模擬、虛擬、仿真及模擬仿真與虛擬現實的區別

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實的概念及相互之間的區別。

關鍵詞 模擬 虛擬 仿真 模擬仿真 虛擬現實

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

1 模擬與仿真

模擬經常采用虛擬具體假想情形的方法，也經常采用數學建模的抽象方法。利用模型復現實際系統中發生的本質過程，并通過對系統模型的實驗來研究存在的或設計中的系統。這里所指的模型包括物理的和數學的，靜態的和動態的，連續的和離散的各種模型。所指的系統也很廣泛，包括電氣、機械、化工、水力、熱力等系統，也包括社會、經濟、生態、管理等系統。當所研究的系統造價昂貴、實驗的危險性大或需要很長的時間才能了解系統參數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。仿真與數值計算、求解方法的區別在于它首先是一種實驗技術。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。仿真技術的實質也就是進行建模、實驗?，F代仿真技術的發展是與控制工程、系統工程及計算機技術的發展密切相關聯的?？刂乒こ毯拖到y工程的發展促進了仿真技術的廣泛應用，而計算機出現及計算技術的迅猛發展，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。通過仿真實驗要了解系統中各變量之間的關系，要觀察系統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果優化，還必須進行多次運行，系統優化等工作，因此，良好的人機交互性是系統仿真的一個重要特性。

模擬側重于軟件，強調過程。仿真則側重于硬件，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，整個實驗叫仿真，而實驗過程應該叫模擬，所以模擬仿真不可分割，發展到今天統稱為模擬仿真。

2 模擬與虛擬

模擬是對真實事物或者過程的虛擬。模擬要表現出選定的物理系統或抽象系統的關鍵特性。模擬的關鍵問題包括有效信息的獲取、關鍵特性和表現的選定、近似簡化和假設的應用，以及模擬的重現度和有效性?？梢哉J為仿真是一種重現系統外在表現的特殊的模擬。虛擬是對真實的模仿，對訓練過程的假想。

3 虛擬現實與模擬仿真

虛擬現實（VirtualReality，簡稱VR），是一種基于可計算信息的沉浸式交互環境，具體地說，就是采用以計算機技術為核心的現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境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產生親臨等同真實環境的感受和體驗。虛擬現實是高度發展的計算機技術在各種領域的應用過程中的結晶和反映，不僅包括圖形學、圖像處理、模式識別、網絡技術、并行處理技術、人工智能等高性能計算技術，而且涉及數學、物理、通信，甚至與氣象、地理、美學、心理學和社會學等相關。

概括地說，虛擬現實是模擬仿真在高性能計算機系統和信息處理環境下的發展和技術拓展。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。在構建分布式虛擬環境基礎信息平臺應用過程中，經常會有由燃燒源產生的連續變化的煙塵干擾環境能見度的計算，從而影響環境的視覺效果、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也研究煙塵干擾下的能見度計算，仿真平臺強調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律，計算影響仿真結果的相關數據，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實系統中產生親臨等同真實環境的感受和體驗。

虛擬現實技術是二十世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術，是由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的三維信息的人工環境——虛擬環境，用戶投入這種環境中，就可與之交互作用、相互影響。它融合了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等多個信息技術分支，從而也大大推進了計算機技術的發展。目前，虛擬現實技術已在建筑、教育培訓、醫療、軍事模擬、科學和金融可視化等方面獲得了應用，漸已成為21世紀廣泛應用的一種新技術。

模擬仿真是一種物理模擬技術的應用，它主要是通過模擬實車、實兵或實戰環境，來培養單兵或小范圍作戰編組的作戰技能。

模擬訓練，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網計劃，把分散在各地的訓練器用計算機聯成網絡，形成分布式交互仿真，實現異地聯通與互操作。美軍已研制的虛擬現實模擬系統可以在視覺、聽覺和觸覺等方面逼真地顯現未來戰爭可能出現的各種情況，可以使沒有打過仗的指揮官身臨其境般地體驗戰爭，可以使駐扎在世界各地的部隊通過互聯網絡同時演練同一想定，可以在同一模擬系統上演練在不同國家、不同地形、不同氣候、不同作戰對象的各種戰爭行動。如美海軍陸戰隊的模擬網絡可將分布在全球執行各種任務的陸戰隊特遣隊司令部連接起來。一支遠征部隊陸戰營可與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合演練。

虛擬現實強調現實的真實感（身臨其境的感覺），模擬仿真強調對現實的模擬（例如物體的物理特性、化學特性，強調數據）