nền tảng cơ sở cho q trình mơ phỏng khói.
Một hệ thống Particle [5] là một tập các thành phần hay các hạt (Particle) riêng
biệt. Hệ thống Particle điều khiển tập các Particle, cho phép chúng hoạt động một cách
tự động nhưng với một số thuộc tính chung nhất định.
Trong thực tại ảo một đối tượng được mô phỏng bởi một hệ Particle mang nhiều
đặc điểm khác với các đối tượng 3D bình thường.
 Một đối tượng 3D bình thường được tạo lên bởi một tập các điểm có quan hệ
với nhau, từ đó tạo ra một tập các mặt. Trong q trình vẽ đối tượng cần phải tính

tốn tập các mặt này. Tuy nhiên một hệ Particle tạo bởi một tập các phần tử do đó
q trình xử lý, vẽ cũng hồn toàn khác.


15



Hệ Particle không phải là thực thể tĩnh mà chuyển động và thay đổi hình dạng

theo thời gian. Các Particle liên tục "chết đi" và các Particle mới được "sinh ra" trong
hệ thống.
 Một đối tượng được biểu diễn bằng hệ Particle khơng được xác định hồn tồn,
cả về đường nét lẫn hình dạng. Thay vào đó, nó được xác định bằng các tiến trình với
nhiều tham số ngẫu nhiên. Vì thế lần mơ phỏng đầu tiên có thể khác lần mơ phỏng
thứ hai về hình dạng, tuy nhiên vẫn mang các đặc tính chung nhất của đối tượng.
Hệ Particle không phải là một giải pháp mới, tối ưu cho mọi bài tốn mơ phỏng,
tuy nhiên đây là một phương pháp kinh điển, là nền tảng phát triển cho các phương pháp
khác. Hơn 50 năm trước thì những trò chơi đầu tiên trên máy tính cũng đã sử dụng rất
nhiều các pixel chuyển động để tạo ra vụ nổ của vũ khí (SpaceWar – 1962, Asteroids –
1978 v.v.). Hệ Particle cũng đã được sử dụng để tạo ra các hiệu ứng 3D trong các bộ
phim từ những năm 1980. Alvy Ray Smith và Jim Blinn sử dụng Particle để mô hình
hóa việc hình thành và chết đi của các vì sao trong các dải ngân hà trong Cosmos, một
seri phim truyền hình về nguồn gốc sự sống và vị trí của trái đất trong vũ trụ được phát
hành lần đầu năm 1980. Star Trek II, bộ phim nổi tiếng về đề tài chiến tranh vũ trụ được
phát hành năm 1982 cũng sử dụng kĩ thuật Particle để xây dựng hiệu ứng các vụ nổ
ngoài vũ trụ. Luận văn sẽ đi sâu nghiên cứu rõ hơn kĩ thuật xây dựng một hệ Particle.

Hình 2.1.Star Trek II - 1982
Hệ Particle khơng phải là thực thể tĩnh mà chuyển động và thay đổi hình dạng

theo thời gian. Các Particle liên tục "chết đi" và các Particle mới được "sinh ra" trong
hệ thống. Quy trình một hệ Particle được mơ tả bởi hình 2.2 bên dưới.


16

Hình 2.2. Quy trình thực hiện hệ Particle
Một đối tượng được biểu diễn bằng hệ Particle không được xác định hồn tồn,
cả về đường nét lẫn hình dạng. Thay vào đó, nó được xác định bằng các tiến trình với
nhiều tham số ngẫu nhiên. Vì thế, các lần mơ phỏng có thể khác nhau về hình dạng, tuy
nhiên vẫn mang các đặc tính chung nhất của đối tượng.
Mỗi một Particle được lập trình để thực hiện một tập các lệnh ở mỗi bước. Do có
tính thủ tục, phương pháp này có thể phối hợp bất cứ mơ hình tính tốn nào dùng để mơ
tả bề ngồi và chuyển động của đối tượng. Ví dụ, sự chuyển động và biến đổi của các
Particle có thể được gắn vào các phương trình vi phân cục bộ, hay các thuộc tính của
Particle có thể được gán vào các cơ chế thống kê xác suất cơ bản.
2.1.1. Particle trong mơ phỏng khói
Đối với bài tốn mơ phỏng khói một phần tử trong hệ Particle có các thuộc tính
cơ bản: vị trí sinh ra, số lượng, thời gian sống, vận tốc, màu sắc cho phép mơ phỏng một
khối khói như hình bên dưới.

Hình 2.3. Khói với các tham số cơ bản hệ Particle


17

Áp dụng các thuộc tính về sự khuếch tán và ảnh hưởng của mơi trường (ảnh
hưởng của gió) ta thu được hình ảnh khói khói tốt hơn trong hình 2.4 bên dưới.

⃗⃗⃗

⃗ = ∆y
u
⃗ +∆kt

⃗⃗⃗ + ∆mt
⃗⃗⃗⃗⃗
⃗ = ∆y
u
⃗ + ∆kt

(a)

(b)

Hình 2.4. Khói mơ phỏng: (a)Tham số khuếch tán (b) Tham số môi trường
⃗⃗⃗ là vector vận tốc thể hiện khả năng khuếch tán của
Với tham số khuếch tán: ∆kt
các phần tử. Khi đó vận tốc u
⃗⃗⃗ của mỗi hạt ngoài việc phục thuộc vào vận tốc bay lên
∆⃗⃗⃗y theo chiều thẳng đứng còn phụ thuộc vào tham số khuếch tán. Với tác động mơi
⃗⃗⃗⃗⃗ hình ảnh khối khói được kết xuất được tương đối tốt về mặt động lực của
trường ∆mt
các hạt. Để hình ảnh thu được giống hơn với thực tế, các mặt nạ được sử dụng thay thế
cho việc kết xuất hình ảnh từ các hạt cơ bản. Hình 2.5 là kết quả của khối khói khi sử
dụng các mặt nạ khác nhau.

Hình 2.5. Khói khi sử dụng mặt nạ
Để khối khói mơ phỏng giống với thực tế cần tiến hành xác định va chạm [6].
giữa các hạt và giữa các hạt với các đối tượng khác, cần sử dụng các phương pháp phát
hiện va chạm trong thực tại ảo [7]. Phương pháp sử dụng để phát hiện va chạm trong

trường hợp này là sử dụng các khối bao. Đối với đối tượng Particle khối bao được sử
dụng là khối cầu[8]. Đối với các đối tượng khác là các vật thể bị va chạm thì tùy theo
hình dạng của vật đó mà quyết định xem sử dụng khối bao nào là hợp lý. Hình 2.6 bên
dưới là hình ảnh khối khói khi va chạm với một mặt phẳng nằm ngang.


18

Hình 2.6. Khói khi có vật cản và va chạm
Quy trình kiểm tra va chạm đồng nghĩa với khối lượng tính tốn cũng tăng lên.
Chất lượng hình ảnh và tương tác khi mô phỏng được nâng cao. Tuy nhiên, khối lượng
tính tốn lớn dẫn đến hệ particle khó mở rộng về số lượng hạt.
2.1.2. Particle trong mô phỏng lửa
Lửa là một đối tượng khơng định hình, tức là nó chưa được định nghĩa một cách
rõ ràng và nó ln ln biến đổi theo thời gian. Việc sử dụng các phương pháp tổng hợp
hình ảnh thơng thường để mơ phỏng lửa sẽ rất phức tạp. Do vậy, để mô phỏng lửa, người
ta thường lựa chọn phương pháp Particle System. Để xây dựng hình ảnh cho một particle
lửa, chúng ta sẽ sử dụng kĩ thuật alpha channel. Đây là một kĩ thuật tạo mặt nạ cho ảnh
bipmap trong đồ họa vi tính. Đầu vào của quá trình này là một ảnh bipmap gốc ban đầu
và một ảnh bipmap đen trắng dùng để làm alpha channel. Thực chất của quá trình này
là thêm vào mỗi pixel ảnh gốc một chỉ số A cho độ trong suốt của pixel đó, ngồi 3 giá
trị R, G, B của màu sắc. A = 1 tương ứng với điểm màu đen trên alpha channel, khi đó
pixel của ảnh gốc sẽ bị mờ hoàn toàn. A = 0 tương ứng với điểm màu trắng trên alpha
channel, khi đó pixel của ảnh gốc sẽ hồn tồn khơng bị mờ. Sở dĩ ảnh đen trắng được
chọn làm alpha channel bởi vì với loại ảnh này, mỗi pixel có các giá trị R, G, B bằng
nhau, do đó ta chỉ cần lựa chọn một trong những chỉ số này để làm chỉ số A của ảnh cần
xử lý.

Hình 2.7. Cộng ảnh Alpha Channel vào ảnh để tạo mặt nạ