Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Xây dựng chương trình mô phỏng 3D hướng dẫn các kỹ năng xử lý thoát hiểm khi gặp hỏa hoạn trong các trường học

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:58

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung luận văn được chia làm 3 phần chính: Chương 1 trình bày tổng quan về công nghệ mô phỏng, đồng thời trình bày bài toán mô phỏng hỏa hoạn cũng như những ý nghĩa thực tiễn của bài toán này khi mô phỏng các tình huống thoát hiểm. Chương 2 là những nghiên cứu, phân tích về các kỹ thuật sử dụng trong mô phỏng khói lửa từ đó áp dụng vào cài đặt và mô phỏng tình huống. Chương 3 là trình bày thực nghiệm và ứng dụng của mô phỏng khói, lửa áp dụng trong việc xây dựng các tình huống thoát hiểm khi gặp hỏa hoạn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Xây dựng chương trình mô phỏng 3D hướng dẫn các kỹ năng xử lý thoát hiểm khi gặp hỏa hoạn trong các trường học

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 3D HƯỚNG DẪN CÁC KỸ NĂNG XỬ LÝ THOÁT 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 công trình đã được công bố được trích dẫn, ghi rõ nguồn gốc. Kết quả mô phỏng, thí nghiệm được lấy từ chương trình của bản thân. Nếu có gì sai phạm tôi xin hoàn toàn 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 tôi luôn nhận được sự quan tâm, giúp đỡ từ thầy cô, đồng nghiệp bạn bè và người thân. Đây là nguồn động lực giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi 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. Tôi 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 tôi hoàn 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 năm 2020 Phùng Duy Linh
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii DANH MỤC HÌNH ẢNH .....................................................................................................v LỜI NÓI 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 công 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 mô phỏng khói, lửa ..................................................................11 1.3.1. Bài toán thoát hiểm khi xảy ra hỏa hoạn ....................................................................11 1.3.2. Tổng quan về mô phỏng khói ....................................................................................11 1.3.3. Tổng quan về mô 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 mô phỏng khói, lửa ..................................................................14 2.1.1. Particle trong mô 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 mô 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 quá trình mô phỏng ...................................................................42 3.3.3. Hình ảnh lửa trong quá trình mô phỏng .....................................................................43 3.3.4. Mô phỏng di chuyển, các tình huống khi sảy ra va chạm ..........................................45 3.3.5. Một số hình ảnh mô 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. Mô phỏng phẫu thuật .....................................................................................2 Hình 1.2. Mô phỏng đối tượng tĩnh ...............................................................................6 Hình 1.3. Mô phỏng đối tượng động .............................................................................7 Hình 1.4. Ứng dụng trong mô phỏng kiến trúc .............................................................7 Hình 1.5.Mô phỏng lái xe trong giải trí .........................................................................9 Hình 1.6. Buồng lái mô phỏng máy bay ảo của Học viện Phòng Không-Không quân 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 toán mô 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 mô phỏng: (a)Tham số khuếch tán (b) Tham số môi 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 mô 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 toán đối với các hộp bao ......................................28 Hình 2.19. Một số hình khối 3D cơ bản ......................................................................29 Hình 2.20. Công 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. Mô hình trường ĐH Hùng Vương góc 1 ...................................................33 Hình 2.25. Mô hình trường ĐH Hùng Vương góc 2 ...................................................33 Hình 2.26. Mô hình trường ĐH Hùng vương góc 3 ....................................................34 Hình 2.27. Mô 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.Công trình xây dựng đã được mô 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 mô 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 mô 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 thoát hiểm ..........................45 Hình 3.9. Hình ảnh đường Path và các điểm va chạm Trigger ...................................46 Hình 3.10. Tình huống bên ngoài khu vực lan can khi bắt đầu xảy ra cháy ...............46 Hình 3.11. Tình huống phát hiện đám cháy ngoài tầm kiểm soát ...............................47 Hình 3.12. Thông báo khi lựa chọn sai trong các tình huống thoát hiểm ...................47 Hình 3.13. Tình huống lựa chọn thang máy cho quá trình thoát hiểm ........................48 Hình 3.14. Thành công thoát hiểm ..............................................................................48
1 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, mô 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 mô 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 mô phỏng và từ đó xây dựng các tình huống hướng dẫn các thầy cô 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 công nghệ mô phỏng, đồng thời trình bày bài toán mô phỏng hỏa hoạn cũng như những ý nghĩa thực tiễn của bài toán này khi mô phỏng các tình huống thoát hiểm. Chương 2 là những nghiên cứu, phân tích về các kỹ thuật sử dụng trong mô phỏng khói lửa từ đó áp dụng vào cài đặt và mô phỏng tình huống. Chương 3 là trình bày thực nghiệm và ứng dụng của mô phỏng khói, lửa áp dụng trong việc xây dựng các tình huống thoát 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 quá lớn. Việc mô 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 yêu cầu về độ chính xác trong việc mô phỏng càng khắt khe hơn. Vì vậy, những kĩ thuật mới trong mô phỏng trên máy tính trở nên quan trọng và cần phải nghiên cứu để hiểu rõ nó. 1.1.1. Khái niệm mô phỏng Mô 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. Mô phỏng trên máy tính là mô phỏng mà trong đó các mô hình được tạo ra thông qua việc lập trình. Việc mô phỏng trên máy tính bao gồm thiết kế một mô hình vật lý của hệ thống, thực thi mô hình đó trên một máy tính và phân tích kết quả đầu ra. Từ đó, người ta phân mô phỏng thành ba lĩnh vực nhỏ: thiết kế mô hình, thực thi mô hình và phân tích mô hình. Mô hình được định nghĩa là biểu diễn của một hệ thống thực. Một mô hình không nên quá 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 luôn có rất nhiều ràng buộc và ảnh hưởng qua lại với những hệ thống khác, việc mô phỏng toàn bộ tất cả các mối quan hệ này là hết sức khó khăn mà nhiều khi không giúp ích gì cho việc nghiên cứu hệ thống. Hình 1.1. Mô phỏng phẫu thuật
3 1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm của mô phỏng Sự cạnh tranh trong công 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. Mô phỏng cho phép tạo ra một mô hình và so sánh để đảm bảo rằng mô 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 mô hình đó và kiểm tra tất cả các ảnh hưởng lên mô hình. Sau quá trình đánh giá đó những thay đổi mới được áp dụng vào thực tế khi đã đảm bảo rằng sẽ không 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: Mô 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 không được dự đoán 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 không thể sử dụng được. Nhận biết các vấn đề không được dự đoán trước: Khi một hệ thống được mô phỏng trước khi cài đặt và làm việc theo đúng như tính toán thì mô hình thường được cải tiến để có thể mô 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 mô 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 mô hình hóa một hệ thống phức tạp thì các kiến thức về hệ thống thường phân tán vì mỗi chuyên gia đều có những kiến thức riêng trong lĩnh vực của mình. Để phát triển mô 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 thông qua mô hình, ngoài 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 môi trường bên ngoài. Nâng cao tốc độ phân tích: Sau khi phát triển một mô hình, chúng ta có thể chạy hệ thống mô 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 mô 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 mô 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 mô hình sẽ không hoạt động chính xác và mô hình đó không thể dùng làm công cụ phân tích hệ thống. Vì thế, việc phát triển mô 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 toàn của mô hình sẽ trở thành một vấn đề lớn. Thúc đẩy sáng tạo: Có một mô 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 toàn hơn mà không dám lựa chọn cách làm mới. Điều này làm giảm tính sáng tạo trong công việc. Nhưng nếu có một mô hình mô 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 yên tâm lựa chọn phương pháp mới. Ngoài ra, các ý tưởng mới cũng có thể được đưa lên mô hình để kiểm tra mà không sợ gặp rủi ro. Tựu trung lại, các ưu điểm của mô 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 hoàn hảo đến mức có thể sử dụng trong mọi trường hợp. Cụ thể còn tồn tại những nhược điểm như sau: Khó khăn khi mô phỏng: Việc tạo ra một hệ thống mô phỏng giống với thực tế đòi hỏi người làm chương trình mô phỏng phải hiểu rõ cấu trúc, phương thức hoạt động, vận hành của hệ thống đó trên thực tế. Chỉ một yếu tố không được tính đến có thể dẫn tới sự đổ vỡ của chương trình mô phỏng. Kết quả đưa ra mang tính tương đối: Nhược điểm này xuất phát từ chính khó khăn đầu tiên khi tiến hành mô phỏng. Một hệ thống có thể là rất phức tạp, để hiểu rõ toàn bộ những hệ thống đó là điều khó có thể khẳng định 100%. Bên cạnh đó có nhiều đối tượng mà con người không thể hiểu biết hoàn toàn 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 không phải mô phỏng, nhưng lúc đó chi phí sẽ là rất lớn. Khó để xác thực: Quá trình xác thực là nhằm đảm bảo mô 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 không 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 mô 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 mô hình 3D nhờ các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++ v.v.. Cách này không đòi hỏi sự chạy đua về công nghệ cũng như cấu hình mạnh của phần cứng, hơn nữa 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 thuật toán 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 đôi khi nó lại là lựa chọn cho những ai muốn mô phỏng chính xác các hiện tượng thiên nhiên đúng với bản chất của nó. Tuy nhiên nó chỉ phù hợp với những mô phỏng có quy mô nhỏ, phù hợp với việc học tập. 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 nhiều thời gian thực hiện, nó phù hợp với các mô phỏng có tính chất mô hình không yêu cầu độ chính xác cao. Một nhược điểm là nó yêu 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: mô phỏng tĩnh và mô phỏng động.  Mô phỏng tĩnh: Là dạng mô phỏng chỉ thể hiện được mô hình tĩnh, trong kết quả mô phỏng không có sự chuyển động, không có sự biến đổi. Đây là dạng mô phỏng thường chỉ áp dụng cho các vật tĩnh. Đây là dạng mô phỏng đơn giản nhất. Hình 1.2. Mô phỏng đối tượng tĩnh  Mô phỏng động: mô phỏng động được tách thành hai loại, đó là mô phỏng động theo thời gian thực và mô phỏng động không theo thời gian thực: Mô phỏng động theo thời gian thực: là dạng mô phỏng đối tượng có sự chuyển động hoặc có tính chất thay đổi theo thời gian, không gian, và khi có tương tác thì hệ phải đáp ứng sự kiện đó trong một khoảng thời gian nhất định (quá thời gian đó thì kết quả không còn có ý nghĩa). Đây là dạng mô 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 mô 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 mô phỏng không có sự tương tác nhiều, không cần đáp ứng thời gian.
7 Hình 1.3. Mô phỏng đối tượng động Để thực hiện mô 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 không 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 công 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 mô hình hoá 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 công trình mong muốn trong tương lai. Việc xây dựng các mô hình không gian kiến trúc bằng hình ảnh lập thể với đầy đủ mô 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 công 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 không chỉ đơn thuần mang tính thẩm mỹ, tính kỹ thuật mà đôi khi còn ảnh hưởng tới sức sống của thiết bị xét về khía cạnh thương mại. Khả năng mô hình hoá 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 không nhỏ trong thành công của thiết bị công nghệ, giảm bớt những chi phí phát sinh, và đây cũng là một ưu điểm điển hình của công nghệ mô 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 công 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 công nghiệp giải trí. Tóm lại, các ứng dụng mô 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. Mô phỏng lái xe trong giải trí 1.2.3. Giáo dục và Đào tạo Đào tạo là một lĩnh vực điển hình của công nghệ mô phỏng. Phát triển trên nền công 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 môi 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 môi 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 hoá chất, hay nhưng bài học về thoát hiểm v.v.. Hình 1.6. Buồng lái mô phỏng máy bay ảo của Học viện Phòng Không - Không quân Việt Nam Tất cả những đặc tính này khiến công 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 mô phỏng chính xác hơn do có thể quan sát từ nhiều góc độ khác nhau về mặt không 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 môi 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 không 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 mô phỏng, hệ thống đào tạo y học này bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tương tác ba chiều là mô 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 mô hình trong quá 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 mô 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 quá trình thực tập không 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 toàn và hiệu quả điều trị, giảm thiểu sai lầm rủi ro đáng tiếc xảy ra.
11 1.3. Bài toán thoát hiểm và mô 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 toàn lao động: nguyên nhân nghẹt thở vì khói là nguyên 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 (http://songkhoe.vn) cho biết: tổn thương do hít khói là nguyên nhân gây tử vong của trên 50% trường hợp bị bỏng, cao hơn nhiều so với tỷ lệ tử vong 10% không 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 không gian kín. Theo báo sức khỏe gia đình (http://suckhoegiadinh.org): Do tác dụng của các chất trong không khí nóng: khói nóng gây tổn thương nặng hơn so với không khí nóng; hơi nước nóng thường gây bỏng nặng hơn không khí nóng vì gây bỏng toàn bộ đường hô hấp, trong đó tổn thương nặng nhất là ở đường hô hấp. Thời gian nạn nhân tiếp xúc với nguồn nhiệt càng lâu thì bỏng càng nặng. Ngoài ra, khí thải động cơ ôtô, 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 công trình nhà ở, phòng 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 mô 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 mô 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 công 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 toán mô phỏng khói: thuộc lớp các bài toán mô 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 toán mô 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 môi trường tới đối tượng khói cần mô phỏng. 1.3.3. Tổng quan về mô 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 mô hình hình ảnh của lửa, bởi vì mục tiêu chính của chúng ta là xây dựng mô 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 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 và mặc nhận nó là môi trường không tán xạ. Khi không 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 mô hình được sử dụng để mô phỏng ngọn lửa. Trong các mô 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 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. 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 mô hình thể hiện ngọn lửa dựa trên hình ảnh 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 ngọn lửa như tính mờ 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 [4]. Hình 1.8. Lửa trong bài toán mô phỏng cháy rừng