模擬、虛擬、仿真及模擬仿真與虛擬現(xiàn)實的區(qū)別

曹爽　王峰　趙峰臣

摘 要 本文主要針對人們對模擬、虛擬、仿真概念界定不清等情況，詳細介紹模擬、虛擬、仿真及模擬仿真與虛擬現(xiàn)實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

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：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)實際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，并通過對系統(tǒng)模型的實驗來研究存在的或設(shè)計中的系統(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、機械、化工、水力、熱力等系統(tǒng)，也包括社會、經(jīng)濟、生態(tài)、管理等系統(tǒng)。當所研究的系統(tǒng)造價昂貴、實驗的危險性大或需要很長的時間才能了解系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的后果時，一般采用模擬的方式來完成。

仿真是一種特別有效的研究手段。仿真的重要工具是計算機。仿真與數(shù)值計算、求解方法的區(qū)別在于它首先是一種實驗技術(shù)。仿真的過程包括建立仿真模型和進行仿真實驗兩個主要步驟。仿真技術(shù)的實質(zhì)也就是進行建模、實驗?，F(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展是與控制工程、系統(tǒng)工程及計算機技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)聯(lián)的。控制工程和系統(tǒng)工程的發(fā)展促進了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，而計算機出現(xiàn)及計算技術(shù)的迅猛發(fā)展，則為仿真提供了強有力的手段和工具。因此，計算機仿真在仿真中占有越來越重要的地位。一般認為，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實驗來求解的技術(shù)。通過仿真實驗要了解系統(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程，此外，為了對仿真模型進行深入研究和結(jié)果優(yōu)化，還必須進行多次運行，系統(tǒng)優(yōu)化等工作，因此，良好的人機交互性是系統(tǒng)仿真的一個重要特性。

模擬側(cè)重于軟件，強調(diào)過程。仿真則側(cè)重于硬件，仿真的重要工具是計算機、模擬器。無論模擬還是仿真都與實驗相關(guān)，整個實驗叫仿真，而實驗過程應(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

模擬是對真實事物或者過程的虛擬。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。虛擬是對真實的模仿，對訓(xùn)練過程的假想。

3 虛擬現(xiàn)實與模擬仿真

虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，簡稱VR），是一種基于可計算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說，就是采用以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺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)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗。虛擬現(xiàn)實是高度發(fā)展的計算機技術(shù)在各種領(lǐng)域的應(yīng)用過程中的結(jié)晶和反映，不僅包括圖形學(xué)、圖像處理、模式識別、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、人工智能等高性能計算技術(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)和社會學(xué)等相關(guān)。

概括地說，虛擬現(xiàn)實是模擬仿真在高性能計算機系統(tǒng)和信息處理環(huán)境下的發(fā)展和技術(shù)拓展。我們可以舉一個煙塵干擾下能見度計算的例子來說明這個問題。在構(gòu)建分布式虛擬環(huán)境基礎(chǔ)信息平臺應(yīng)用過程中，經(jīng)常會有由燃燒源產(chǎn)生的連續(xù)變化的煙塵干擾環(huán)境能見度的計算，從而影響環(huán)境的視覺效果、仿真實體的運行和決策。某些仿真平臺和圖形圖像生成系統(tǒng)也研究煙塵干擾下的能見度計算，仿真平臺強調(diào)煙塵的準確物理模型、干擾后的能見度精確計算以及對仿真實體的影響程度；圖形圖像生成系統(tǒng)著重于建立細致的幾何模型，估算光線穿過煙塵后的衰減。而虛擬環(huán)境中煙塵干擾下的能見度計算，不但要考慮煙塵的物理特性，遵循煙塵運動的客觀規(guī)律，計算影響仿真結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)，而且要生成用戶能通過視覺感知的逼真圖形效果，使用戶在實時運行的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中產(chǎn)生親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是二十世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，是由計算機硬件、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、計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個信息技術(shù)分支，從而也大大推進了計算機技術(shù)的發(fā)展。目前，虛擬現(xiàn)實技術(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，它主要是通過模擬實車、實兵或?qū)崙?zhàn)環(huán)境，來培養(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裝備還要貴。為了解決部隊訓(xùn)練問題，美國國防部高級研究計劃局l983年開始實施模擬器聯(lián)網(wǎng)計劃，把分散在各地的訓(xùn)練器用計算機聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，形成分布式交互仿真，實現(xiàn)異地聯(lián)通與互操作。美軍已研制的虛擬現(xiàn)實模擬系統(tǒng)可以在視覺、聽覺和觸覺等方面逼真地顯現(xiàn)未來戰(zhàn)爭可能出現(xiàn)的各種情況，可以使沒有打過仗的指揮官身臨其境般地體驗戰(zhàn)爭，可以使駐扎在世界各地的部隊通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)同時演練同一想定，可以在同一模擬系統(tǒng)上演練在不同國家、不同地形、不同氣候、不同作戰(zhàn)對象的各種戰(zhàn)爭行動。如美海軍陸戰(zhàn)隊的模擬網(wǎng)絡(luò)可將分布在全球執(zhí)行各種任務(wù)的陸戰(zhàn)隊特遣隊司令部連接起來。一支遠征部隊陸戰(zhàn)營可與4800公里之外的另一支遠征部隊的團級司令部進行諸軍兵種聯(lián)合演練。

虛擬現(xiàn)實強調(diào)現(xiàn)實的真實感（身臨其境的感覺），模擬仿真強調(diào)對現(xiàn)實的模擬（例如物體的物理特性、化學(xué)特性，強調(diào)數(shù)據(jù)）