Mô phỏng hiệu ứng sóng nước trong thực tại ảo

79 16 0
  • Loading ...
1/79 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 27/02/2019, 12:36

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Trần Thị Thúy Mai MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG SÓNG NƯỚC TRONG THỰC TẠI ẢO LUẬN VĂN THẠC SỸ Thái nguyên: 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Trần Thị Thúy Mai MƠ PHỎNG HIỆU ỨNG SĨNG NƯỚC TRONG THỰC TẠI ẢO Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS ĐỖ NĂNG TOÀN Thái nguyên: 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan, tồn nội dung liên quan tới đề tài trình bày luận văn thân tơi tự tìm hiểu nghiên cứu, hướng dẫn khoa học Thầy giáo PGS TS ĐỖ NĂNG TOÀN Các tài liệu, số liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ nguồn gốc Tơi xin chịu trách nhiệm trước pháp luật lời cam đoan Thái Nguyên, ngày… Tháng… năm 2014 Học viên thực Trần Thị Thúy Mai Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn tới trường Công nghệ thông tin truyền thông - Đại học Thái Nguyên, nơi thầy cô tận tnh truyền đạt kiến thức quý báu cho tơi suốt q trình học tập Xin cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa cán tạo điều kiện tốt cho học tập hồn thành đề tài tốt nghiệp Đặc biệt, xin gửi tới PGS TS Đỗ Năng Tồn, thầy tận tnh bảo tơi suốt trình thực đề tài lời cảm ơn biết ơn sâu sắc Bên cạnh kiến thức khoa học, thầy giúp nhận học phong cách học tập, làm việc kinh nghiệm sống q báu Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp người thân động viên khích lệ tinh thần giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC i MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG NƯỚC VÀ BÀI TỐN MƠ PHỎNG SĨNG NƯỚC 1.1 Khái niệm mô nước 1.1.1 Tổng quan thực ảo 1.1.2 Vai trò mơ nước 10 1.1.3 Một số hiệu ứng nước 10 1.2 Bài tốn mơ sóng nước 14 1.2.1 Tổng quan mô 14 1.2.2 Bài tốn mơ sóng nước 16 CHƯƠNG II: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ PHỎNG SĨNG NƯỚC21 2.1 Đặc Điểm Cơ Bản Của Sóng Nước 21 2.1.1 Sóng 21 2.1.2 Những đại lượng đặc trưng chuyển động sóng 23 2.1.3 Phương trình sóng 23 2.2 Mô bề mặt nước 25 2.2.1 Hiện tượng căng mặt 25 2.2.2 Sự dính ướt khơng dính ướt 27 2.2.3 Cơ sở lý thuyết mô nước 28 2.3 Phương pháp Particle-based 31 2.3.1 Giới thiệu 31 2.3.2 Tiến trình mơ 32 2.3.3 Giảm mật độ kép 36 ii 2.3.4 Biểu diễn bề mặt (Viscoelasticity) 43 2.3.5 Va chạm với đối tượng 46 CHƯƠNG III: CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG 50 3.1 Bài Toán 50 3.2 Chương Trình 53 3.3 Kết thử nghiệm 55 PHẦN KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Những lĩnh vực nghệ thuật mà người sáng tạo lịch sử phát triển chung mục đích: mơ tả giới vô phong phú mà người sống, khơng có mâu thuẫn nói: tất người sáng tạo cuối chung mục đích phục vụ người Cơng nghệ thực ảo (Virtual Reality-VR) vậy, đời với mục đích mơ giới thực hay giới trí tưởng tượng người máy tính, từ người cảm nhận tương tác với giới giới thật Nếu trở lại vài thập niên trước, bạn cho điều viễn tưởng, phát triển vượt bậc phần cứng thiết bị xử lý đồ hoạ thiết bị ngoại vị tương tác cho phép sống giới thời điểm Ở Việt Nam, cơng nghệ Thực ảo triển khai nghiên cứu Tại viện Công nghệ thông tin thuộc Viện khoa học & Cơng nghệ Việt Nam trang bị phòng máy VR nước Bên cạnh trung tâm đầu não đó, kỹ thuật mơ nhiều trường Đại học, nhiều công ty phần mềm nghiên cứu thu kết bước đầu đáng khích lệ Nhưng để làm chủ cơng nghệ cần phải đầu tư nghiên cứu tiếp Một điều đương nhiên là: muốn hiểu tồn cơng nghệ phải nắm phương pháp thể loại đối tượng, nước phần thiều hệ Thực ảo Chính tơi chọn đề tài “ mơ hiệu ứng sóng nước thực ảo” để làm luận văn tốt nghiệp Đối tượng phạm vi nghiên cứu a Đối tượng đề tài: 2.3.5.1 Va chạm Với đối tượng, trường khoảng cách lấy mẫu lưu cấu trúc lưới Với particles thêm vào khoảng cách d Sự va chạm xác định d nhỏ bán kính va chạm R Người ta đề xuất bước cho trình tương tác sau: Và thuật toán tương tác particle-body sau: Thuật toán 6: Trong bước đầu (từ dòng đến 7), vị trí phần tử (body position) chuyển lên phía trước lực đẩy phụ thuộc vào phần sắc xảo (penetrating particles) tích luỹ trọng lực vào nhớ tạm Trong bước thứ (từ dòng đến 11), vận tốc v vận tốc góc ω body cập nhật sử dụng lực vận tốc góc tích lũy Những bodies tiến xa lần từ cấu hình ban đầu tùy theo vận tốc chúng, vị trí particles va chạm chưa thay đổi Thông thường, va chạm trạng thái tiếp xúc giải tiếp sau đó, bodies vươn tới vị trí vận tốc cuối chúng Trong bước (từ dòng 12 đến 15), update vị trí particles để loại bỏ trình thâm nhập vận tốc Trong bước cuối cùng, body coi có tính ì vô hạn Sức đẩy (impulses) phụ thuộc vào body-particle va chạm dựa phục hồi kiểu va chạm zero-restitution với ma sát lớn Mơ hình yêu cầu vận tốc particle vi tính sử dụng chênh lệch vị trí particles particles trước Sau đó, tính vận tốc tương đối particles: V = Vi - Vρ Vρ : vận tốc body điểm tiếp xúc Vận tốc tách thành thành phần pháp tuyến tiếp tuyến Xung lực dòng dòng 13 khử vận tốc tiếp tuyến vận tốc pháp tuyến Ở đây, μ tham số va chạm: μ = μ = Trong vài trạng thái khó, ví dụ particles đối tượng bắt đầu bước, việc xóa bỏ q trình xâm nhập vận tốc Người ta giải vấn đề cách sử dụng trường khoảng cách để rút particles bị xâm phạm cuối giai đoạn va chạm (dòng 15) Khi bình thường với phát va chạm dựa trường khoảng cách, va chạm bị bỏ qua đối tượng mỏng khía cạnh vận tốc vật 2.3.5.2 Tính nhớt (stickness) tương tác với đối tượng Như mô tả, particles tách rời khỏi đối tượng Chúng ta thực phương pháp đơn giản để gắn (dính) chúng lại với phía bề mặt ngang Ý tưởng thay đổi xung lực tính phương trình (11) cách thêm vào sức hút cho particles gần đối tượng Di khoảng cách đối tượng bề mặt particles xung đột Sự thúc đẩy lực hút xảy di nhỏ khoảng cách cố định d stick dụ particles nhảy lên bề mặt d Để tránh vật mẫu hố (artifacts), ví stick phải lực giữ đủ nhỏ để tương tác particles nằm miền h Chúng ta sử dụng công thức: I stick di ˆ tk stick di stick n d Nó đạt giá trị lớn khoảng cách d (12) stick /2 CHƯƠNG III: CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG 3.1 Bài Tốn Mơ nước tốn tương đối khó Nhưng tính cấp thiết tầm quan trọng Thực ảo lại vấn đề cấp thiết cần làm Bài tốn mơ nước có hai hướng tiếp cận : Phương pháp giả mô phỏng: ta dùng kỹ thuật xử lý ảnh để tạo đối tượng hiệu ứng giả đánh lừa mắt nhìn người Ví dụ, biến đổi ảnh khơng gian 2D thành hình ảnh vật khơng gian 3D, hay phương pháp Texture Phương pháp mô thật: dùng kỹ thuật tạo đối tượng hiệu ứng dựa sở khoa học thuật tốn biểu diễn tính chất vật lý đối tượng hàm biến đổi để thể đối tượng cách xác Với tốn nêu luận văn chọn hướng tiếp cận thứ hai: mô thật để thể mặt nước với hiệu ứng sóng có kiện ngoại lực tác động, in bóng Nước có nhiều hiệu ứng khác đề cập phần 1.1.3 mục luận văn lựa chọn số hiệu ứng mặt nước để giải yêu cầu, là: tạo mặt nước động có sóng, hiệu ứng phản chiếu ánh sáng, in bóng nước, độ màu sắc mặt nước Phương pháp Particles-based dựa phần tử đa giác hay khối hình Polygon để tạo thành bề mặt nước, khơng tốt dùng để thể nước có kích thước nhỏ trơng khơng thật khó khăn việc tạo hiệu ứng bề mặt, với bề mặt rộng lớn phương pháp tỏ ưu điểm vượt trội Nó thể tốt mặt nước với đầy đủ hiệu ứng sóng nước, giao thoa sóng nước, nước chảy, hiệu ứng in bóng nước phản chiếu ánh sáng.v.v… Hình 3.1: Thể mặt nước lưới đa giác phương pháp ParticleBase Xây dựng mô hình giới ba chiều khâu quan trọng quy trình xây dựng hệ thống Thực ảo.Từ hệ thống để bàn đến dạng hệ hỗ trợ nhúng hồn tồn, mức độ xác tinh tế hình ảnh lập thể khơng gian ảo ảnh hưởng không nhỏ tới mức độ cảm nhận tnh thực người sử dụng giới ảo Trên giới có nhiều cơng cụ phần mềm hỗ trợ xây dựng ứng dụng đồ hoạ nói chung xây dựng mơ hình nước Thực ảo nói riêng Do vậy, việc lựa chọn thích hợp mặt tính giá thành vấn đề đáng quan tâm đầu tư xây dựng hệ thống Thực ảo Bài luận văn đưa số đánh giá khách quan phần mềm phổ biến thông qua việc tập hợp ý kiến chuyên gia sử dụng cơng cụ phần mềm Hiện tại, nói đến phần mềm hỗ trợ xây dựng mơ hình lập thể, ta phải đề cập đến phần mềm phổ biến Maya, 3D Studio Max, , Hình 3.2: Thể dòng nước chảy phần tử lập thể particles mềm nói dựa sở yêu cầu kinh nghiệm sử dụng p 3DRender 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Maya 3D Studio Max Softimage Renderman Houdini LightWave Hình 3.3: Biểu đồ so sánh mức độ yêu cầu kinh nghiệm phần mềm hỗ trợ xây dựng mơ hình lập thể thiết kế đồ hoạ 3D chuyên nghiệp Ở Việt Nam kết nghiên cứu thực ảo mơ nước hạn chế với chiến lược phát triển tốt bước hướng định ngày tạo hệ thống mô lớn sánh ngang với hệ mô giới, không đủ cung cấp cho nhu cầu Việt Nam Chương trình mơ mặt nước phải thể u cầu phải có tính thẩm mỹ đủ làm hài lòng người quan sát Có thể mở rộng tạo số tương tác điều khiển lên đối tượng mặt nước làm cho mặt nước sinh động có khả sẵn sàng tích hợp hệ mô Thực ảo Để củng cố phần lý thuyết đề cập, chương trình cài đặt minh họa cho phương pháp particle – base nêu chương II, áp dụng cho đối tượng cụ thể ảnh bitmap Bài toán đặt sau: - Đầu vào: ảnh bitmap - Đầu ra: Mơ hiệu ứng sóng nước chịu tác động ngoại lực dựa phương pháp particle 3.2 Chương Trình Để giải tốn luận văn sử dụng hướng tiếp cận mô thật Kỹ thuật mô nước dùng kỹ thuật Particle-Based - Sử dụng ngôn ngữ Visual Studio để xây dựng chương trình demo Với việc mơ tả hiệu ứng sóng chịu ngọai lực tác động, cần giải việc sau: Qua phân tích để xác định rõ yêu cầu toán, luận văn đề cập đến giải toán cách sử dụng kỹ thuật Particle-Based thể yêu cầu hiệu ứng mặt nước đề Chia nhỏ tốn mơ mặt nước thành phần nhỏ để giải yêu cầu toán Cụ thể sau: - Hiệu ứng in bóng nước: dùng phép chiếu ảnh để lấy ảnh đối ngẫu với ảnh gốc ban đầu (mọi thao tác diễn ảnh đối ngẫu này) - Mặt nước dao động: chia mặt nước(ảnh đối ngẫu) thành dãy đường kẻ ngang ảnh với bề rộng nhỏ chiều dài chiều dài ảnh Sử dụng vòng lặp để điều khiển việc vẽ lại đường kẻ từ ảnh gốc, vòng lặp chịu trách nhiệm tạo hiệu ứng sóng Nó tạo thay đổi từ ảnh nguồn tới ảnh đích với hiệu ứng sóng xây dựng việc chép đường kẻ Thay chép đường từ ảnh nguồn, xây dựng hàm mà giá trị thay đổi dựa hàm sine(tỷ lệ chiều dài cạnh đối diện với góc nhọn chiều dài cạnh huyền) Đó chép từ bên sang bên sinh hiệu ứng sóng nước Trong thực tế, thay đổi đơn giản tạo gợn sóng cho ảnh mà không tạo hiệu ứng cho bề mặt hồ nước Do muốn có nhiều sóng phải tạo nhiều thay đổi vị trí nhiều dòng kẻ Kích thước độ dịch chuyển biến đổi dựa theo vị trí tọa độ y (dựa theo chiều dọc ảnh) đường kẻ Các đường gần với phần ảnh thay đổi đường phần ảnh Điều giúp cho việc phối cảnh trở lên chân thực - Ngoại lực tác dụng thể thông qua kiện di chuyển trái chuột Một vòng tròn với bán kính radius độ cao height tạo hàm PutDrop(x,y,height) - Phát sinh sóng: sóng sinh phát triền từ đường tròn trung tâm, lan sang điểm lân cận theo vòng tròn với bán kính lớn dần Sóng xuất nằm phạm vi ảnh - Thời gian sống sóng phụ thuộc vào yếu tố: sóng lan xa, bước sóng lớn độ mạnh sóng lại giảm Mỗi lần sóng lên xuống, lượng phân bố theo khu vực tương ứng Có nghĩa là, cường độ sóng giảm theo đường sóng Sử dụng yếu tố gọi damping để điều khiển việc Yếu tố lượng phần trăm(%) cường độ sóng trừ cho cường độ để khiến cường độ cao biến nhanh cường độ nhẹ từ từ 3.3 Kết thử nghiệm Mô thành cơng mặt nước với hiệu ứng sóng xuất có ngoại lực tác động: Hình 3.4: Mơ hiệu ứng sóng nước kỹ thuật Partcle-Based PHẦN KẾT LUẬN Trong trình tm hiểu, nghiên cứu, thực đến hồn thành Luận văn tốt nghiệp tơi bổ sung thêm cho nhiều kiến thức q giá Tôi tm hiểu sâu hơn, đầy đủ tính chất vật lý chất lỏng nói chung nước nói riêng Tơi có thêm kiến thức công nghệ thực ảo công nghệ mô ứng dụng chúng Tôi thực việc mô nước hiệu ứng nước phương pháp Particle Mô nước sử dụng cơng cụ có sẵn mơ nước thông qua phương pháp phức tạp, chi tiết, phần em sâu vào nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp mơ nước hiệu ứng nước phương pháp Particle – based Đặc biệt, qua luận văn với dẫn nhiệt tnh thầy giáo hướng dẫn học cách tìm hiểu, phân tích nghiên cứu vấn đề khoa học Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, thân nỗ lực, cố gắng, đầu tư nhiều thời gian, công sức cho việc tm hiểu nghiên cứu đề tài nhận bảo, định hướng tận tnh thầy giáo hướng dẫn anh, chị trước hạn chế mặt thời gian khó khăn việc tìm kiếm tài liệu nên chưa có kết thực hồn hảo Đã demo cho phương pháp Particle - based chưa tm giải pháp tối ưu, chương trình u cầu q nhiều nhớ ngồi đòi hỏi cấu hình máy mạnh ((tốc độ máy > = 3GH, nhớ >= 1GB, card đồ họa >= 512 MB) Chưa demo hết tất hiệu ứng nước Hướng phát triển: Với kết nghiên cứu trên, cộng với đầu tư thời gian công nghệ tương lai việc thực mơ liên quan đến nước khơng vấn đề khó khăn Chúng ta dễ dàng thực việc mơ xác nước tượng nước, hiệu ứng âm chúng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Vĩnh (2006), Cơ học chất lỏng ứng dụng, NXB Giáo dục [2] Nguyễn Thanh Khiết, Phạm Quý Tư, Nguyễn Đức Thuần, Nguyễn Đức Thâm, Sách Vật Lý 11, Nhà xuất Giáo dục, 1999 [3] Using Virtual Reality modelling to improve training techniques, http://www.ifip.or.at/con2000/iceut2000/iceut12-09.pdf [4] Virtual and Interative Environments for Workplaces of the future http://www.view.iao.fhg.de/IntrotoVR.htm [5] The Virtual Reality Laboratory (VRL) at the University of Michigan, http://www-vrl.umich.edu [6] P.J Costello Health and Safety Issues associated with Virtual Reality - A Review of Current Literature Advanced VR Research Centre, July 23rd, 1997, Patrick Costello Dept of Human Sciences, Loughborough University, Loughborough, Leicestershire, LE11 1NL [7] R.S Kalawsky Exploiting Virtual Reality Techniques in Education and Training: Technological Issues, A report prepared for AGOCG, Advanced VR Research Centre, Loughborough University of Technology [8] Nikos Avradinis, Spyros Vosinakis, Themis Panayiotopoulos Using Virtual Reality Techniques for the Simulation of Physics Experiments, Dept of Informatics, University of Piraeus, Knowledge Engineering Laboratory [9] MEDICAL APPLICATIONS of VIRTUAL REALITY - Richard M Satava, MD FACS Professor of Surgery, Yale University School of Medicine and Program Manager, Advanced Biomedical Technologies, Defense Advanced Research, Projects Agency (DARPA); CDR Shaun B Jones, MD, Associate Professor of Surgery, Uniformed Services University of Health Sciences (USUHS) and Program Manager, Pathogen Countermeasures, Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) [10] Applications of Virtual Reality, Marc Bernatchez, July 13th, 2004, http://vresources.jump-gate.com/applications/applications.shtml [11] Virtual Reality and Augmented Reality Research Areas, Center of Advanced Media Technology (CAMTech), University of Nanyang, Singapore, http://camtech.ntu.edu.sg/index.htm [12] Josh RobinsonMax VS Maya A direct comparision and analysis for Usage of Workplace, October, 11 2004 [13] Particle-based Viscoelastic Fluid Simulation Simon Claves, Philippe Beaudoin, and Pierre Poulin, LIGUM, Dept.IRO University De Montreal [14] Một số Website: - http://www.iro.umontreal.ca - http://www.inria.fr - http://www.cco.caltech.edu - http://math.berkeley.edu - http://www.ann.jussieu.fr - http://vi.wikipedia.org - http://www.library.cornell.edu - http://math.fullerton.edu - http://www10.informatik.uni- erlangen.de - http://w3.impa.br ... nước khác nhau, tác dụng khác dẫn đến hiệu ứng khác Sau số hiệu ứng nước mà ta thường gặp: Hiệu ứng phản chiếu ánh sáng Hiệu ứng in bóng nước Hiệu ứng sóng nước Hiệu ứng giao thoa sóng nước Hiệu. .. mô nước tốn mơ sóng nước Trong chương xin giới thiệu tổng quan trình phát triển lĩnh vực ứng dụng Thực ảo, đồng thời cung cấp nhìn tổng quan mơ nước hệ Thực ảo Tại chương sâu phân tích hiệu ứng. .. nước, giới thiệu phương pháp mô mà người ta dùng để tạo hiệu ứng nước Trình bày tốn mơ sóng nước để làm sở cho trình bày phương pháp mơ sóng nước chương Chương 2: Một số vấn đề mơ sóng nước Trong
- Xem thêm -

Xem thêm: Mô phỏng hiệu ứng sóng nước trong thực tại ảo , Mô phỏng hiệu ứng sóng nước trong thực tại ảo

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn