西安电子科技大学

虚拟仿真（Virtual Reality）：仿真（simulation）技术，或称为模拟技术，就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术。虚拟仿真实际上是一种可创建和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。 ^[1]  它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界,并通过头盔显示器（HMD）、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。VR技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。 ^[2] 

虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义，把这两个词放在一起，似乎没有意义，但是科学技术的发展却赋予了它新的含义。虚拟现实的明确定义不太好说，按最早提出虚拟现实概念的学者J.Laniar的说法，虚拟现实，又称假想现实，意味着“用电子计算机合成的人工世界”。从此可以清楚地看到，这个领域与计算机有着不可分离的密切关系，信息科学是合成虚拟现实的基本前提。生成虚拟现实需要解决以下三个主要问题：

①以假乱真的存在技术。即，怎样合成对观察者的感官器官来说与实际存在相一致的输入信息，也就是如何可以产生与现实环境一样的视觉，触觉，嗅觉等。

②相互作用。观察者怎样积极和能动地操作虚拟现实，以实现不同的视点景象和更高层次的感觉信息。实际上也就是怎么可以看得更像，听得更真等等。

③自律性现实。感觉者如何在不意识到自己动作、行为的条件下得到栩栩如生的现实感。在这里，观察者、传感器、计算机仿真系统与显示系统构成了一个相互作用的闭环流程。

今天，虚拟现实已经发展成一门涉及计算机图形学、精密传感机构、人机接口及实时图像处理等领域的综合性学科。虚拟现实技术分虚拟实景（境）技术（如虚拟游览故宫博物馆）与虚拟虚景（境）技术（如虚拟现实环境生成、虚拟设计的波音777飞机等）两大类。虚拟现实技术的应用领域和交叉领域非常广泛，几乎到了无所不包、无孔不入的地步，在虚拟现实技术战场环境，虚拟现实作战指挥模拟，飞机、船舶、车辆虚拟现实驾驶训练，飞机、导弹、轮船与轿车的虚拟制造（含系统的虚拟设计），虚拟现实建筑物的展示与参观，虚拟现实手术培训，虚拟现实游戏，虚拟现实影视艺术等等方面的应用和产业的形成都有强烈的市场需求和技术驱动。权威人士断言，虚拟现实技术将是21世纪信息技术的代表。它的发展，不仅从根本上改变人们的工作方式和生活方式，劳和逸将真正结合起来，人们在享受环境中工作，在工作过程中得到享受；而且虚拟现实技术与美术、音乐等文化艺术的结合，将诞生人类的第九艺术。随着计算机技术的发展，在PC机上实现虚拟现实技术已成为可能。所以，虚拟现实技术系统的运行趋势为单机桌面和互联网两种主要方式，因此，它对计算机硬件技术和网络技术的发展和应用也有很大的刺激作用。

在喧闹都市的办公室中忙碌了一天的人们，多么希望自己能一步跨入一个热带天堂。幻想一片一望无边的海滩，挽起裤腿站在水边，任凭海浪轻抚脚面，椰林随风清唱，海鸥自由翱翔，太阳在天际徐徐落下，余晖把海面染红。这种想象能使许多人忘却疲劳，他们在心中创造了一个使自己心旷神怡的幻境。但是如果那景象三维立体、细致入微，如果你能看到自己用手拾起一片贝壳，这个幻境就会变得活灵活现，你就会认为自己实际已去过了那个海岛。基于虚拟现实技术的“休息机”可以为人们提供这种跨越空间的手段。

当前，拥有核心知识产权，技术过硬的企业并不多，行业内优秀品牌企业稀少。呼吁业内企业共同努力，尤其发挥吹毛求疵的研发精神，进一步提高研发能力，降低成本，真正解决客户的实际困难，严把质量关，提供最可靠的产品和技术。

虚拟仿真技术的互动性和逼真性带来了娱乐的革命性升级，尤其是在体验式游戏领域，带给人们一种前所未有的娱乐刺激，身临其境的存在感，血脉膨胀的刺激感，在酣畅淋漓的互动体验之中释放一种身心的压力，互动多媒体技术的创新发展从商业、生活、娱乐领域都卷起了一场场技术与艺术的双性创新，北京辉煌影音数字科技用一个个让人欣喜和刺激的虚拟仿真产品诠释着科技改变生活的理念。 ^[3] 

虚拟驾驶

“虚拟驾驶”也被称为汽车驾驶仿真。是指利用现代高科技手段，如三维图像即时生成技术、汽车动力学仿真物理系统、大视野显示技术、六自由度运动平台等，让体验者在一个虚拟的驾驶环境中，感受到接近真实效果的视觉、听觉和体感的汽车驾驶体验。它能够真实模拟汽车驾驶的路景和汽车行使特性，并能在主要性能上获得同实车驾驶同样的效果。

虚拟自行车

当观众参与游戏骑上自行车后，所有的操作就像骑真实自行车一样。大型投影幕上呈现出模拟场景并配有音效，使参与者能够体验到骑着自行车休闲穿游的感觉。

虚拟划艇

本系统是通过光电传感技术，展区有一个多人乘坐的小船，小船上面有两对浆，当游客向前摇动桨划动小船时，传感器采集双桨的摇动信号，在投影幕上虚拟的小船就会向前移动并且有流水的声音。划的越快，小船移动的就越快。观众可以从漫游水城的全景。 以先进的虚拟现实技术，模拟实地划水场景。

辉煌影音数字虚拟仿真 小船是固定在地面上的，小船前方的投影屏幕上有一个的划艇比赛的虚拟场景，小艇上桨的转轴位置处安装有感应器，可以检测出同一组观众的划桨动作是否正确及一致，计算机根据感应器的检测结果来控制虚拟场景中的小艇的方向及速度。 利用虚拟现实和传感检测技术在模拟划船的场景，观众可以从虚拟的场景中感受划船的乐趣。

虚拟帆船

参与者可以驾驶特别定制的船模在投影大屏幕前进行虚拟巡游。 屏幕中的景物可为3D背景效果，视角前部的船头为3D效果。观众可驱动帆船向前或维持船身平衡。 当船静止时，小船随着波浪的起伏而被水冲向下游。同时，周围的场景相应的向后移动，使人有一种身临其境驾舟漂流的感觉

虚拟飞行

利用虚拟现实和传感检测技术模拟飞机飞行的场景，观众可以从虚拟的场景中感受飞机驾驶的乐趣。

这个游戏采用了刺激的图像和声音，让观众在静止的状态中体验刺激的虚拟世界飞行。

虚拟足球

在本系统中，球手站在绿茵场上，眼前是高保真数字投影机投放的球场逼真画面，耳边是万众球迷震耳欲聋的呐喊声，脚下是真球真踢，面对球门内超一流守门员，什么时候起脚射门、踢向球门什么方向，完全取决于球手自己。足球测量系统随时测量踢球的方向，完全取决与球手自己。足球测量系统随时测量踢球的方向，并与守门员的位置进行比较。只要把握时机看准方向，起脚怒射，守门员虽奋力扑挡，单球路刁钻，球进了！整个过程真实自然，动感刺激。反应迅速敏捷，动画引人入胜，声音惟妙惟肖，自动识别记分，让球手身临其境。产生无比的自信和兴奋，其乐无穷。该展项属于参与、互动性项目“足球射门”的外观设计成黑白相间的足球形状，既能恰如其份的表达该项目的创意，同时独特的外观也能趣味十足，引人注目。

虚拟篮球

通过互动投影系统，将投篮背景投影在墙面上，当有人站在对应的位置用手轻轻触碰篮球时，画面中的篮球将按照击打的方向飞出去，画面角落有计时器和记分器，观众可多次参与。

虚拟搏斗

展示方式：该系统在无人参与时，屏幕上的虚拟拳击手不断的作出各种可恶姿势并用挑战性的语言挑逗游客。游客参与时，虚拟拳击手做好挑战的姿势，并做出许多滑稽的动作，这时游客可以对空向拳击手击打，拳击手会做出反抗……

虚拟射击

辉煌数字科技虚拟射击 虚拟射击系统是通过高清晰数字投影机把真实的各种环境逼真地投射到大屏幕上，无论变幻不定的靶标，还是战场上蜂拥的敌人、俯冲的战机，射击者紧握钢枪，把握时机快速射击，在训练枪法、准确瞄准、找到射击感觉的同时收获胜利后的喜悦。 整个系统画面逼真，动感刺激，环绕立体声音箱配置，电脑自动识别计分，射击内容极其丰富。采用仿真的无线光枪，可以在自由位置、以任何姿态射击，增加射击过程的真实感。

虚拟打击乐

参与者站在摄像头前，系统自动采集到观众的图像，并融合到虚拟的舞台中，系统分析判断观众挥手作拍击动作，得知观众所拍击的乐器，发出对应的声音……

具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和构想性（imagination），使人们能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有交互效能多维化的信息环境。

业界很多虚拟现实公司只能提供三维漫游等简单的视景开发支持，其拥有的几何模型干涉检查、交互操作支持等也非常简单，而为此特殊开发的专用模块不但价格昂贵，且源代码有限开放难以满足用户个性化开发应用需求。真正的虚拟仿真应提供复杂场景图形、声音、交互操作、干涉检查等多方面的支持，从而可以简化应用系统的开发，提供应用系统的功能和性能。平台系统表现为一个视景和声音开发支撑平台和多个开发支持工具（几何对象干涉检查工具包、通用虚拟手开发工具包、粒子生成与控制工具、不规则几何体构造工具、流场可视化工具包）。可以为用户提供各类VR应用系统的开发。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。

虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。

虚拟仿真在城市规划中的应用

城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一，虚拟现实技术可以广泛的应用在城市规划的各个方面，并带来切实且可观的利益： 展现规划方案虚拟现实系统的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理，有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审。 规避设计风险虚拟现实所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的“再现”。用户在三维场景中任意漫游，人机交互，这样很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。 加快设计速度运用虚拟现实系统，我们可以很轻松随意的进行修改，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，只要修改系统中的参数即可。从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率，也节省了大量的资金，提供合作平台 。 ^[4] 

虚拟仿真在地产行业的应用

通过楼盘虚拟可体现楼盘在未来的真实景观、周边的环境及配套设施，可以验证客户所购买的单位与周边环境的协调关系、通过该户型的窗户可真切的看到未来属于自己的景观。给客户提供一种崭新的方式展示、宣传楼盘；完美体现了客户的设计方案，通过第一人称角色切换，给予购房者以真实在场，亲临其景的感受；在同一角度，对同一户型尝试不同的装潢设计；实时变换房间的装修材料，使购房者体验不同的装修风格设计。

虚拟仿真在数字校园方面的应用

通过三维仿真技术、数字技术、信息技术、网络技术要在校园生活各个方面的渗透和融合，建立了基于GIS平台的三维数字校园管理系统。实现在图形化、可视化和形象化状态下的校园信息查询定位、教学教育设施管理、学区规划管理和部件管理等。学校管理部门能够通过系统对校园的任意角落进行全方位的管理和掌控，为可持续发展提供解决方法、手段和决策支持；学生和社会大众可以通过该系统了解学校的详细情况，是学校面向社会宣传的快速通道。

虚拟仿真在旅游业的应用

随着科技的高速发展虚拟旅游逐渐走入人们的生活，凡拓公司利用虚拟现技术可以通过互联网和制作的仿真场景到达自己想去的地方。这就是虚拟旅游，凡拓公司是通过实地拍照，现场测量为基础，真实的再现旅游景点。让人们通过VR场景的漫游了解和体验旅游景点。

虚拟仿真在娱乐、艺术与教育方面的应用

丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对VR的真实感要求不是太高，故近些年来VR在该方面发展最为迅猛。如Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的VR游戏系统，配有HMD，大大增强了真实感；1992年的一台称为“Legeal Qust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度VR产品奖；中国的易绚网为需求企业提供个性化项目外协平台，减少项目中间环节，降低项目执行成本，提高项目质量，打造了中国最大的线上新媒体数字技术协作平台。 ^[5]  另外在家庭娱乐方面VR也显示出了很好的前景。

工程力学(虚拟仿真工程) 　本专业设有虚拟仿真实验室，建立了北京昊华认识实习基地、阜矿恒大实习基地、阜矿五龙认识实习基地。

本专业是国内首创专业，注重力学与计算机两大领域的交叉与结合，重点培养方向是工程中力学问题的数值计算与仿真。培养适应祖国现代化建设需要的德智体全面发展，专业基础扎实，知识结构合理，掌握高科技知识，勇于创新，从事虚拟仿真工程设计、研究、开发的应用型技术人才。学生毕业后，主要从事计算力学、虚拟设计、系统仿真、多媒体技术、网络技术、虚拟产品开发技术等方面的理论研究与实际应用。并结合力学学科的专业知识，对虚拟仿真工程中的力学问题进行理论分析和实际计算，提出相应的理论依据，进行科学论证。

培养目标：培养适应我国社会主义现代化建设需要，德、智、体全面发展，获得工程师或科学研究基本训练，基础扎实、知识面宽、能力强、素质高，具有较强的英语语言能力、创新精神和实践能力，较全面地具备工程力学基础理论知识，掌握计算力学与虚拟设计方法，具有对工程中相关力学计算问题综合分析和研究的初步能力，并具有虚拟仿真工程设计、研究、开发能力的应用型高级专门人才。

主要课程：理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、振动力学、流体力学、有限单元法、大型工程分析软件及应用、虚拟设计Pro/E、虚拟产品开发技术。

虚拟仿真在工业方面的应用

当今世界工业已经发生了巨大的变化，大规模人海战术早已不再适应工业的发展，先进科学技术的应用显现出巨大的威力，特别是虚拟现实技术的应用正对工业进行着一场前所未有的革命。虚拟现实已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用。虚拟现实技术的引入,将使工业设计的手段和思想发生质的飞跃,更加符合社会发展的需要,可以说在工业设计中应用虚拟现实技术是可行且必要的。

工业仿真系统不是简单的场景漫游，是真正意义上用于指导生产的仿真系统，它结合用户业务层功能和数据库数据组建一套完全的仿真系统，可组建B/S、C/S两种架构的应用，可与企业ERP、MIS系统无缝对接，支持SqlServer、Oracle、MySql等主流数据库。从而实现 企业利用虚拟平台，实时管理工厂的目的。工业仿真所涵盖的范围很广，从简单的单台工作站上的机械装配模拟与多人在线协同演练系统，到利用虚拟环境管理与控制工厂生产与设备运行。下面仅仅列举一些工业仿真的教培与模拟方面的应用：

·石油、电力、煤炭行业多人在线应急演练

·多人多工种协同作业（化身系统、机器人人工智能）

·虚拟制造/虚拟设计/虚拟装配（CAD/CAM/CAE）

·虚拟医学工程（虚拟手术/解剖/医学分析）

·航空航天、科学可视化