phần Mở đầu, phần Kết luận và ba chƣơng cụ thể nhu sau: Chƣơng 1: Khái quát về mô phỏng nƣớc và bài toán mô phỏng sóng nƣớc Trong chƣơng này tôi xin giới thiệu tổng quan về quá trình phát triển và các lĩnh vực ứng dụng chính hiện nay của Thực tại ảo, đồng thời cung cấp một cái nhìn tổng quan về mô phỏng nƣớc trong hệ Thực tại ảo. Tại chƣơng này tôi cũng đi sâu phân tích các hiệu ứng cơ bản của nƣớc, giới thiệu những phƣơng pháp mô phỏng mà ngƣời ta đã dùng để tạo ra các hiệu ứng nƣớc. Trình bày bài toán mô phỏng sóng nƣớc để làm cơ sở cho sự trình bày phƣơng pháp mô phỏng sóng nƣớc trong chƣơng 2. Chƣơng 2: Một số vấn đề trong mô phỏng sóng nƣớc Trong chƣơng này tôi xin giới thiệu đặc điểm cơ bản của sóng nƣớc, những tính chất vật lý của nó và phƣơng pháp mô phỏng chính là Particle – based.
Chƣơng 3: Cài đặt chƣơng trình ứng dụng Trong chƣơng này tôi xin giới thiệu bài toán, chƣơng trình và kết quả thử nghiệm của mình. Phƣơng pháp nghiên cứu - Thu thập và phân tích các tài liệu, thông tin liên quan đến đề tài. - Tìm hiểu các quy trình mô phỏng và hiệu ứng của nƣớc - Tìm hiểu các kỹ thuật và thuật toán xử lý liên quan - Tìm hiểu và phân tích một số phép toán mô phỏng sóng nƣớc - Kết hợp các nghiên cứu trƣớc đây của các tác giả trong và ngoài nƣớc cùng với sự chỉ bảo, góp ý của Thầy hƣớng dẫn để hoàn thành nội dung nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học của đề tài - Nêu ra đƣợc tầm quan trọng của việc mô phỏng sóng nƣớc trong thực tại ảo, chọn ra đƣợc các thuật toán quan trọng, ƣu việt trong quá trình mô phỏng - Nghiên cứu sẽ đƣa ra đƣợc hiệu ứng của sóng nƣớc và tầm quan trọng của nó trong các lĩnh vực.
4 CHƢƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG NƢỚC VÀ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG SÓNG NƢỚC 1. Khái niệm về mô phỏng nƣớc 1. Tổng quan về thực tại ảo Công nghệ thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng đầu thập kỷ 90, nhƣng ở Mỹ và châu Âu thực tại ảo (Virtual Reality) đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực (nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tạo, thƣơng mại và giải trí,.) và tiềm năng kinh tế, cũng nhƣ trong dân dụng và quân sự. Thực tại ảo là gì? Thực tại ảo là mô phỏng môi trƣờng không gian ba chiều trên máy tính, trong môi trƣờng mô phỏng đó con ngƣời có thể quan sát và thực hiện những thao tác mà mình mong muốn.
Với tất cả những gì có trong môi trƣờng mô phỏng thông qua thiết bị đầu vào, kết quả trả lại là những sự thay đổi của môi trƣờng đó mà con ngƣời có thể quan sát, hay cảm nhận đƣợc thông qua các thiết bị đầu ra. Theo nhƣ định nghĩa trên chúng ta có thể dễ dàng nhận ra các thành phần làm lòng cốt của thực tại ảo là: môi trƣờng không gian ba chiều, sự tƣơng tác, các thiết bị đầu vào, thiết bị đầu ra, và mô hình phải đƣợc tạo trên máy tính. Trong thế giới ảo này, ngƣời sử dụng không còn đƣợc xem nhƣ ngƣời quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống. Mục tiêu của phần tổng quan này là đƣa ra một số nét tổng quát về công nghệ Thực tại ảo, trong đó bao gồm: một số nét chính trong lịch sử hình thành, các lĩnh vực ứng dụng, ý nghĩa của các mô hình thực tại ảo trong tƣơng lai 5 1.
Sơ lƣợc lịch sử phát triển của thực tại ảo Mặc dù Thực tại ảo đƣợc mô tả nhƣ một công nghệ mới mang tính cách mạng, nhƣng ý tƣởng về việc nhúng ngƣời sử dụng vào một môi trƣờng nhân tạo đã ra đời từ rất sớm. Thực tại ảo có thể đƣợc xem nhƣ một sự tiếp nối của những ý tƣởng đã lâu nhƣ hệ thống mô phỏng bay (Flight Simulation), rạp chiếu phim màn ảnh rộng (nhƣ Cinerama hay IMAX), rạp chiếu phim nổi v.v… Sử dụng các hệ thống nhƣ vậy, ngƣời quan sát có cảm giác hình ảnh đang sống động ngay trƣớc mắt mình. Sự ra đời của các máy điện toán mini và bài báo khoa học của Ivan Sutherland có tên “Màn hình tối tân” (Ultimate Display) vào năm 1965 đƣợc xem là hai bƣớc đột phá lớn vào thập kỷ 60 cho công nghệ Thực tại ảo. Trong bài báo của mình, Sutherland đã tiên đoán sự phát triển của Thiết bị Hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) đầu tiên, mà sau đó chính ông đã tạo ra một thiết bị nhƣ vậy, có tên là “Thanh kiếm của Damocles” (The Sword of Damocles).
Sutherland cũng nhận ra tiềm năng của máy điện toán trong việc tạo lập hình ảnh cho hệ thống mô phỏng bay, trong khi những hình ảnh này trƣớc đó đƣợc xây dựng bằng Video Camera. Những ý tƣởng này đƣợc hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Fisher và McGreevy kết hợp lại trong một dự án có tên là “Trạm làm việc ảo” (Visual Workstation) vào năm 1984. Cũng từ đó NASA phát triển thiết bị Hiển thị đội đầu có tính thƣơng mại đầu tiên, đƣợc gọi là màn hình môi trường trực quan (Visual Environment Display - VIVED), thiết kế dựa trên mẫu hình mặt nạ lặn với các màn hình quang học mà hình ảnh đƣợc cung cấp bởi hai thiết bị truyền hình cầm tay Sony Watchman. Sự phát triển của thiết bị này đã thành công ngoài dự đoán, bởi NASA đã sản xuất đƣợc một thiết bị HMD có giá chấp nhận đƣợc trên thị trƣờng, và nhƣ vậy ngành công nghiệp Thực tại ảo đã ra đời.
Các lĩnh vực ứng dụng của thực tại ảo Giáo dục và đào tạo Phát triển trên nền công nghệ và kỹ thuật cao, Thực tại ảo tích hợp những đặc tính làm cho bản thân nó có những tiềm năng vƣợt trội so với các công nghệ đa phƣơng tiện truyền thống khác: cho ngƣời sử dụng cảm nhận sự hiện diện của mình trong môi trƣờng do máy tính tạo ra bằng khả năng tƣơng tác, tự trị (Autonomy) của ngƣời dùng trong môi trƣờng ảo, cũng nhƣ bằng những phản hồi tức thời, trực quan từ phía môi trƣờng ảo tới các giác quan của ngƣời sử dụng. Hơn thế nữa, công nghệ Thực tại ảo cho phép mô phỏng những môi trƣờng nguy hiểm hay tốn kém nhƣ buồng lái máy bay, phòng thí nghiệm hoá chất.1 Mô hình huấn luyện bay sử dụng công nghệ Thực tại ảo Tất cả những đặc tính này khiến công nghệ Thực tại ảo trở nên rất phù hợp cho các ứng dụng có tính chất giáo dục hay đào tạo. Trong đó, những mô hình trình diễn lập thế đóng vai trò quan trọng. Các vật thể trong thế giới ảo đƣợc biểu diễn chính xác hơn nhiều so với các đối tƣợng phẳng (hình ảnh hai chiều) do đƣợc bổ sung thêm chiều sâu.
Kết quả là các trình diễn minh hoạ hay những thí nghiệm cũng đƣợc mô phỏng chính xác hơn do có thể quan sát 7 từ nhiều góc độ khác nhau về mặt không gian, điều mà thế giới phẳng hai chiều không làm đƣợc. Tính chất trực quan của bài giảng đƣợc nâng cao một bƣớc làm tăng sự hứng thú trong học tập cũng nhƣ khả năng ghi nhớ các khái niệm quan trọng trong bài giảng. Y học Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng tiềm năng trong công nghệ Thực tại ảo. Cho đến nay, lĩnh vực nổi bật trong y học áp dụng thành công công nghệ Thực tại ảo là giả lập giải phẫu (Surgical Simulation).2 Phẫu thuật ảo - Phương pháp đào tạo phẫu thuật mới dùng công nghệ Thực tại ảo Trên cơ sở các kỹ thuật đồ hoạ máy tính và Thực tại ảo, hệ thống đào tạo y học này bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tƣơng tác ba chiều là mô hình sinh thể ảo cho phép ngƣời sử dụng thực hiện các thao tác giải phẫu thông qua các dụng cụ giải phẫu ảo; Khối giao diện ngƣời dùng hai chiều cung cấp những thông tin phản hồi trực quan từ mô hình trong quá trình giải phẫu cũng nhƣ những thông tin hƣớng dẫn trong phiên đào tạo.
Phƣơng pháp đào tạo có tính tƣơng tác cao này mang nhiều ƣu điểm so với các phƣơng pháp truyền thống nhƣ thực hành trên mô hình plastic hay trên bệnh nhân thực. Thứ nhất, khác với phƣơng pháp dùng mô hình plastic, 8 sinh thể giải phẫu ảo có khả năng cung cấp những thông tin phản hồi sinh học một cách tự nhiên nhƣ một sinh thể sống thực, chẳng hạn nhƣ sự thay đổi về nhịp tim, huyết áp… 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 thƣơng tổn thực trên cơ thể ngƣời 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. Kiến trúc Một trong những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu nhất của Thực tại ảo là thiết kế kiến trúc. Khả năng mô hình hoá thế giới thực của công nghệ Thực tại ảo dƣờng nhƣ đáp ứng một cách tự nhiên mục tiêu của ngành thiết kế kiến trúc: đƣa ra mô hình trực quan nhất có thể về hình ảnh công trình mong muốn trong tƣơng lai. Thiết kế thiết bị công nghệ Hình 1.3: Ứng dụng công nghệ Thực tại ảo trong thiết kế thiết bị công nghệ Tƣơng tự nhƣ trong kiến trúc, với các ngành sản xuất thiết bị mà trong đó công đoạn thiết kế đóng vai trò quan trọng nhƣ 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 9 không chỉ đơn thuần mang tính thẩm mỹ, tính kỹ thuật mà đôi khi còn ảnh hƣởng tới sức sống của thiết bị xét về khía cạnh thƣơng mại.
Khả năng mô hình hoá bằng hình ảnh lập thể của công nghệ Thực tại ảo cho phép ngƣời thiết kế thể hiện đƣợc một cách trực quan nhất ý tƣởng 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 trƣớc khi thiết bị thực sự đƣợc 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. Giải trí Thị trƣờng giải trí cũng là một ứng dụng tiêu biểu khác của các môi trƣờng Thực tại ảo.