曹爽　王峰　趙峰臣

摘 要 本文主要針對(duì)人們對(duì)模擬、虛擬、仿真概念界定不清等情況，詳細(xì)介紹模擬、虛擬、仿真及模擬仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)的概念及相互之間的區(qū)別。

關(guān)鍵詞 模擬 虛擬 仿真 模擬仿真 虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 模擬與仿真

模擬經(jīng)常采用虛擬具體假想情形的方法，也經(jīng)常采用數(shù)學(xué)建模的抽象方法。利用模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過(guò)程，并通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。這里所指的模型包括物理的和數(shù)學(xué)的，靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的，連續(xù)的和離散的各種模型。所指的系統(tǒng)也很廣泛，包括電氣、機(jī)械、化工、水力、熱力等系統(tǒng)，也包括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、管理等系統(tǒng)。當(dāng)所研究的系統(tǒng)造價(jià)昂貴、實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性大或需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能了解系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的后果時(shí)，一般采用模擬的方式來(lái)完成。

仿真是一種特別有效的研究手段。仿真的重要工具是計(jì)算機(jī)。仿真與數(shù)值計(jì)算、求解方法的區(qū)別在于它首先是一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)。仿真的過(guò)程包括建立仿真模型和進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)兩個(gè)主要步驟。仿真技術(shù)的實(shí)質(zhì)也就是進(jìn)行建模、實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展是與控制工程、系統(tǒng)工程及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)聯(lián)的?？刂乒こ毯拖到y(tǒng)工程的發(fā)展促進(jìn)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，而計(jì)算機(jī)出現(xiàn)及計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，則為仿真提供了強(qiáng)有力的手段和工具。因此，計(jì)算機(jī)仿真在仿真中占有越來(lái)越重要的地位。一般認(rèn)為，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。仿真基本上是一種通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)求解的技術(shù)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)要了解系統(tǒng)中各變量之間的關(guān)系，要觀察系統(tǒng)模型變量變化的全過(guò)程，此外，為了對(duì)仿真模型進(jìn)行深入研究和結(jié)果優(yōu)化，還必須進(jìn)行多次運(yùn)行，系統(tǒng)優(yōu)化等工作，因此，良好的人機(jī)交互性是系統(tǒng)仿真的一個(gè)重要特性。

模擬側(cè)重于軟件，強(qiáng)調(diào)過(guò)程。仿真則側(cè)重于硬件，仿真的重要工具是計(jì)算機(jī)、模擬器。無(wú)論模擬還是仿真都與實(shí)驗(yàn)相關(guān)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)叫仿真，而實(shí)驗(yàn)過(guò)程應(yīng)該叫模擬，所以模擬仿真不可分割，發(fā)展到今天統(tǒng)稱為模擬仿真。

2 模擬與虛擬

模擬是對(duì)真實(shí)事物或者過(guò)程的虛擬。模擬要表現(xiàn)出選定的物理系統(tǒng)或抽象系統(tǒng)的關(guān)鍵特性。模擬的關(guān)鍵問(wèn)題包括有效信息的獲取、關(guān)鍵特性和表現(xiàn)的選定、近似簡(jiǎn)化和假設(shè)的應(yīng)用，以及模擬的重現(xiàn)度和有效性。可以認(rèn)為仿真是一種重現(xiàn)系統(tǒng)外在表現(xiàn)的特殊的模擬。虛擬是對(duì)真實(shí)的模仿，對(duì)訓(xùn)練過(guò)程的假想。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)與模擬仿真

虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，簡(jiǎn)稱VR），是一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說(shuō)，就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)是高度發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)在各種領(lǐng)域的應(yīng)用過(guò)程中的結(jié)晶和反映，不僅包括圖形學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、人工智能等高性能計(jì)算技術(shù)，而且涉及數(shù)學(xué)、物理、通信，甚至與氣象、地理、美學(xué)、心理學(xué)和社會(huì)學(xué)等相關(guān)。

概括地說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)是模擬仿真在高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和信息處理環(huán)境下的發(fā)展和技術(shù)拓展。我們可以舉一個(gè)煙塵干擾下能見(jiàn)度計(jì)算的例子來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。在構(gòu)建分布式虛擬環(huán)境基礎(chǔ)信息平臺(tái)應(yīng)用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)有由燃燒源產(chǎn)生的連續(xù)變化的煙塵干擾環(huán)境能見(jiàn)度的計(jì)算，從而影響環(huán)境的視覺(jué)效果、仿真實(shí)體的運(yùn)行和決策。某些仿真平臺(tái)和圖形圖像生成系統(tǒng)也研究煙塵干擾下的能見(jiàn)度計(jì)算，仿真平臺(tái)強(qiáng)調(diào)煙塵的準(zhǔn)確物理模型、干擾后的能見(jiàn)度精確計(jì)算以及對(duì)仿真實(shí)體的影響程度；圖形圖像生成系統(tǒng)著重于建立細(xì)致的幾何模型，估算光線穿過(guò)煙塵后的衰減。而虛擬環(huán)境中煙塵干擾下的能見(jiàn)度計(jì)算，不但要考慮煙塵的物理特性，遵循煙塵運(yùn)動(dòng)的客觀規(guī)律，計(jì)算影響仿真結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)，而且要生成用戶能通過(guò)視覺(jué)感知的逼真圖形效果，使用戶在實(shí)時(shí)運(yùn)行的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是二十世紀(jì)末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境——虛擬環(huán)境，用戶投入這種環(huán)境中，就可與之交互作用、相互影響。它融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支，從而也大大推進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已在建筑、教育培訓(xùn)、醫(yī)療、軍事模擬、科學(xué)和金融可視化等方面獲得了應(yīng)用，漸已成為21世紀(jì)廣泛應(yīng)用的一種新技術(shù)。

模擬仿真是一種物理模擬技術(shù)的應(yīng)用，它主要是通過(guò)模擬實(shí)車、實(shí)兵或?qū)崙?zhàn)環(huán)境，來(lái)培養(yǎng)單兵或小范圍作戰(zhàn)編組的作戰(zhàn)技能。

模擬訓(xùn)練，所用的模擬器可能比它所模擬的真實(shí)裝備還要貴。為了解決部隊(duì)訓(xùn)練問(wèn)題，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局l983年開(kāi)始實(shí)施模擬器聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，把分散在各地的訓(xùn)練器用計(jì)算機(jī)聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，形成分布式交互仿真，實(shí)現(xiàn)異地聯(lián)通與互操作。美軍已研制的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬系統(tǒng)可以在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等方面逼真地顯現(xiàn)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)可能出現(xiàn)的各種情況，可以使沒(méi)有打過(guò)仗的指揮官身臨其境般地體驗(yàn)戰(zhàn)爭(zhēng)，可以使駐扎在世界各地的部隊(duì)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)演練同一想定，可以在同一模擬系統(tǒng)上演練在不同國(guó)家、不同地形、不同氣候、不同作戰(zhàn)對(duì)象的各種戰(zhàn)爭(zhēng)行動(dòng)。如美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的模擬網(wǎng)絡(luò)可將分布在全球執(zhí)行各種任務(wù)的陸戰(zhàn)隊(duì)特遣隊(duì)司令部連接起來(lái)。一支遠(yuǎn)征部隊(duì)陸戰(zhàn)營(yíng)可與4800公里之外的另一支遠(yuǎn)征部隊(duì)的團(tuán)級(jí)司令部進(jìn)行諸軍兵種聯(lián)合演練。

虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感（身臨其境的感覺(jué)），模擬仿真強(qiáng)調(diào)對(duì)現(xiàn)實(shí)的模擬（例如物體的物理特性、化學(xué)特性，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)）