Mô phỏng hiệu ứng lửa và ứng dụng trong giáo dục

i

Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

QUẢN THỊ VUI

MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG LỬA

VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIÁO DỤC

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 60.48.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn

THÁI NGUYÊN - 2013

i

Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự sưu tầm, tra

cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài.

Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ hình

thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào.

Tất cả phần mã nguồn của chương trình đều do tôi tự thiết kế và xây dựng,

trong đó có sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán được các tác giả xuất

bản công khai và miễn phí trên mạng Internet.

Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 9 năm 2013

Tác giả luận văn

Quản Thị Vui

ii

Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học khóa 10 chuyên ngành

Khoa học máy tính Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học

Thái Nguyên, tôi đã nhận được rất nhiều sự chỉ bảo, dìu dắt, giảng dạy nhiệt tình

của các thầy, cô giáo Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại

học Thái Nguyên và Viện công nghệ thông tin Việt Nam. Các thầy cô giáo đã luôn

giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình công tác cũng như học tập.

Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy, cô giáo trong

Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên, các

thầy cô giáo trong Viện công nghệ thông tin Việt Nam.

Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn đã

cho tôi nhiều ý kiến đóng góp quý báu, đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho

tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này.

Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp và người thân đã động viên, giúp đỡ tôi

trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn.

Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi các thiếu sót, rất mong tiếp tục

nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, các cô giáo, các bạn đồng nghiệp đối

với đề tài nghiên cứu của tôi để đề tài được hoàn thiện hơn.

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 9 năm 2013

Tác giả luận văn

Quản Thị Vui

iii

Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................i

LỜI CẢM ƠN..................................................................................................ii

MỤC LỤC.......................................................................................................iii

DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. v

DANH MỤC HÌNH ẢNH.............................................................................. vi

MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1

Chƣơng 1. KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG LỬA............. 3

1.1. Khái quát thực tại ảo và ứng dụng ............................................................. 3

1.1.1. Khái niệm Thực tại ảo............................................................................. 3

1.1.2. Lịch sử phát triển..................................................................................... 4

1.1.3. Các đặc tính chính của Thực tại ảo ......................................................... 7

1.1.4. Các thành phần của một hệ thống Thực tại ảo........................................ 8

1.1.5. Các thiết bị cơ bản của hệ thống Thực tại ảo.......................................... 9

1.1.6. Ứng dụng của Thực tại ảo..................................................................... 12

1.2. Mô phỏng lửa và ý nghĩa ......................................................................... 13

1.2.1. Mô phỏng lửa ........................................................................................ 13

1.2.4. Ý nghĩa của mô phỏng lửa .................................................................... 14

1.3. Mô phỏng lửa trong giáo dục ................................................................... 15

1.3.1. Sách giáo khoa phổ thông ..................................................................... 16

1.3.2. Giáo trình trong các trường chuyên nghiệp, dạy nghề.......................... 18

Chƣơng 2. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LỬA...................... 19

2.1. Mô phỏng lửa bằng phương pháp Physically-based................................ 19

2.1.1. Kỹ thuật mô phỏng Physically-based ................................................... 19

2.1.2. Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng phương pháp Physically-based 21

2.1.3. Cơ sở vật lý ........................................................................................... 23

2.1.4. Phương pháp mô phỏng ........................................................................ 24

iv

Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

2.1.5. Thực hiện............................................................................................... 30

2.2. Phương pháp Particle-based..................................................................... 41

2.2.1. Kỹ thuật mô phỏng Particle-based........................................................ 41

2.2.2. Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng phương pháp Particle-based.... 43

2.2.3. Bối cảnh................................................................................................. 46

2.2.4. Phương pháp mô phỏng ........................................................................ 48

2.2.5. Phương pháp dựng hình ........................................................................ 56

Chƣơng 3. CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ......................................... 61

3.1. Bài toán .................................................................................................... 61

3.2. Phân tích thiết kế và lựa chọn công cụ..................................................... 62

3.2.1. Xây dựng mô hình mô phỏng ............................................................... 62

3.2.2. Điều khiển mô hình bằng ngôn ngữ lập trình ....................................... 63

3.3. Một số kết quả chương trình .................................................................... 63

KẾT LUẬN .................................................................................................... 66

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN.. 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 69

v

Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Một số thí nghiệm về lửa môn khoa học lớp 4............................... 16

Bảng 1.2: Một số thí nghiệm về lửa môn vật lý lớp 6 .................................... 17

Bảng 1.3: Một số thí nghiệm về lửa trong giáo trình lý thuyết cháy .............. 18

Bảng 2.1: Thống kê mô phỏng........................................................................ 60

Bảng 2.2: Các thông số mô phỏng .................................................................. 60

vi

Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D.................. 3

Hình 1.2. Từ ảo đến thực................................................................................... 4

Hình 1.3. Morton L. Heilig và Thiết bị mô phỏng Sensorrama-1960 .............. 5

Hình 1.4. Ivan Sutherland và Thiết bị mô phỏng HMD-1970.......................... 5

Hình 1.5. Myron Kreuger và Thiết bị VIDEOPLACE-1970............................ 6

Hình 1.6. Scott Fisher, McGreevy và Thiết bị HMD-1984 của NASA............ 6

Hình 1.7. Đặc tính cơ bản của một hệ thống thực tại ảo................................... 8

Hình 1.8. Các thành phần một hệ thống VR..................................................... 8

Hình 1.9. DataGloves........................................................................................ 9

Hình 1.10. 3D Mouse và SpaceBall................................................................ 10

Hình 1.11. Mouse............................................................................................ 10

Hình 1.12. Shutter glasses............................................................................... 10

Hình 1.13. Head-Mounted Displays ............................................................... 10

Hình 1.14. Cave............................................................................................... 11

Hình 1.15. CyberTouch................................................................................... 12

Hình 1.16. CyberGrasp ................................................................................... 12

Hình 1.17. Ngọn lửa........................................................................................ 14

Hình 1.18. Mô phỏng các loại đèn dùng đun nóng ở phòng thí nghiệm ........ 15

Hình 2.1: Mô hình ngọn lửa khí hỗn loạn của súng phun lửa ........................ 22

Hình 2.2: Nhiệt độ ngọn lửa cho một chất rắn (hoặc khí) nhiên liệu ............. 25

Hình 2.3: Hút thuốc cùng với ngọn lửa khí .................................................... 25

Hình 2.4: Khu vực phản ứng lõi màu xanh ngọn lửa tốc độ S ....................... 26

Hình 2.5: Khu vực màu xanh ngọn lửa trộn so với ngọn lửa khuếch tán....... 27

Hình 2.6: Đường dẫn cong do sự mở rộng của các khí như phản ứng ........... 27

Hình 2.7: So sánh hình dạng ngọn lửa của việc mở rộng khí......................... 28

Hình 2.8: Hai bản ghi sử dụng để phát ra nhiên liệu. ..................................... 30