Áp dụng kỹ thuật phân vùng không gian cho mô phỏng khói trong thực tại ảo
ISSN: 1859-2171
e-ISSN: 2615-9562
TNU Journal of Science and Technology
225(06): 513 - 520
ÁP DỤNG KỸ THUẬT PHÂN VÙNG KHÔNG GIAN CHO
MÔ PHỎNG KHÓI TRONG THỰC TẠI ẢO
Lê Sơn Thái1*, Lương Thị Ngọc Hà2,
Đỗ Thị Phượng1, Nguyễn Thị Thanh Tâm1, Đinh Xuân Lâm1
1Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên
2Trường Đại học Sư phạm Hà Nội - Phân hiệu Hà Nam
TÓM TẮT
Bài báo nghiên cứu, đề xuất áp dụng kỹ thuật phân vùng không gian cho mô phỏng khói trong thực
tại ảo. Nhóm tác giả tiến hành cài đặt các thuật toán mô phỏng khói, đánh giá các kết quả thu được
khi mô phỏng khói với kỹ thuật Particle và kỹ thuật Particle kết hợp phân vùng không gian trong
thực tại ảo. Kết quả cho thấy, việc áp dụng phân vùng không gian cho hình ảnh mô phỏng thu
được giống với thực tế và đảm bảo khả năng mô phỏng chính xác hơn về mật độ và va chạm. Trên
cơ sở kết quả có được, nhóm tác giả xây dựng các ứng dụng về thoát hiểm khi xảy ra hỏa hoạn và
giảng dạy luật giao thông cho trẻ em.
Từ khóa: thực tại ảo; mô phỏng; hiệu ứng khói; particle; phân vùng không gian.
Ngày nhận bài: 16/5/2020; Ngày hoàn thiện: 29/5/2020; Ngày đăng: 31/5/2020
APPLYING SPATIAL PARTITIONING TECHNIQUE FOR
SMOKE SIMULATION IN VIRTUAL REALITY
Le Son Thai1*, Luong Thi Ngoc Ha2,
Do Thi Phuong1, Nguyen Thi Thanh Tam1, Dinh Xuan Lam1
1TNU – University of Information and Communication Technology
2Hanoi National University of Education – Hanam Campus
ABSTRACT
In this work, we study and propose a spatial partitioning technique for smoke simulation in virtual
reality. We install several smoke simulation algorithms and evaluate the results obtained from
smoke simulation with Particle technique and the Particle combined with spatial partitioning in
virtual reality. The results show that the use of spatial partitioning results in high image quality and
close to reality. In addition to this, the use of this technique ensures an accurate simulation
regarding the density and collision. Based on the results, we design virtual reality applications that
show how to escape from fire and teach traffic law for children.
Keywords: virtual reality; simulation; smoke effect; particle; spatial partitioning.
Received: 16/5/2020; Revised: 29/5/2020; Published: 31/5/2020
* Corresponding author. Email: lsthai@ictu.edu.vn
513
Lê Sơn Thái và Đtg
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN
225(06): 513 - 520
Particle Hydrodynamics (SPH) [1] phát triển từ
hệ Particle truyền thống.
1. Giới thiệu
Ngày nay, mô phỏng và thực tại ảo 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. 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.
Trong các kỹ thuật đã được đề xuất hệ
Particle là một kỹ thuật điển hình và hiện vẫn
được sử dụng rộng rãi. Kỹ thuật này cho phép
mô phỏng tương đối giống với thực tế tuy
nhiên Particle cũng tồn tại những nhược điểm
cần giải quyết: Để hình ảnh kết xuất ở mức
tốt và đảm bảo tương tác tốt trong không gian
ảo cần khối lượng tính toán lớn. Để giải quyết
vấn đề về tương tác và tăng độ chân thực của
hình ảnh trong quá trình mô phỏng nhóm tác
giả sử dụng kỹ thuật phân vùng không gian
[4] kết hợp với hệ Particle từ đó giải quyết tốt
vấn đề về tương tác và hình ảnh trong quá
trình mô phỏng, đảm bảo khối lượng tính toán
giảm đi và có khả năng thực thi tốt trong thời
gian thực.
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 que
diêm, một điếu thuốc. 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 hình tivi trong những bộ
phim đầy khói lửa, trong những trò chơi trên
máy tính, thiết bị di động cầm tay. Cùng với
đó, bài toán mô phỏng khói trong thực tại ảo
là bài toán có nhiều ý nghĩa. Nó áp dụng
trong các lĩnh vực giải trí (kỹ xảo điện ảnh,
trò chơi), trong giáo dục (mô phỏng khói hóa
chất, tạo hình ảnh trực quan trong các trận
chiến lịch sử, mô phỏng quân sự), trong khoa
học kỹ thuật (mô phỏng khí động học, phẫu
thuật ảo)… Vì khả năng ứng dụng cao với chi
phí thấp đòi hỏi cần có những nghiên cứu
chuyên sâu để mô phỏng khói trên máy tính.
Do thời lượng bài báo có hạn trong phần tiếp
theo, nhóm tác giả phân tích hai kỹ thuật điển
hình thường được sử dụng trong quá trình mô
phỏng khói. Tiếp đó là việc kết hợp giữa kỹ
thuật phân vùng không gian và hệ Particle khi
mô phỏng và một số ứng dụng của mô phỏng
khói trong thực tế.
2. Một số kỹ thuật mô phỏng khói
2.1. Kỹ thuật Particle
Particle [1], [5] là một kỹ thuật mô phỏng
điển hình được áp dụng rộng rãi trong các bài
toán mô 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 khó để tính toán, dự
đoán một cách chính xác. Những thay đổi này
có thể được mô tả bởi phương trình toán học
phức tạp. Particle là một trong những phương
pháp đặc biệt với ý tưởng mô phỏng các đối
tượng bởi chính các hạt tạo ra chúng. Đây là
phương pháp mô phỏng gần với bản chất vật
lý của đối tượng do vậy thường được lựa
chọn làm nền tảng cho mô phỏng khói.
Chính vì tầm quan trọng của mô phỏng nói
chung và mô phỏng khói nói riêng, nhiều
nghiên cứu đã được tiến hành và cùng với đó,
nhiều kỹ thuật khác nhau đã được đề xuất.
Một hệ Particle [1] gồm nhiều phần tử hạt mô
phỏng giống với bản chất của khối khí hoặc
lỏng được sử dụng từ sớm và mang lại kết quả
mô phỏng tương đối tốt. Tiếp đó, các phương
trình dòng chảy [2], [3] của khối chất lỏng, khí
được nghiên cứu và ứng dụng trong quá trình
mô phỏng. Kết quả hình ảnh kết xuất được cho
thấy hướng tiếp cận này mang lại nhiều tiềm
năng. Một số các hướng tiếp cận khác và cải
tiến cũng được đề xuất điển hình là Smoothed
Một hệ thống Particle [1] là một tập các thành
phần hay các hạt riêng biệt. Hệ thống Particle
514
Lê Sơn Thái và Đtg
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN
225(06): 513 - 520
điều khiển tập các Particle, cho phép chúng
hoạt động một cách tự động nhưng với một số
thuộc tính chung nhất định. 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. Quy trình một hệ Particle
được mô tả bởi hình 1.
gió) ta thu được hình ảnh khói khói tốt hơn
trong hình 3.
= ∆ +∆
= ∆ + ∆
(b)
+ ∆
Khởi tạo tham số
(a)
Hình 3. Khói mô phỏng: (a)Tham số khuếch tán
Sinh các hạt theo tham số đầu vào
(b) Tham số môi trường
Với tham số khuếch tán: ∆ là vector vận
tốc thể hiện khả năng khuếch tán của các
phần tử. Khi đó vận tốc của mỗi hạt ngoài
việc phục thuộc vào vận tốc bay lên ∆ theo
chiều thẳng đứng còn phụ thuộc vào tham số
khuếch tán. Với tác động môi trường ∆
hình ảnh khối khói được kết xuất được tương
đối tốt về mặt động lực của 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 4 là kết quả của
khối khói khi sử dụng các mặt nạ khác nhau.
Cập nhập thuộc tính cho các hạt
Kiểm tra va chạm, tính lại hướng
và vận tốc
Kết xuất hình ảnh
Loại bỏ các hạt hết thời gian sống
Hình 1.Quy trình thực hiện hệ Particle
Một đối tượng được biểu diễn bằng hệ
Particle không được xác định hoàn toàn, 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 mô phỏng
có thể khác nhau về hình dạng, tuy nhiên vẫn
mang các đặc tính chung nhất. Đối với bài
toán mô 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 mô phỏng một khối khói như hình
2.
Hình 4. Khói khi sử dụng mặt nạ
Để khối khói mô 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 5 là hình ảnh khối khói khi va chạm
với một mặt phẳng nằm ngang.
Hình 2. Khói với các tham số cơ bản hệ Particle
Áp dụng các thuộc tính về sự khuếch tán và
ảnh hưởng của môi trường (ảnh hưởng của
515
http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn
Lê Sơn Thái và Đtg
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN
225(06): 513 - 520
cùng nhỏ của chất lưu đơn thuần chỉ là tổng
của các lực nhớt tiêu tán (tương tự như ma
sát), biến đổi áp suất, trọng lực, và các lực
khác tác động lên chất lưu. Phương trình
Navier - Stokes được biết đến như sau:
ut+ (u * )u + p/ ρ= µ 2 u + f
(1)
Hình 5. Khói khi có vật cản và va chạm
* u=0
Trong đó:
u: là vận tốc của mỗi phần tử,
p: là tham số áp suất,
ρ: là tham số mô tả mật độ, khối lượng,
f: đại diện cho các lực bên ngoài như trọng
lực, lực ma sát,
µ: là tham số đại diện cho độ nhớt của dòng
vật chất đang được mô phỏng,
Quy trình kiểm tra va chạm đồng nghĩa với
khối lượng tính toán cũng tăng lên. Chất
lượng hình ảnh và tương tác khi mô phỏng
được nâng cao. Tuy nhiên, khối lượng tính
toán lớn dẫn đến hệ particle khó mở rộng.
2.2. Mô phỏng sử dụng phương trình
Navier-Stokes
Trong nghiên cứu về mô phỏng khói [2], [3],
[8], để thay đổi chất lượng hình ảnh và khả
năng tương tác các nhà nghiên cứu trên thế
giới đã sử dụng tới các phương trình thủy
động lực. Các phương trình này mô tả vận
động của một dòng khí hoặc một dòng chất
lỏng theo thời gian. Có hai phương pháp tiếp
cận chính:
: là toán tử Gradient
Trong phương pháp mô phỏng sử dụng
phương trình Navier - Stokes, sự chuyển động
của dòng nguyên tố thay đổi theo thời gian.
Khi đó chúng chuyển động không ngừng và
thay đổi hình dạng liên tục. Dòng vật chất chỉ
chuyển động dọc theo dòng nguyên tố, không
chuyển động xuyên qua thành của nó.
Phương pháp Lagarange [7]: nghiên cứu
chuyển động của từng phần tử chất lỏng, khí.
Áp dụng các tính toán từ phương trình Navier
- Stokes cho kết quả mô phỏng với độ chính
xác cao về hình ảnh đối với đối tượng khói.
Tuy nhiên, do tính toán phức tạp nên không
gian mô phỏng của khối khói là nhỏ. Hình 6
là kết quả hình ảnh mô phỏng khói từ phương
trình Navier - Stokes.
Phương pháp Euler [7]: nghiên cứu chuyển
động của toàn bộ dòng chảy tại những vị trí
cố định trong dòng chảy đó.
Dòng chảy được chia thành 2 loại: Dòng chảy
không dừng: là dòng chảy mà các thông số
động học của nó phụ thuộc cả vào tọa độ
không gian và thời gian. Ngược lại dòng chảy
dừng: là dòng chảy mà các thông số động học
của nó chỉ phụ thuộc vào tọa độ không gian,
không phụ thuộc vào thời gian. Trong quá
trình mô phỏng, các nhà nghiên cứu chú ý tới
việc sử dụng các phương trình mô tả dòng
chảy động của khối chất lỏng hoặc khí.
Phương trình Navier - Stokes [2], [3], được
đặt tên theo Claude Louis Navier và George
Gabriel Stokes, miêu tả dòng chảy của
các chất lỏng và khí (gọi chung là chất lưu).
Phương trình này thiết lập trên cơ sở biến
thiên động lượng trong những thể tích vô
Hình 6. Mô phỏng khói với phương trình Navier –
Stokes [7]
Quá trình mô phỏng khói áp dụng các phương
trình Navier - Stokes là quá trình xác định
một khối khói khói nằm trong một không gian
516
Lê Sơn Thái và Đtg
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN
225(06): 513 - 520
không đảm bảo khả năng điều hướng chuyển
động. Hình 7 cho thấy vấn đề này khi có vật
cản.
nhỏ và tách biệt với môi trường bên ngoài.
Quá trình tính toán với từng điểm nằm trong
không gian này cho kết quả chính xác đối với
sự vận động, di chuyển của từng phần tử. Từ
đó kết xuất hình ảnh mô phỏng tương đối
giống với thực tế.
Tựu chung lại, mô phỏng khói áp dụng
phương trình Navier - Stokes có ưu điểm là
tính toán chính xác tới từng đơn vị khói và
cho hình ảnh mô phỏng ở mức cao. Tuy nhiên
không gian mô phỏng bị giới hạn là nhỏ, kết
quả mô phỏng tại hình 6 với kích thước
128x128x128. Do quá trình tính toán có độ
phức tạp cao, phải xử lý nhiều phương trình
vi phân. Phương pháp này thích hợp cho việc
tạo ra hình ảnh khói giống thật nhưng lại bị
giới hạn khi mô phỏng khói trong môi trường
có không gian rộng và phải đảm bảo tương
tác. Do đó, với bài toán thực tại ảo việc sử
dụng phương trình Navier – Stokes khó đảm
bảo tính toán trong thời gian thực.
Hình 7. Mật độ chưa chính xác trong mô phỏng
(vùng khoanh có mật độ chưa chính xác)
Mật độ Particle trong mô phỏng khói là số
lượng hạt tồn tại trong một đơn vị không gian
được giới hạn bởi một hình hộp. Thông số
này được sử dụng trong quá trình điều hướng
các Particle. Trong thực tế, khi các phần tử
khí di chuyển chúng sẽ ưu tiên di chuyển sang
các vùng không gian có mật độ thấp. Quá
trình duyệt toàn bộ phần tử trong khối khói
khi xác định mật độ đòi hỏi chi phí tính toán
lớn. Xuất phát từ thuật toán xác định va chạm
“Phân vùng không gian” [4], trong đó chia
không gian thành nhiều phần nhỏ, mỗi phần
là các khối hộp liên tiếp nhau. Nhóm tác giả
đưa ra khái niệm “lưới mật độ” để kiểm soát
mật độ các phần tử trong mô phỏng khói, theo
đó mật độ các phần tử được hiểu là số phần tử
có trong không gian giới hạn.
3. Kỹ thuật phân vùng không gian kết hợp
hệ Particle và ứng dụng
Việc áp dụng các phương trình về dòng chảy
[2], [3], [7] không đảm bảo được các tính toán
trong thời gian thực. Hệ Particle với quy trình
mô phỏng khói có tính đến va chạm cho hình
ảnh mô phỏng thu được khi chạy chương
trình ở mức trung bình. Khi các Particle va
chạm với đối tượng khác, đa phần các Particle
này tập chung ở bên cạnh bề mặt của đối
tượng (hình 7). Nguyên nhân của hiện tượng
này do các tính toán va chạm mang tính cục
bộ cao, và không tính toán toàn bộ không gian
như khi áp dụng các phương trình dòng chảy.
Luới mật độ là một ma trận 3 chiều với kích
thước 3 chiều tương ứng là Nx, Ny, Nz dùng
để kiểm soát mật độ phần tử trên mỗi đơn vị
thể tích. Lưới mật độ L được xác định bởi 5
tham số: Điểm bắt đầu cho phần tử đầu tiên
Pstart, kích thước đơn vị Element cho mỗi cạnh
của không gian và kích thước 3 chiều tương
ứng Nx, Ny, Nz. Trong đó, Element là tham số
xác định kích thước ba chiều của một vùng
không gian. Xuất phát từ Pstart các không gian
đơn vị được thiết lập liên tiếp nhau với kích
thước 3 chiều bằng Element theo chiều tăng
của trục x, y và chiều giảm của trục z.
Trong trường hợp vật va chạm được thiết kế
nằm ngang chắn sự di chuyển của khối khói
thì đa phần khói bị chắn tập chung ở mặt dưới
của đối tượng, đồng thời khi thoát khỏi bề
mặt bị chắn các phần tử khói tạo thành một
đường gấp trước khi bay lên. Việc tính toán
va chạm cục bộ dẫn đến vấn đề về mật độ các
Particle không hợp lý. Các Particle tương tác
độc lập với nhau một cách cục bộ vừa tốn
kém việc tính toán va chạm giữa các hạt vừa
Sử dụng hệ trục tọa độ bàn tay phải có thể
thấy lưới mật độ phát triển theo chiều lên
517
http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn
Lê Sơn Thái và Đtg
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN
225(06): 513 - 520
trên, sang phải và hướng vào trong. Để xác
định vị trí mỗi vùng không gian P(Pi,Pj,Pk) ta
xác định một tọa độ điểm thấp nhất bên trái,
hướng ra ngoài Pmin(Pminx , Pminy, Pminz) trong
lưới mật độ theo công thức (2):
dụng lưới mật độ, một tòa nhà phủ lưới mật
độ được thể hiện trong hình 8.
Pminx=Pstartx+ i* Element
Pminy=Pstarty+ j* Element
Pminz=Pstartz - k* Element
(2)
Trong đó: Pstartx, Pstarty, Pstartz là tọa độ theo 3
chiều x, y, z của điểm bắt đầu Pstart
Hình 8. Lưới mật độ áp dụng mô phỏng khói
trong tòa nhà
Với một phần tử khói có vị trí tồn tại trong
không gian 3 chiều Position (Positionx,
Positiony, Positionz) được xác định thuộc một
phân vùng không gian theo công thức sau:
Sử dụng tham số mật độ trong quá trình mô
phỏng hệ Particle cho phép tạo ra hình ảnh
khói tương đối hoàn thiện. Để thực hiện công
việc kết hợp giữa lưới mật độ và hệ Particle,
ta khởi tạo lưới mật độ bao chùm lên không
gian khói đang được mô phỏng. Trong quá
trình mô phỏng, trước khi một hạt quyết định
hướng, vận tốc di chuyển trong lần tính toán
tiếp theo thì tham số về mật độ được cung cấp
từ lưới mật độ. Khi một hạt di chuyển từ
không gian có mật độ thấp sang không gian
có mật độ cao đòi hỏi phải có chi phí lớn, nếu
tổng động lực của hạt này lớn hớn áp suất
sinh ra do mật độ dày thì hạt đó có khả năng
di chuyển. Ngược lại hạt này phải di chuyển
sang không gian khác có mật độ thấp hơn.
i = (Positionx - Pstartx) div Element
j = (Positiony - Pstarty) div Element
k = (Positionz - Pstartz) div Element
(3)
Trong đó: i, j, k là vị trí xác định một phần tử
trong lưới mật độ 3 chiều, div là phép chia lấy
phần nguyên.
Khi một Paritcle được sinh ra, nó được xác
định một vị trí trên lưới mật độ. Trong quá
trình di chuyển của mình Particle khi thay đổi
vùng không gian sẽ thông báo tới lưới mật độ
để cập nhật. Khi đó vùng không gian cũ sẽ trừ
đi một phần tử, vùng không gian mới sẽ cộng
thêm một phần tử. Việc cập nhật, kiểm tra vị
trí, mật độ trong không gian được thực hiện
trong mỗi lần tính toán bằng 3 phép tính ở
công thức trên. Để không phải duyệt trên tập
Particle và tập không gian trong quá trình
thiết kế ta sử dụng con trỏ hai chiều ánh xạ
song song giữa mỗi phần tử Particle và lưới
mật độ. Khi đó lưới mật độ cho phép ta quản
lý mật độ phần tử Particle nhưng vẫn đảm bảo
thời gian, khối lượng tính toán.
Độ chênh lệch về số lượng hạt dẫn tới giữa
các phân vùng không gian kề nhau tồn tại một
lực áp suất. Khi đó sinh một lực đẩy các hạt
ra khỏi không gian có áp suất lớn. Vì vậy dựa
trên mật độ của các lưới không gian kế cận có
thể tính được một lực sinh ra do áp suất tác
động lên các hạt trong hệ Particle. Với một
lưới mật độ có kích thước (15,15,10) và giá trị
Element =700, điểm Pstart được đặt tại gốc tọa
độ trong hệ đồ họa OpenGL (kích thước
Element, các giá trị khởi tạo có thể khác nhau
ở các nền tảng xử lý đồ họa khác nhau). Hệ
Particle mô phỏng khói thu được những hình
ảnh lưới mật độ và khối khói khi va chạm với
một vật thể nằm ngang trong hình 9.
Lưới mật độ kết hợp với khả năng tương tác
với các mô hình khiến kĩ thuật mô phỏng khói
chính xác hơn, từ đó tạo hình ảnh khói nhìn
giống thực tế hơn. Để trực quan cho việc sử
518
Lê Sơn Thái và Đtg
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN
225(06): 513 - 520
khi xảy ra hỏa hoạn và giảng dạy các tình
huống giao thông. Khi mà hỏa hoạn 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 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 chính dẫn
đến tử vong cao hơn, nhanh hơn bị bỏng và
cháy. Một nghiên cứu ở Hoa Kỳ cho biết: tổn
thương do hít khói là nguyên nhân gây tử
vong của trên 50% trường hợp bị bỏng. Nhóm
tác giả xây dựng một ứng dụng mô phỏng tình
hình công trình khi xảy ra hỏa hoạn. Từ đó,
các cư dân có thể biết được phương hướng
thoát hiểm khi xảy ra sự cố. Cầu thang nơi
hay đi lại phủ đầy khói trong hình 11.
Hình 9. Khói mô phỏng với lưới mật độ
Dựa trên hình ảnh thu được cho thấy chất
lượng mô phỏng được nâng lên: các phần tử
khói trong quy trình mô phỏng có mật độ
được phân bố hợp lý tạo hình ảnh khỏi với độ
chính xác cao hơn. Nhóm tác giả tiến hành so
sánh hình ảnh mô phỏng khói với hình ảnh
thực tế. Trong hình 10 là hai hình ảnh khói:
Một ảnh được lấy từ cột khói của nhà máy
nhiệt điện Uông Bí – Quảng Ninh, hình còn lại
là do chương trình mô phỏng tạo ra bằng thuật
toán Particle kết hợp xác định va chạm và lưới
mật độ. Hai hình ảnh mang độ tương đồng cao
và khó phân biệt đâu là hình ảnh mô phỏng.
Hình 11. Khói phủ kín khu cầu thang khi có hỏa
hoạn (đây không phải lối thoát an toàn)
Cùng với đó, tai nạn giao thông luôn là vấn đề
nhức nhối tại Việt Nam. Theo thống kê của
bộ giao thông vận tải mỗi năm có khoảng
1000 trường hợp tử vong là người dưới 18
tuổi. Nhóm tác giả ứng dụng các kết quả
nghiên cứu góp phần xây dựng các tình huống
khi tham giao giao thông. Từ đó, cho phép
đối tượng học tập là trẻ nhỏ có thể học tập
một các trực quan dựa trên công nghệ mô
phỏng và thực tại ảo. Hình 12 là một tình
huống trong giao thông và người học lựa chọn
phương án hợp lý nhất trong trường hợp xe
đang có hiện tượng hỏa hoạn.
Hình 10. Khói mô phỏng và khói thực tế
Việc đánh giá kết quả mô phỏng nói chung và
mô phỏng khói nói riêng dựa trên sự tương
đồng giữa mô phỏng và thực tế. Có thể tiếp
cận việc đánh giá bằng cách so sánh với khói
thực hoặc các tham số được sinh ra từ quá
trình toán học phức tạp. Tuy nhiên, quá trình
đo đạc với khói tự nhiên là khó thực hiện,
đồng thời việc mô phỏng các đối tượng tự
nhiên dựa trên các phương trình toán - lý còn
nhiều khó khăn và là một lĩnh vực nghiên cứu
mở. Để chứng minh các mô hình toán mô
phỏng chính xác hiện tượng tự nhiên cũng là
một lĩnh vực cần nghiên cứu. Trong phạm vi
bài báo, nhóm tác giả tiếp cận việc đánh giá
kết quả dựa trên các kết quả hình ảnh mô
phỏng thu được một cách trực quan.
Với các kết quả có được, nhóm tác giả ứng
dụng xây dựng mô phỏng hệ thống thoát hiểm
Hình 12. Ứng dụng học tập tình huống giao thông
cho trẻ em (tình huống có cháy trên xe)
519
http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn
Lê Sơn Thái và Đtg
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN
225(06): 513 - 520
[2]. W. Shi, M. Zheng, and P. X. Liu, "Virtual
surgical bleeding simulation with navier-
stokes equation and modified smooth particle
hydrodynamics method,” IEEE International
Conference on Information and Automation
(ICIA), Macau, 2017, pp. 276-281.
[3]. S. He, H. Wong, and U. Wong, "An Efficient
Adaptive Vortex Particle Method for Real-
Time Smoke Simulation," International
Conference on Computer-Aided Design and
Computer Graphics, Jinan, 2011, pp. 317-324.
[4]. G. Echegaray, and D. Borro, “A methodology
for optimal voxel size computation in
collision detection algorithms for virtual
reality,” Virtual Reality, vol. 16, pp. 205-213,
2012.
[5]. L. Li, W. Wan, X. Li, and Z. Wang, "Weather
phenomenon simulations in 3D virtual scenes
based on OSG particle system," IET
International Communication Conference on
Wireless Mobile and Computing, Shanghai,
2011, pp. 254-257.
[6]. X. An, and L. Li, "Research on Fast Collision
Detection Algorithm Based on CPU Cache
Technology," International Conference on
Virtual Reality and Intelligent Systems
(ICVRIS), Changsha, 2018, pp. 219-222.
[7]. P. Jime’nez, F. Thomas, and C. Torras, “3D
Collision Detection: A Survey,” Journal of
Computers and Graphics, vol. 25, no. 2, pp.
269-285, 2010.
4. Kết luận
Trong nội dung bài báo, nhóm tác giả đã trình
bày một số kỹ thuật mô phỏng khói điển hình
được sử dụng và một số các hạn chế của
chúng trong quá trình mô phỏng. Đặc biệt với
việc áp dụng các thuật toán trong yêu cầu thời
gian thực của chương trình thực tại ảo đòi hỏi
phải có những cải tiến về mặt tốc độ nhưng
vẫn cho hình ảnh mô phỏng tốt. Để giải quyết
vấn đề này nhóm tác giả sử dụng kỹ thuật
phân vùng không gian kết hợp với hệ Particle
cho phép xác định mật độ các phần tử trong
khối khói. Từ đó, cho hình ảnh kết xuất tốt
hơn khi chỉ sử dụng kỹ thuật Particle. Dựa
trên các kết quả nghiên cứu, nhóm tác giả xây
dựng các ứng dụng về thoát hiển khi xảy ra
hỏa hoạn và học tập các tình huống giao
thông cho trẻ em. Từ đó, mang lại các lợi ích
nhất định cho giáo dục và xã hội.
Lời cảm ơn
Nghiên cứu này được hỗ trợ từ đề tài nghiên
cứu khoa học cấp cơ sở (Mã số: CS2020-
GV-01).
TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES
[1]. R. Xi, Z. Luo, D. D. Feng, Y. Zhang, X.
Zhang, and T. Han, "Survey on Smoothed
Particle Hydrodynamics and the Particle
Systems," IEEE Access, vol. 8, pp. 3087-
3105, 2020.
[8]. D.-G. Park, M. Jo, S.-H. Woo, and D.-H. Lee,
“A Fire and Smoke Simulation for Mobile
Game,” International Journal of Software
Engineering and Its Applications, vol. 2, no.
4, pp. 1-10, 2008.
520
8 trang
12/04/2022
31400
Bạn đang xem tài liệu "Áp dụng kỹ thuật phân vùng không gian cho mô phỏng khói trong thực tại ảo", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- ap_dung_ky_thuat_phan_vung_khong_gian_cho_mo_phong_khoi_tron.pdf
