虛擬仿真

虛擬仿真（Virtual Reality）：仿真（simulation）技術，或稱為模擬技術，就是用一個系統模仿另一個真實系統的技術。虛擬仿真實際上是一種可創建和體驗虛擬世界（Virtual World）的計算機系統。此種虛擬世界由計算機生成，可以是現實世界的再現，亦可以是構想中的世界，用户可藉助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互。 ^[1]  它是以仿真的方式給用户創造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界,並通過頭盔顯示器（HMD）、數據手套等輔助傳感設備，提供用户一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使用户可直接參與並探索仿真對象在所處環境中的作用與變化，產生沉浸感。VR技術是計算機技術、計算機圖形學、計算機視覺、視覺生理學、視覺心理學、仿真技術、微電子技術、多媒體技術、信息技術、立體顯示技術、傳感與測量技術、軟件工程、語音識別與合成技術、人機接口技術、網絡技術及人工智能技術等多種高新技術集成之結晶。其逼真性和實時交互性為系統仿真技術提供有力的支撐。 ^[2] 

虛擬與現實兩詞具有相互矛盾的含義，把這兩個詞放在一起，似乎沒有意義，但是科學技術的發展卻賦予了它新的含義。虛擬現實的明確定義不太好説，按最早提出虛擬現實概念的學者J.Laniar的説法，虛擬現實，又稱假想現實，意味着“用電子計算機合成的人工世界”。從此可以清楚地看到，這個領域與計算機有着不可分離的密切關係，信息科學是合成虛擬現實的基本前提。生成虛擬現實需要解決以下三個主要問題：

①以假亂真的存在技術。即，怎樣合成對觀察者的感官器官來説與實際存在相一致的輸入信息，也就是如何可以產生與現實環境一樣的視覺，觸覺，嗅覺等。

②相互作用。觀察者怎樣積極和能動地操作虛擬現實，以實現不同的視點景象和更高層次的感覺信息。實際上也就是怎麼可以看得更像，聽得更真等等。

③自律性現實。感覺者如何在不意識到自己動作、行為的條件下得到栩栩如生的現實感。在這裏，觀察者、傳感器、計算機仿真系統與顯示系統構成了一個相互作用的閉環流程。

今天，虛擬現實已經發展成一門涉及計算機圖形學、精密傳感機構、人機接口及實時圖像處理等領域的綜合性學科。虛擬現實技術分虛擬實景（境）技術（如虛擬遊覽故宮博物館）與虛擬虛景（境）技術（如虛擬現實環境生成、虛擬設計的波音777飛機等）兩大類。虛擬現實技術的應用領域和交叉領域非常廣泛，幾乎到了無所不包、無孔不入的地步，在虛擬現實技術戰場環境，虛擬現實作戰指揮模擬，飛機、船舶、車輛虛擬現實駕駛訓練，飛機、導彈、輪船與轎車的虛擬製造（含系統的虛擬設計），虛擬現實建築物的展示與參觀，虛擬現實手術培訓，虛擬現實遊戲，虛擬現實影視藝術等等方面的應用和產業的形成都有強烈的市場需求和技術驅動。權威人士斷言，虛擬現實技術將是21世紀信息技術的代表。它的發展，不僅從根本上改變人們的工作方式和生活方式，勞和逸將真正結合起來，人們在享受環境中工作，在工作過程中得到享受；而且虛擬現實技術與美術、音樂等文化藝術的結合，將誕生人類的第九藝術。隨着計算機技術的發展，在PC機上實現虛擬現實技術已成為可能。所以，虛擬現實技術系統的運行趨勢為單機桌面和互聯網兩種主要方式，因此，它對計算機硬件技術和網絡技術的發展和應用也有很大的刺激作用。

在喧鬧都市的辦公室中忙碌了一天的人們，多麼希望自己能一步跨入一個熱帶天堂。幻想一片一望無邊的海灘，挽起褲腿站在水邊，任憑海浪輕撫腳面，椰林隨風清唱，海鷗自由翱翔，太陽在天際徐徐落下，餘暉把海面染紅。這種想象能使許多人忘卻疲勞，他們在心中創造了一個使自己心曠神怡的幻境。但是如果那景象三維立體、細緻入微，如果你能看到自己用手拾起一片貝殼，這個幻境就會變得活靈活現，你就會認為自己實際已去過了那個海島。基於虛擬現實技術的“休息機”可以為人們提供這種跨越空間的手段。

當前，擁有核心知識產權，技術過硬的企業並不多，行業內優秀品牌企業稀少。呼籲業內企業共同努力，尤其發揮吹毛求疵的研發精神，進一步提高研發能力，降低成本，真正解決客户的實際困難，嚴把質量關，提供最可靠的產品和技術。

虛擬仿真技術的互動性和逼真性帶來了娛樂的革命性升級，尤其是在體驗式遊戲領域，帶給人們一種前所未有的娛樂刺激，身臨其境的存在感，血脈膨脹的刺激感，在酣暢淋漓的互動體驗之中釋放一種身心的壓力，互動多媒體技術的創新發展從商業、生活、娛樂領域都捲起了一場場技術與藝術的雙性創新，北京輝煌影音數字科技用一個個讓人欣喜和刺激的虛擬仿真產品詮釋着科技改變生活的理念。 ^[3] 

“虛擬駕駛”也被稱為汽車駕駛仿真。是指利用現代高科技手段，如三維圖像即時生成技術、汽車動力學仿真物理系統、大視野顯示技術、六自由度運動平台等，讓體驗者在一個虛擬的駕駛環境中，感受到接近真實效果的視覺、聽覺和體感的汽車駕駛體驗。它能夠真實模擬汽車駕駛的路景和汽車行使特性，並能在主要性能上獲得同實車駕駛同樣的效果。

當觀眾參與遊戲騎上自行車後，所有的操作就像騎真實自行車一樣。大型投影幕上呈現出模擬場景並配有音效，使參與者能夠體驗到騎着自行車休閒穿遊的感覺。

本系統是通過光電傳感技術，展區有一個多人乘坐的小船，小船上面有兩對漿，當遊客向前搖動槳划動小船時，傳感器採集雙槳的搖動信號，在投影幕上虛擬的小船就會向前移動並且有流水的聲音。劃的越快，小船移動的就越快。觀眾可以從漫遊水城的全景。 以先進的虛擬現實技術，模擬實地划水場景。

輝煌影音數字虛擬仿真 小船是固定在地面上的，小船前方的投影屏幕上有一個的划艇比賽的虛擬場景，小艇上槳的轉軸位置處安裝有感應器，可以檢測出同一組觀眾的划槳動作是否正確及一致，計算機根據感應器的檢測結果來控制虛擬場景中的小艇的方向及速度。 利用虛擬現實和傳感檢測技術在模擬划船的場景，觀眾可以從虛擬的場景中感受划船的樂趣。

參與者可以駕駛特別定製的船模在投影大屏幕前進行虛擬巡遊。 屏幕中的景物可為3D背景效果，視角前部的船頭為3D效果。觀眾可驅動帆船向前或維持船身平衡。 當船靜止時，小船隨着波浪的起伏而被水衝向下游。同時，周圍的場景相應的向後移動，使人有一種身臨其境駕舟漂流的感覺

利用虛擬現實和傳感檢測技術模擬飛機飛行的場景，觀眾可以從虛擬的場景中感受飛機駕駛的樂趣。

這個遊戲採用了刺激的圖像和聲音，讓觀眾在靜止的狀態中體驗刺激的虛擬世界飛行。

在本系統中，球手站在綠茵場上，眼前是高保真數字投影機投放的球場逼真畫面，耳邊是萬眾球迷震耳欲聾的吶喊聲，腳下是真球真踢，面對球門內超一流守門員，什麼時候起腳射門、踢向球門什麼方向，完全取決於球手自己。足球測量系統隨時測量踢球的方向，完全取決與球手自己。足球測量系統隨時測量踢球的方向，並與守門員的位置進行比較。只要把握時機看準方向，起腳怒射，守門員雖奮力撲擋，單球路刁鑽，球進了！整個過程真實自然，動感刺激。反應迅速敏捷，動畫引人入勝，聲音惟妙惟肖，自動識別記分，讓球手身臨其境。產生無比的自信和興奮，其樂無窮。該展項屬於參與、互動性項目“足球射門”的外觀設計成黑白相間的足球形狀，既能恰如其份的表達該項目的創意，同時獨特的外觀也能趣味十足，引人注目。

通過互動投影系統，將投籃背景投影在牆面上，當有人站在對應的位置用手輕輕觸碰籃球時，畫面中的籃球將按照擊打的方向飛出去，畫面角落有計時器和記分器，觀眾可多次參與。

展示方式：該系統在無人蔘與時，屏幕上的虛擬拳擊手不斷的作出各種可惡姿勢並用挑戰性的語言挑逗遊客。遊客參與時，虛擬拳擊手做好挑戰的姿勢，並做出許多滑稽的動作，這時遊客可以對空向拳擊手擊打，拳擊手會做出反抗……

輝煌數字科技虛擬射擊 虛擬射擊系統是通過高清晰數字投影機把真實的各種環境逼真地投射到大屏幕上，無論變幻不定的靶標，還是戰場上蜂擁的敵人、俯衝的戰機，射擊者緊握鋼槍，把握時機快速射擊，在訓練槍法、準確瞄準、找到射擊感覺的同時收穫勝利後的喜悦。 整個系統畫面逼真，動感刺激，環繞立體聲音箱配置，電腦自動識別計分，射擊內容極其豐富。採用仿真的無線光槍，可以在自由位置、以任何姿態射擊，增加射擊過程的真實感。

參與者站在攝像頭前，系統自動採集到觀眾的圖像，並融合到虛擬的舞台中，系統分析判斷觀眾揮手作拍擊動作，得知觀眾所拍擊的樂器，發出對應的聲音……

具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和構想性（imagination），使人們能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有交互效能多維化的信息環境。

業界很多虛擬現實公司只能提供三維漫遊等簡單的視景開發支持，其擁有的幾何模型干涉檢查、交互操作支持等也非常簡單，而為此特殊開發的專用模塊不但價格昂貴，且源代碼有限開放難以滿足用户個性化開發應用需求。真正的虛擬仿真應提供複雜場景圖形、聲音、交互操作、干涉檢查等多方面的支持，從而可以簡化應用系統的開發，提供應用系統的功能和性能。平台系統表現為一個視景和聲音開發支撐平台和多個開發支持工具（幾何對象干涉檢查工具包、通用虛擬手開發工具包、粒子生成與控制工具、不規則幾何體構造工具、流場可視化工具包）。可以為用户提供各類VR應用系統的開發。概括地説，虛擬現實是人們通過計算機對複雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現實在技術思想上有了質的飛躍。

虛擬現實中的“現實”是泛指在物理意義上或功能意義上存在於世界上的任何事物或環境，它可以是實際上可實現的，也可以是實際上難以實現的或根本無法實現的。而“虛擬”是指用計算機生成的意思。因此，虛擬現實是指用計算機生成的一種特殊環境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環境中，並操作、控制環境，實現特殊的目的，即人是這種環境的主宰。

虛擬仿真在城市規劃中的應用

城市規劃一直是對全新的可視化技術需求最為迫切的領域之一，虛擬現實技術可以廣泛的應用在城市規劃的各個方面，並帶來切實且可觀的利益： 展現規劃方案虛擬現實系統的沉浸感和互動性不但能夠給用户帶來強烈、逼真的感官衝擊，獲得身臨其境的體驗，還可以通過其數據接口在實時的虛擬環境中隨時獲取項目的數據資料，方便大型複雜工程項目的規劃、設計、投標、報批、管理，有利於設計與管理人員對各種規劃設計方案進行輔助設計與方案評審。 規避設計風險虛擬現實所建立的虛擬環境是由基於真實數據建立的數字模型組合而成，嚴格遵循工程項目設計的標準和要求建立逼真的三維場景，對規劃項目進行真實的“再現”。用户在三維場景中任意漫遊，人機交互，這樣很多不易察覺的設計缺陷能夠輕易地被發現，減少由於事先規劃不周全而造成的無可挽回的損失與遺憾，大大提高了項目的評估質量。 加快設計速度運用虛擬現實系統，我們可以很輕鬆隨意的進行修改，改變建築高度，改變建築外立面的材質、顏色，改變綠化密度，只要修改系統中的參數即可。從而大大加快了方案設計的速度和質量，提高了方案設計和修正的效率，也節省了大量的資金，提供合作平台 。 ^[4] 

虛擬仿真在地產行業的應用

通過樓盤虛擬可體現樓盤在未來的真實景觀、周邊的環境及配套設施，可以驗證客户所購買的單位與周邊環境的協調關係、通過該户型的窗户可真切的看到未來屬於自己的景觀。給客户提供一種嶄新的方式展示、宣傳樓盤；完美體現了客户的設計方案，通過第一人稱角色切換，給予購房者以真實在場，親臨其景的感受；在同一角度，對同一户型嘗試不同的裝潢設計；實時變換房間的裝修材料，使購房者體驗不同的裝修風格設計。

虛擬仿真在數字校園方面的應用

通過三維仿真技術、數字技術、信息技術、網絡技術要在校園生活各個方面的滲透和融合，建立了基於GIS平台的三維數字校園管理系統。實現在圖形化、可視化和形象化狀態下的校園信息查詢定位、教學教育設施管理、學區規劃管理和部件管理等。學校管理部門能夠通過系統對校園的任意角落進行全方位的管理和掌控，為可持續發展提供解決方法、手段和決策支持；學生和社會大眾可以通過該系統瞭解學校的詳細情況，是學校面向社會宣傳的快速通道。

虛擬仿真在旅遊業的應用

隨着科技的高速發展虛擬旅遊逐漸走入人們的生活，凡拓公司利用虛擬現技術可以通過互聯網和製作的仿真場景到達自己想去的地方。這就是虛擬旅遊，凡拓公司是通過實地拍照，現場測量為基礎，真實的再現旅遊景點。讓人們通過VR場景的漫遊瞭解和體驗旅遊景點。

豐富的感覺能力與3D顯示環境使得VR成為理想的視頻遊戲工具。由於在娛樂方面對VR的真實感要求不是太高，故近些年來VR在該方面發展最為迅猛。如Chicago（芝加哥）開放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娛樂系統，其主題是關於3025年的一場未來戰爭；英國開發的稱為“Virtuality”的VR遊戲系統，配有HMD，大大增強了真實感；1992年的一台稱為“Legeal Qust”的系統由於增加了人工智能功能，使計算機具備了自學習功能，大大增強了趣味性及難度，使該系統獲該年度VR產品獎；中國的易絢網為需求企業提供個性化項目外協平台，減少項目中間環節，降低項目執行成本，提高項目質量，打造了中國最大的線上新媒體數字技術協作平台。 ^[5]  另外在家庭娛樂方面VR也顯示出了很好的前景。

工程力學(虛擬仿真工程) 　本專業設有虛擬仿真實驗室，建立了北京昊華認識實習基地、阜礦恆大實習基地、阜礦五龍認識實習基地。

本專業是國內首創專業，注重力學與計算機兩大領域的交叉與結合，重點培養方向是工程中力學問題的數值計算與仿真。培養適應祖國現代化建設需要的德智體全面發展，專業基礎紮實，知識結構合理，掌握高科技知識，勇於創新，從事虛擬仿真工程設計、研究、開發的應用型技術人才。學生畢業後，主要從事計算力學、虛擬設計、系統仿真、多媒體技術、網絡技術、虛擬產品開發技術等方面的理論研究與實際應用。並結合力學學科的專業知識，對虛擬仿真工程中的力學問題進行理論分析和實際計算，提出相應的理論依據，進行科學論證。

培養目標：培養適應我國社會主義現代化建設需要，德、智、體全面發展，獲得工程師或科學研究基本訓練，基礎紮實、知識面寬、能力強、素質高，具有較強的英語語言能力、創新精神和實踐能力，較全面地具備工程力學基礎理論知識，掌握計算力學與虛擬設計方法，具有對工程中相關力學計算問題綜合分析和研究的初步能力，並具有虛擬仿真工程設計、研究、開發能力的應用型高級專門人才。

主要課程：理論力學、材料力學、結構力學、彈性力學、振動力學、流體力學、有限單元法、大型工程分析軟件及應用、虛擬設計Pro/E、虛擬產品開發技術。

當今世界工業已經發生了巨大的變化，大規模人海戰術早已不再適應工業的發展，先進科學技術的應用顯現出巨大的威力，特別是虛擬現實技術的應用正對工業進行着一場前所未有的革命。虛擬現實已經被世界上一些大型企業廣泛地應用到工業的各個環節，對企業提高開發效率，加強數據採集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低企業風險起到了重要的作用。虛擬現實技術的引入,將使工業設計的手段和思想發生質的飛躍,更加符合社會發展的需要,可以説在工業設計中應用虛擬現實技術是可行且必要的。

工業仿真系統不是簡單的場景漫遊，是真正意義上用於指導生產的仿真系統，它結合用户業務層功能和數據庫數據組建一套完全的仿真系統，可組建B/S、C/S兩種架構的應用，可與企業ERP、MIS系統無縫對接，支持SqlServer、Oracle、MySql等主流數據庫。從而實現企業利用虛擬平台，實時管理工廠的目的。工業仿真所涵蓋的範圍很廣，從簡單的單台工作站上的機械裝配模擬與多人在線協同演練系統，到利用虛擬環境管理與控制工廠生產與設備運行。下面僅僅列舉一些工業仿真的教培與模擬方面的應用：

·石油、電力、煤炭行業多人在線應急演練

·多人多工種協同作業（化身系統、機器人人工智能）

·虛擬製造/虛擬設計/虛擬裝配（CAD/CAM/CAE）

·虛擬醫學工程（虛擬手術/解剖/醫學分析）

·航空航天、科學可視化