連接虛擬與現實的橋梁

李雨秣

摘要：現如今，我國的科學技術迅速發展，許多技術已從理論階段走到了運用階段，之前的一些還未掌握的技術現已悄悄進入了我們的生活。數字孿生作為科技化技術的一個重要分支，現階段正被人們逐步挖掘。正因如此，對數字孿生技術更深一步的探究便顯得尤為重要。本文通過對數字孿生技術的發展、核心理論及其在生活中的相關應用等多個方面的討論和總結，得出數字孿生技術在未來的趨勢與展望。

關鍵詞：數字孿生;虛擬現實;工業制造

1 數字孿生概述

數字孿生技術其實是利用現實中的物理模型和傳感器數據，在虛擬空間中完成高相似度的映射，從而實時監測和預測相應物理孿生模型的全生命周期運行狀態。在某些領域或產業中，數字孿生技術可以在現實中進行下一步操作之前，在虛擬空間中對數字孿生模型進行仿真驗證，并發掘其中潛在的風險，對物理孿生加以改進。因此，該項技術可為其節約大量的時間與資金，并將其風險降至最低。隨著數字孿生技術的完成度不斷提高，在不久的將來，將會在更廣泛的領域擴大它的影響。

2 數字孿生的核心理論

2.1 環境建模技術

環境建模是數字孿生技術中重要的手段和前提。數字孿生通過環境建模技術獲取現實中物理孿生體的三維立體數據，并且以一種虛實結合的方式建立模型，為數字孿生體的建立打下基礎。該技術可以使用計算機數學方法來描述物體與它們之間的空間關系，例如利用CAD（計算機輔助設計）可在計算機中生成相對應的物體，并且以方程式的形式產生直線和形狀，再依據它們之間的二維與三維空間的位置關系來精確定位。

2.2 聽覺觸覺反饋技術

聽覺觸覺反饋技術其實可分為立體聲合成技術與觸覺反饋技術。立體聲合成技術根據不同聲波的波長、相位與頻率的不同而有所不同，即通過控制聲音傳出的方向與大小高低來使其立體化，使制造出的虛擬空間更加真實。立體聲合成技術的另一個理論基礎為“雙耳效應”，其中根據聲音是以一定的速度傳播的，并隨著傳播距離增加，聲音強度逐漸減弱這一多普勒效應。該理論認為：由于人的雙耳位于頭的不同側，若一點聲源位于接收者正前方的中軸線上，那么聲音到達雙耳的時間和強度相同;但當這一點聲源偏離了中軸線時，因雙耳的距離不同，到達雙耳的聲音便出現了時間差、強度差、相位差和音色差，立體聲合成技術便是利用這些差值“控制”接受者的判斷聲源能力。另一方面觸覺反饋技術可以通過作用力、振動等一些物理手段為接收者模擬觸感，使使用者有一種身臨其境的感覺。

2.3 真實感實時繪制技術

為了模擬物理孿生體所處環境中所有的可控變量，物理孿生通過真實感實時繪制技術模擬物體的形態、質量、粗糙程度等，同時也模擬了物體間的相對位置，使數字孿生體與物理孿生體的誤差減到最小，真正做到同步模擬。真實感實時繪制技術中的“真實感”包括幾何真實感、行為真實感與光照真實感。其中，幾何真實感目的是使三維數字化模型與真實世界中的對象擁有相似的幾何外觀;行為真實感是使模型擁有特定的行為規律，一般用來模擬生物;光照真實感是指模型對象與與模型光源的相互作用，從而產生于真實世界中光感一致的圖像。通過以上相關的真實感實時繪制技術可使數字孿生體更加的真實。

3 數字孿生的相關應用

3.1 數字孿生在航空航天中的應用

如今，數字孿生技術已漸漸成熟，許多領域已將其加以運用。比如在航空航天領域中，美國國防部在該觀念提出不久就將其運用于飛行器的保障與健康維護。他們首先將其數字化，復制在數字空間中，并模擬飛機所處環境的所有影響因素，使數字孿生模型與它的真實狀態保持同步。通過建立飛機的數字孿生模型，每次進行飛行任務后可以及時對飛機的健康狀態進行分析和評估。《航空周報》對于2035年有一個這樣的預測：在2035年，當一家航空公司接收到一架飛機時，同時將收到一套“數字飛機”。這套“數字飛機”會包含真實飛機的任何一個部件、任何一個結構，并且隨著飛機的每一次飛行將會更新一次數據。這樣的話，不管飛機出現什么問題，都會在數字孿生系統中被預先感知到，從而使航空的安全性邁向新的階梯。

3.2 數字孿生在城市服務中的應用

數字孿生技術在美國國防部被運用后，迅速拓展到各個領域，近年來一些國家將數字孿生技術應用于“智慧城市”中。該技術在城市服務的方面將對服務場景、服務對象、服務內容進行數字孿生：被復制的城市中，所有的場景都將映射在一個虛擬世界中，并且以三維可視化的形式展現動態、靜態兩種不同的有效信息，在服務效能、場景設置、業務流程等方面展現出超越現實的場景。當然，城市服務是以人為本的，用戶一般被賦予一些基礎標簽與一些行為屬性，該數字孿生體將模擬個人全程、全景、全時地進行跟蹤，并將個人的生活軌跡、動作表情與社交同步呈現于其數字孿生體之上。在未來每個人都將擁有一個和自己一模一樣的“數字復制體”，該“數字復制體”會擁有和個人一樣的運動軌跡、身體特征和身體狀態，并具有一個從出生到死亡完整的生命周期的數字人生。VR（虛擬現實）與AR（增強現實）技術掌握已逐漸成熟，城市服務的內容將會基于VR技術以沉浸式體驗的方式優化人們的生活方式，基于AR技術將虛擬世界與現實世界完美融合。

3.3 數字孿生在醫學中的應用

眾所周知，醫學是一門復雜的學科，它不僅需要醫師精湛的技術，還需要十分精密的儀器。而數字孿生技術對于傳統醫學無異于一場顛覆。在虛擬人體領域，數字孿生技術可構成三維可視化的人體結構圖與心、肝、脾、臟等器官模型。這些由數字孿生產出的數字模型不僅可用于教輔與研究，更重要的是在進行大型手術之前，可進行一次仿真預演，從而提高醫療水平和準確度。在醫學中，數字孿生技術以腦機交互的形式帶來了許多方便。澳大利亞基于腦機交互研制出一種虛擬手術系統，因其中有著腦機交互與觸覺反饋技術的運用，醫生可在遠程控制手術機器人為患者進行手術，且觸碰到骨頭的觸感也因觸覺的反饋而更加逼真。由此觀之，數字孿生技術解決了許多醫學方面的問題，且隨著計算機技術的發展，該技術必定會運用更加廣泛。

4 結論

由此看來，數字孿生技術在世界范圍內都備受關注，且從該技術的發展速度與涉及領域來看，數字孿生技術有著十分光明的前景。雖然數字孿生技術相對于理想中的形式還有待進步，且在一些技術上難以攻破。但是，我相信在未來的某一天數字孿生技術將會與我們的生活融為一體，輔助航空航天、醫學等領域走向更高的階段。

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