虚拟仿真

虚拟仿真是什么?

1、 概述

虚拟仿真是什么?

虚拟仿真(Virtual Reality):可称之为仿真(simulation)技术,或称为模拟技术,又称计算机仿真,就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术。它是指利用计算机生成三维动态实景,对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性、逼真的模仿。

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。

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。

最早应用在军事领域,如洲际导弹的研制、阿波罗登月计划、核电站运行等方面。直至上世纪70年代中期,虚拟仿真技术开始扩展到民用领域,并从80年代开始,借助计算机技术的发展大规模地应用于仪器仪表、虚拟制造、电子产品设计、仿真训练等人们生产、生活的各个方面。


 

2、 应用举例

眼球追踪

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。

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。

 


 

3、 技术特点

眼球追踪

 

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。


 

4、 技术现状

虚拟仿真行业高度依赖各种先进软硬件设备,包括:高性能计算机、通用软件及操作系统、数据处理芯片、专用电子模块及电子元器件等,因此,行业上游主要是可承载虚拟仿真应用系统软硬件设备供应商。

与传统的内容和知识的表现形式(如:文字、图片、视频)相比,虚拟仿真最大特点是使用者可以进行交互,因此,可以作为增强教学培训和演练效果的有效手段,解决培训与演练中“三高”(高危险、高成本、高污染)与“四难”(难看到、难动作、难进入、难再现)问题。因此,虚拟仿真目前主要应用于实践操作要求比较高的专业领域,行业下游主要是军事训练、工业设计、安全演练、技术培训等相关企业。

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传统的虚拟仿真产业环境下,业务模式多为线下的B2B的项目型。系统开发者为客户提供软硬件解决方案,通常由项目需求方通过招标的方式发布系统采购需求,系统开发者通过投标的方式得到项目,并签订合同。

经过一定的开发周期,系统开发者将软硬件系统部署到需求方指定的地点,并负责后期的培训、维护、升级等工作。在这种模式下,产业的价值链较为简单,仅包括需求方和开发者,即需求方提出需求——开发者完成开发——需求方使用。开发者为需求方提供满足需求的软硬件系统,需求方付给开发者相应的费用。

一方面,虚拟仿真系统价格高昂,经费规模少则几百万,多则上千万,因此主要应用于付费能力强的专业领域;另一方面,传统的虚拟仿真系统多局限于线下的应用,受地域、设备数量等限制,服务人群较少,系统的投入产出比不高。这就是虚拟仿真行业在各行各业广受重视却仍然不温不火,内容无法爆发式的增长、应用无法爆发式推广的主要原因。

 


 

5、 发展前景

作为一种内容和知识的载体,虚拟仿真的发展趋势可以从内容的表现形式和传播方式两个维度来分析。

首先,随着计算机软硬件技术的发展,互联网内容的表现形式不断进化,从文字、到图片、到音视频,但都只能单向的向用户传输信息,人们只能被动的接受内容的传播。虚拟仿真的出现为人们展现了一种全新的内容表现形式,它具有真实性和交互性,使用户不再是被动的接受内容,而是身临其境的感知和支配这些内容。因此,虚拟仿真逐渐开始应用于与人们生活紧密相关的领域,如:文化、娱乐、科普、教育等。未来,这种交互式的内容表现形式,有望成为人们获取内容和知识的主流方式。

其次,文字、图片、视频这几种表现形式,都经历了从介质拷贝、网络下载到在线实时浏览三个阶段。其中,互联网的传播,才是当前内容极大的丰富根本原因。但是虚拟仿真这种表现形式,却还停留在介质拷贝或者至多网络下载的阶段,远做不到在线实时浏览,因此限制了内容的发展。其主要原因是虚拟仿真系统计算要求高、数据量大、需要专用的图形计算设备,一般只存在于线下的、单机模式的应用中,不具备嫁接到互联网环境的条件,无法实现内容的广泛传播和快速积累,严重约束了虚拟仿真的应用推广和市场扩大。

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虚拟仿真需要走上互联网,将线下的应用搬到线上,将传统的项目型模式变为服务型模式,即虚拟仿真系统开发者无需按照传统的模式寻找客户,进行软硬件的开发和部署,而是通过网络将应用上云;用户无需一次性投入很多资金去购买系统,而是通过在线购买服务的方式使用系统。原本有潜在需求但无法购买系统的用户也有机会使用,大大拓展了目标用户群体的规模。最终在网络倍增效应下,让系统开发者通过互联网找到更多的用户,让用户通过互联网轻松找到更多的应用。

 

如何实现虚拟仿真的互联网应用?

互联网所带来的优势毋庸置疑,但虚拟仿真为何迟迟没有搭上互联网应用这班快车呢?其主要原因有以下两点:

(1)计算要求高,需要专用设备。虚拟仿真系统,需要大量的复杂计算和图形渲染,对硬件要求很高,而互联网应用需要实现跨平台、跨终端,不使用专用设备。

(2)数据量大,下载时间长。虚拟仿真系统,包括大量的三维模型、三维地形等数据,动辄几百兆甚至几个G。而互联网应用需要能够即点即用,不预先下载。

当前早已是互联网/移动互联网的时代,因此,虚拟仿真互联网应用的尝试,一直也不乏有人在探索。与虚拟现实三维互动在线教育云平台、VR教学云平台等类似的平台有很多,这些平台,有一个共同的特点,基本上都采用了WebGL或者Unity web player等方案实现。虽然形式上实现了互联网的应用,但数据的驱动、计算、图形的渲染还是在本地进行,摆脱不了对于终端硬件的限制;同时需要预先下载所有数据,无法做到即点即用。另外,受开发引擎限制,系统兼容性较差,已有的系统无法直接上线使用。因此,这种技术路线,不是解决虚拟仿真互联网应用的最佳方案。

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Oculus创始人曾经说过:VR需要无限的GPU动力。

虚拟仿真也是如此,而这无限的GPU动力不可能源自客户端,只能来源于云端。所以,可以采用云计算的方式,把复杂计算和图形渲染转移到云端,通过超低延时的交互式视频流返回到客户端。这样在客户端只要能够观看高清视频就可以使用,从而实现跨平台、跨系统的应用。在整个过程中,原有的虚拟仿真系统不需要修改一句代码就可以实现上云。

采用这种方式,能够带来如下的优势:

(1)无需额外的硬件投入:跨平台、跨终端的使用模式,可以使用一切现有终端。

(2)变购买项目/产品为购买服务:不需要前期的投入,多少人、用多长时间,就付多少钱,这也是当前最流行的SaaS模式。

(3)使用便捷:只要能够连接互联网,就可以随时随地的即点即用,可以利用一切碎片化的时间进行信息获取和知识学习。

(4)快速传播:可以通过微信、QQ等在线社交平台推荐给他人使用。

(5)内容安全:由于传输在互联网上的仅仅是视频流,而不是实际的模型数据,可以从根本上解决知识产权保护的问题。

因此,基于交互式视频流的云渲染技术,是解决虚拟仿真互联网应用的根本之道,并且可以催生统一入口虚拟仿真云平台,实现真正安全、便捷的应用共享。

 

虚拟仿真实现互联网应用的时机

当前,各种外部条件的发展,都已决定虚拟仿真互联网应用的时机已到。

(1)虚拟仿真应用深入人心

虚拟仿真的应用已经逐步在扩展,对于大多数领域已经不再陌生,市场的接受程度很高。

(2)SaaS模式的发展,购买服务的意识越来越强

近年来SaaS模式的发展,对于应用软件购买服务的意识越来越强,市场的接受程度很高。自2015年以来,《政府购买服务管理办法(暂行)》正式实施,政府一直在强调要从自建系统转变到购买服务。2016年1月,北京市经信委专门印发《北京市市级政务云管理办法(试行)》的通知,强调了“上云为常态,不上云为例外”的原则。同时,安全培训、消防演练、三维可视化管理等应用的终端客户都是政府或者国企,对于这些大B的客户而言,逐步从买项目/产品,转变为买服务,也是顺应国家政策。

(3)宽带中国的发展

近几年来,网络基础资源建设发展迅猛。目前,普通家庭的网络带宽可达到50M、100M,甚至中国电信还推出了千兆带宽进家庭的服务。对于移动网络,目前4G的带宽,理论上可以与50M~100M宽带媲美,流量使用费也越来越便宜,甚至各家运营商推出了不限流量的套餐。这就为虚拟仿真的互联网应用提供了良好的网络基础。

(4)云基础资源的发展

近年来,云基础资源建设的投入越来越大,在IaaS层,已经有足够多的资源和服务投入使用。可基于此快速的搭建PaaS层和SaaS层平台,实现虚拟仿真云服务。


 

6、 参考资料

1、虚拟仿真技术.百度百科.[引用日期2017-07-22]

 2、VR能否借虚拟仿真行业突破瓶颈? .99VR视界.[引用日期2017-09-07]

 

 

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