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虚拟仿真解决方案范文1
交通仿真是智能交通领域的重要分支,它是利用最先进的计算机技术,通过仿真模拟的方法来分析交通问题,辅助交通管理人员做决策。传统上,数学推导、科学实验是进行科学研究、解决科学问题的主要方法。对于交通问题来说,由于参与交通的人很多,影响交通出行的因素也很多,人们很难、甚至无法对交通问题建立精确的数学模型。同时,由于安全、法规,以及开销方面的原因,进行现场交通实验通常也是不可行的。而交通仿真恰恰能够有效地解决上述两个方面的困难。
然而,传统的交通仿真由于设计理念上的原因,并不能从根本上有效地解决交通问题。这是因为,交通系统是一个庞大的复杂系统,必须用对付复杂系统的方法来处理,也就是要用综合的方法,而不是还原分解的方法来处理。
城市交通系统是一个典型的复杂系统:
1)城市交通系统是由经济、环境、人口等因素综合作用的结果,必须全面综合地考虑城市交通和这些系统之间的关系。例如,不能为例城市交通问题的解决,而导致城市生态恶化,危害人居环境;不能为了城市交通的畅通,阻碍城市社会经济活动的健康发展。我们必须在已有工作的基础上,突破传统思维,探索研究此类复杂系统的新途径,而基于人工系统的研究方法正是这种有效途径之一。
2)城市交通问题不存在“一劳永逸”的解决方案。城市交通系统涉及人与社会的动态变化,本身也在不断变化和发展之中,不可避免地需要一个不断深化地认识过程,这类系统实际上不存在精确完备的整体解析模型。因此,无法“一劳永逸”地解决城市交通问题,我们需要基于“不断探索和改善”的原则,研究建立有效可行的计算实验方法体系,为不断地完善城市交通系统的综合可持续发展方案提供科学依据。
3)城市交通问题不存在一般意义下的最优解,更不存在唯一的最优解。首先,基于解析模型的最优解与假设条件直接相关,具有条件敏感性,但对于城市交通这样的问题,假设条件与实际情况往往存在很大差别。其次,解决这些问题一般不存在单一的优化指标,而多层次多目标优化往往导致多个甚至无数个解决方案,就连采用近似模型的多目标优化也是如此。再者,对于这类复杂系统,有时甚至连确定一个量化的综合优化指标也有困难,特别是由于复杂系统长期行为的不可预测性,试图求解其某一最优化解决方案本身就是不可行的。因此,我们应当接受有效解决方案的概念,而且还要接受一般情况下存在多个有效解决方案的事实。在这种情况下,我们应该利用平行系统方法,追求具有动态适应能力的有效解决方案。
基于以上分析,中国科学研自动化所王飞跃研究员提出了人工交通系统的概念。其基本思想是利用人工社会的理论与方法,把交通仿真推向更高的层次、获得更广的视野。它利用基于的建模、面向对象的编程和并行分布式计算等方法和技术,“生长”和“培育”交通系统,即“人工交通系统”。
利用人工交通系统解决问题的思路跟改革开放摸着石头过河差不多,不断探索和改善,使过程、方法更科学化、系统化、综合化,不断改善探索建立城市交通、物流、生态综合发展的理论和方法体系。
人工交通系统有三个核心组成部分:
一是根据人工社会的原理思想,建立一个来源于现实交通系统又超越现实交通系统的虚拟交通世界;
二是计算实验方法,即在上述的虚拟交通世界里进行可重复的实验,不但可以复原已有的交通拥堵、事故的成因,而且能够预先运行解决方案,从而选择最优的拥堵解决方法和突发事件的紧急预案;
三是平行管理运行,虚拟交通系统与实际交通系统相结合,直接采集现实交通数据,进行超前运算,以判断可能发生的交通事件,提前采取预防措施,为交通的高效畅通提供保障。
人工交通系统具有以下特点:
1)在宏观认识上,人工交通系统不是单纯的讨论交通自身的问题。相反,人工交通系统将交通看作社会整体的一个子系统,与经济、人口、环境、气候等子系统具有平等的地位,并将各个子系统之间的相互衔接、相互联系、相互作用和相互影响作为研究的重点之一。
2)在仿真方法上,人工交通系统属于微观仿真的范畴,但是不局限于研究局部的交通问题。人工交通系统面向大区域的仿真研究,采用复杂性科学中“涌现”的原理,在底层建立单个交通出行元素的模型,通过大交通区域内单个模型之间的相互作用,“涌现”出宏观的交通现象。
3)在实现手段上,人工交通系统不能在单一、孤立的计算机上进行仿真,要使人工交通系统具备真实交通系统的分散性和社会性,必须采用先进的分布式计算方法,如网格和P2P等,在互联网上建立结构化、分散化的虚拟交通路网系统,并且通过终端界面将网络中的真实人吸引到人工交通系统的运行中来,以使每一个模型具有逼近现实的社会属性。
4)在仿真目的上,人工交通系统不是一味的追求逼近现实交通环境和状态。除此之外,人工交通系统可以通过调整参数、添加随机事件等方法产生现实交通系统可能但尚未发生的交通现象,用以制定突发事故的紧急预案、交通控制方案的预评估以及交通参与人员的培训等等。
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对工业制造企业来说，新产品的开发实质上就是产品的工程设计过程。传统的方法是由工程师设计出产品，然后制造成实物原型，再进行测试和验证。如果产品达不到规定的要求，这个过程将会被再次重复，一直到符合要求。
这种情况，在当前时间就是生命的金融危机时期，对于企业来说无疑是致命的打击，尤其是汽车工业。这也就不难理解为什么一些有优势的制造商和产品开发公司把虚拟产品开发(VPD，Virtual Product Development)作为企业一项总体经营战略。
VPD加快产品创新
新产品的研发必须要具备更快的速度、更高的质量和更低的成本，才能应对激烈的市场。一件产品反复试制进人市场的方式显然不能适应当今瞬息万变的市场需求。而VPD将使产品创新取得实质上的突破。
VPD技术能够在虚拟状态下构思、设计、制造、测试和分析产品，使产品在物理态之前就能不断接受检验，不断检测出构思、设计以及成型质量等方面的问题，从而有效控制和保障最终产品的时间、成本、质量，也大大降低了上市产品的研发成本。
另外，由于VPD可以使产品的研发设计完全虚拟化，因此，研发人员也不必在一个物理区域。他们可以通过网络组建成“虚拟”的产品开发小组，将设计人员、工程师、分析专家、供应厂商和客户联成一体，异地进行产品的设计、分析、制造、仿真和支持等工作。对VPD工程师来说，他们也将会采取不同的思维方式、区域文化来完成设计任务。而这些都将有利于最终产品的创新。
CAD／CAM／CAE／PDM(简称C3P)是实施VPD的重要支持技术，而快速原型(RP)、虚拟现实(VR)、互联网也都被一些国际上的著名企业作为实施VPD的重要手段。从工业需求角度讲，亚太和欧美市场并不存在什么不同之处。
MSC.Software公司全球市场高级副总裁Ted Pawela说：“未来，VPD将成为制造企业产品开发的核心，全功能的数字化原型将用于企业内部和整个供应链的协同和沟通。”另外，据专业人士预测，产品开发领域的这场革命在中国将比一些发达国家来的更快，因为他们不需要替换掉老的开发组织架构，可以直接在VPD平台上架构开发新产品。
CAE是产品创新的关键
从定义上讲，VPD是对产品的全方位的数字化描述，CAE特指进行仿真分析的各种技术。CAE作为VPD中的关键一环，受到了越来越多的重视，并逐渐补充或加强到虚拟产品研发当中去。
2008年，PLM达到了29.95亿元的市场规模，据赛迪顾问预测，2009年PLM市场将进一步发展至34.82亿元。PLM市场在近三年保持了约16％的复合增长率，在大型企业的PLM市场逐渐走向成熟时，PLM应用将向中小企业转移。纵观近几年，在整个PLM市场增速基本不变，CAD市场些许下滑的情况下，PLM领域的增长其实是来自于CAE。
从现有的CAD产品来看，大部分也都或多或少的带有CAE的功能，这些CAE的功能部分是由CAD厂商自己研发的，还有部分是因为其本身意识到CAE技术对整个虚拟研发的重要，通过投资购买融合到CAD产品中去的。从市场投入情况来看，客户在CAE领域的投资也将会加大。记者从MSC.Software2009虚拟产品开发(VPD)大会上随机采访几位来自电子和汽车工业用户了解到：CAE帮助他们解决了大麻烦，正在考虑CAE的进一步投入。
多数情况下，客户对虚拟仿真的需求是多学科的，这也就要求CAE软件具备多种仿真能力。例如对于一个塑料产品的成型质量进行评估的话，就需要对产品成型后的各部分受到的应力进行分析和测试。现代的CAE系统可以满足不同的仿真要求，完成多层次的仿真，目前已经可以完成真正系统级的仿真。MSC.Soft-ware的目标就是为用户提供全方位的CAE仿真平台，来满足各个行业客户的需求。
在这个平台上，用户可根据自己所处的行业和对仿真要求的不同，随机选择所要进行的仿真能力，这也就相当于ERP系统中的选择需要的模块。
与其他软件公司相比，MSC.Software的不同之处就在于它提供了集成的解决方案，可以为用户提供系统级的多学科的解决方案，而其他公司主要是提供工具方面的解决方案。这样就使MSC.Software利用工具为客户提供解决方案时可以将CAE的应用效益最大化。
中国CAE路归何方
尽管Ted Pawela一再强调亚太市场和欧美市场从工业需求来说，并不存在区别，而且中国CAE市场正在崛起，并将迎来它的一个转折点，但由于CAE在欧美市场已经应用了几十年，因此比较来说，中国在应用技术方面还存在一些差距，尚不够成熟。但这种应用差距正在明显缩小。
“目前，中国和印度等发展中国家在CAE方面的投资都很大，尤其是中国，”MSC.Software公司亚太区副总裁兼总经理DavidYuen说，“20年前，CAE只有一些基本的应用，集中在汽车、航天航空等方面，现在已经扩展到了如消费电子、能源、医疗器械等其他领域。”
不过，在VPD领域，采用的还是国外的产品占多数。这对中国VPD技术的发展是一个不利的因素，但在应用方面，正是由于CAB在欧美企业的成功应用，经过了一个长期的验证过程，才使得中国企业可以无需进行技术验证过程直接应用CAE技术。从这个意义上来说，这也加快了国内工业化向信息化迈进的进程。
当然，在CAE应用中还存在一些问题。一个困扰用户的问题就是在CAE方面的知识和专家经验处于孤立状态，不能为大家共享。另外，在仿真过程中会产生大量的仿真数据，如何管理保留这些数据为下一次开发提供数据参考也是一大问题。
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2013年6月，LMS中国用户大会在青岛举行。作为一年一度的LMS用户大会，堪称各领域用户技术交流的盛会，也是LMS用户分享成功经验、提升应用水平、了解LMS公司最新技术资讯和公司发展趋势的平台。同时笔者也感受了LMS机电仿真和试验解决方案作为西门子PLM软件系统重要创新驱动力的独特与精湛。
如何在设计早期根据市场的需求开发产品功能，如何尽可能早地综合考虑产品不同属性的平衡，如何协同不同地区开发团队之间的同步工作……这些都是新产品开发中迫于达到产品性能指标、体现产品的品牌价值、顺应产品范围持续扩大以及开发环境全球化的趋势所遭遇的压力。
以飞机产品设计为例，作为最复杂、最精密的完整产品，涉及机械、电子、软件和控制等多个系统，以及多电机的发展所带来的智能控制系统的采用也越来越多，需要在原先的开发流程中有效考虑机电一体化系统开发，综合考虑控制系统和受控对象的耦合等设计环节。另一方面是飞机开发的全球化使得来自不同地区研发部门或供应商的系统如何集成，特别是在设计的早期如何通过系统的集成确保飞机设计的成熟性，是全球飞机开发面临的棘手问题。
LMS，基于模型的系统工程（Model-based System Engineering）为解决这些问题展示了另一种新思路，提供了一套跨学科的方法和保证成功的系统。
LMS首席执行官Dr.Jan Leuridan博士认为，缺乏前期的可预见性评估，缺乏有效的设计与验证体系，新产品的概念需求无法转化为实实在在的设计，并且产品成型后离前期需求差距较大，这是新产品面市克服的关键，需要制造企业能够运用系统工程解决实际问题。对于像飞机设计这样规模较大、组织较分散、需要集成很多开发系统和过程、涉及不同学科或较复杂制造过程的企业，基于模型的系统工程具有独特的价值。在飞机的开发过程中，通过有效协调和同步物理系统与电控系统的开发，确保产品的质量，即通过应用模型来支持系统的需求定义、设计、分析、校核和验证，从概念设计阶段开始一直贯穿整个开发流程。
LMS的系统工程技术定位与其发展历程密不可分，似乎每一步都是为了满足现阶段对复杂系统开发的需要：从一家提供振动噪声试验解决方案的公司，到如今提供试验、仿真、工程服务于一体的解决方案供应商，同时成为基于模型的系统工程技术的倡导者和领先者，正是30年来LMS对客户需求不断探索、进取的必然结果。通过和全球领先的航空工业整机厂商紧密合作，LMS公司不断升级LMS Imagine.Lab这一跨学科环境，以支撑基于模型的系统工程开发方法。
LMS中国区总经理郭继忠先生表示，LMS的技术战略正由性能开发解决方案推向开发流程的更早阶段、更为广阔的物理属性和更复杂的系统级开发。例如，基于模型的系统工程把重点放在开发早期中的客户需求以及要求的功能，并转化为产品组成部分中的不同系统模型，如机械系统、电路系统、控制系统和液压系统等，在这些系统模型基础上再对整体方案进行分析和优化，完成各个子系统的性能指标设定，在随后的子系统开发阶段中，通过建立子系统进一步细化的模型，一方面校核子系统的性能是否满足系统设计阶段定义的性能指标，另一方面该子系统模型可以替代系统模型中的功能模型，从而在整个系统环境中对子系统进行优化。这样在新产品设计中实现了对传统的机械性能设计与控制系统等多系统的并行设计支持，极大地提高了产品开发效率和精度。
在L MS Imagine.lab里，LMS推出了I magine.LabSysDM系统数据管理平台，用于管理LMS Imagine.LabAMESim、Modelica和Simulink等系统建模仿真工具的数据和模型。LMS Imagine.LabSysDM为机电一体化系统工程系统提供了坚实的基础，支持基于物理学的系统仿真和基于模型的控制工程，将开发组织中相关的人、数据以及模型、流程进行有效集成，建立设计变量和方案管理平台，以支持协作开发过程。
随着企业应用 LMS Imagine.Lab仿真平台增强后，与三维虚拟仿真平台L MS Virtual.Lab形成互补的解决方案，工程师不仅可以从系统宏观的角度作出决策，在产品几何、状态、尺寸信息获得前也可作出相关的设计决策，在产品设计成型后，通过集成仿真平台，对产品结构、机械系统进行模拟仿真。面对产品设计的复杂程度越来越高，以及客户的新需求，L MS通过I magine.Lab和Virtual.Lab融合，将机械、电气和液压等多个系统的问题放在统一平台下进行解决，从系统动力学、操纵性、安全性、可靠性、舒适性和声音品质等多个物理域分析产品的整体性能，从而达到优化的目的。
Dr.Jan Leuridan指出： “融入西门子 PLM大家庭后，我们将继续增强在系统仿真、机电一体化仿真、测试方面的领先地位，包括进一步增强T est.Lab、V irtual.Lab、I magine.Lab和S amtech等解决方案的功能；其次要与现有西门子P LM的仿真工具集成起来，形成一个更完整和强大的解决方案。”
例如， LMS系统工程将 PLM流程中不同部门所产生的模型系统数据便捷集中在单一的环境中进行管理，对产品进行设计综合和系统验证，对系统模型进行权限管理与版本管理，实现研发流程相关联，保障数据的可靠性及可追溯性。只要设计团队有任何需要，都能更快地访问关键数据，实现企业典型设计、工艺及制造经验的共享，实现企业的知识工程和知识管理，即便不同的系统模型会演变出各种不同的设计方案，也能将这些模型数据有效地管理起来。
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虚拟仿真的世界由计算机生成，由投影机等显示设备呈现，可以是现实世界的再现（虚拟实境），也可以构想一个全新的世界（虚拟虚境），通过创造身临其境的沉浸感，并配合头盔显示器、数据手套等辅助传感设备，让用户可以与虚拟世界自然实时交互，直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，像在真实环境里一样进行各种操作。这种虚拟环境具有极高的准确性，可以节省昂贵的现实培训开支，减少真实资产的浪费，更有效地整合信息和数据，帮助用户对关键任务和决策做好最佳准备，优化产品开发流程，从根本上改变人们工作的方式。
作为窗口的显示技术
在虚拟仿真系统中，显示设备是呈现虚拟世界的窗口，而投影机是其中最常使用的设备。标准的投影机通常只是在平面上投射单一图像，而虚拟仿真中的投影机通常用于多通道、边缘融合系统，显示无缝连续的图像，而且经常需要投射在球幕或柱形的表面。因此，与普通的工程应用相比，用于虚拟仿真系统的投影机需要具有更高水平的色彩校正和光输出控制，以及更先进的图像处理能力，例如几何校正。作为创建锐利图像的重要一环，投影机镜头同样重要，可帮助实现无缝的边缘融合。
“虚拟仿真系统力求达到模拟真实环境的标准，不但对整套显示系统的性能有着极高要求，系统形式也会针对不同行业的不同需求带来有不同的呈现效果。总体来说，大多数行业的虚拟仿真系统普遍会有好的色彩呈现、高分辨率、高亮度、高对比度、高一致性、高刷新率、多种立体方式、很好的沉浸感，以及观看视点位置、多视点观看等需求。在不同行业的应用中，虚拟仿真项目通常需要多台投影机拼接融合组成不同的系统形式来满足使用要求。” 巴可大中华区虚拟仿真系统产品经理赵易时指出，“就投影机来说，为满足以上需求，单机方面就要有高分辨率、不同亮度的系列，氙灯和3DLP芯片级的色彩呈现，要能够实现多种立体表现形式并能实时切换，具备高系统刷新率、低噪音、模块化易于更换、自动亮度、色彩实时检测和调整以及多通道间的融合羽化等能力。”
随着应用的不断深入，更高对比度尤其是支持夜间模拟操作的投影机成为趋势，此外，投影机刷新率的提升也增强了图像的真实感。“针对某些特殊领域，如专业级飞行模拟器等虚拟系统的使用和模拟过程中，对投影机还有夜视模式、超高对比度增强模式、快速消隐、能上运动平台等特殊要求。” 赵易时补充道。
显示技术本身的进步，也为虚拟仿真系统发展创造了更好的条件。在过去几年，受到世界经济环境的影响，机构对成本效益的考虑以及紧张的资金成为虚拟仿真系统建设面临的重大挑战，但是LED以及激光光源技术的发展，实现了更低的使用和维护成本。
同时，显示技术正不断挑战人眼的极限分辨率，对于4K、8K等技术来说，虚拟仿真是真正的利基市场。石油公司、汽车设计、军事简报室等都是对于分辨率非常饥渴的，并可能最早尝试4K的领域。赵易时指出：“4K技术的成熟对仿真应用有着重要意义，随着各个行业的不断发展，用户对虚拟仿真系统的需求也在不断增强。4K推出只有两三年左右的时间，现在已经在很多行业替代了以往的系统形式，用更少的投影显示单元实现更大的视场角以及更精细的画面表现力，带给用户更逼真的体验，促使4K的应用需求在各个行业都在快速上升。巴可是最先将4K技术应用在虚拟仿真领域的厂商，目前我们在国内已为包括上海通用、广汽及北京现代汽车等公司安装了4K仿真项目，应用在汽车制造中。”
如今的4K平板显示器亦非常适合用在虚拟仿真系统中，JVC近日在其的84英寸4K显示器上演示了“谷歌地球”的内容，这款产品针对虚拟仿真市场，有4路HDMI输入，支持60帧/秒的4K内容。地图等内容要求宽广的视野和高精度显示，非常适合在大的4K平板上播放。
不同类型的系统
虚拟仿真系统应用的范围广泛、环境复杂，应用需求多种多样，为此，市场上也有各种类型的系统提供。“根据显示系统的不同来划分，仿真系统主要有平面投影系统、弧形投影系统、CAVE投影系统和球幕投影系统，其他一些异形投影系统严格来讲都可以划分到前述的四种当中去。系统搭建的难点主要是根据客户的需求选择最适合的软硬件来完成整个系统，避免系统中的软硬件冲突。” 赢康科技的技术人员为我们介绍道。
根据实现功能的不同，有很多专门的系统应用在不同的环境中。例如，飞行模拟器和其他“4D平台模拟器”（例如安装在移动液压升降塔架上模拟重力效果）通常被用作特殊和专门的功能，它们由1个、3个、5个或更多的大型背投屏幕加上3D快门眼镜、环绕立体声和位置跟踪系统组成。头部位置和方向并不一定需要追踪（因为身体就在这个投影环境里），但是头部追踪可以在人走过空间时，实现自然视场和角度变化。追踪带有触觉反馈的数据手套可以支持对虚拟物体的操作。
CAVE协作虚拟环境，源自Collaborative automatic Virtual Environment的缩写，是近年来出现的一种标准配置，其结构通常是一个3m×3m×2.4m的长方体，由3到6个背投屏幕墙面组成。不论是在科研机构还是跨国企业，用户可以在CAVE里面通过网络与世界各地的团队就复杂问题进行协作。在CAVE当中，若干投影机由计算机或计算机集群驱动，由外向这些屏幕投射。由于近距离观看需要非常小的像素来保持真实感，因此要求投影系统有非常高的分辨率。用户在CAVE里面佩戴3D眼镜观看由CAVE生成的3D图形，其动作通常由3D眼镜附带的传感器跟踪，并不断调整视频，以保持观看视点。CAVE以及音频系统都由计算机来控制，在CAVE中，通常会在多个角度安装多个扬声器，提供配合3D视频的3D音频效果，以实现全面的3D体验。
LVC（Live， Virtual， and Constructive），现实、虚拟和建设性的仿真被广泛用于模型和仿真系统的分类。LVC有助于解决时间和空间、操作预算的限制，不用现实设备就能实现更多的培训。例如，在下一代航空领域的培训中，包括很多在无人驾驶机上的培训，都需要考虑不同的人为因素以及在不同地点的分布式培训。
另外，带有全面人体运动跟踪架构和设计的沉浸式虚拟现实系统也会有大的增长，并且在应用中有强大优势。例如对于军队的医疗团队来说，可以在虚拟空间检查新手术室的设计，移动仪器和重新定位设备，直到他们认为配置正确，这样就不用建立物理模型，从而节约时间和金钱。
尽管一个封闭的环境已经能满足需要，但是有时3D协作可能只需一面显示墙屏幕甚至是在桌面上就能实现。由于模拟项目涉及人员众多，空间常常成为问题，因此带有位置追踪的头戴式显示器或许会成为最佳解决方案。
平台软件与系统整合
相比只是简单显示信号的普通工程应用而言，虚拟仿真系统更加复杂，是各种技术的集成，除了投影显示系统外，组成系统的还有服务器、VR外设和平台软件。要让所有零散组件和工作成为一个无缝整体，秘密武器就是平台软件，没有软件的粘合，虚拟仿真系统就只剩一堆硬件。现在，大量的公司从事虚拟仿真软件的开发，确保以高速的立体数据渲染，让用户拥有更好的图像质量，增加沉浸体验。
“在一个系统中，所有外设整体的整合主要靠软件来完成，平台软件包括三部分：第一部分是仿真软件平台，所有的开发都是基于这个平台来做的；第二部分是接口开发，没有接口软件就无法认出硬件的数据，没有统一的数据接口就没有办法把所有的数据进行整合与处理；第三部分是应用开发，只有平台和数据是无法完成搭建一个系统的最终目的――解决一个实际问题――的要求的，而且前端的AV系统也需要开发出来的应用来提供显示内容。平台软件作为把整个硬件系统连接成为一个整体的桥梁，通过必要的接口开发把所有硬件部分连接成为一个无缝的整体。AV设备提供相应的音视频输出，而手势控制、头盔显示器、跟踪系统都可以作为输入端，通过采集输入端的数据，发送到软件中进行分析运算，最终形成图形图像等信息输出给AV终端设备。” 赢康科技强调了平台软件在系统中的重要性。
系统集成商可以提供很多设备，如屏幕、投影机、计算机、图形卡。制造商针对虚拟仿真设计的投影机，可以满足诸如7×24小时持续运行的特殊专业需求，其组件和保修通常都指定了更长的运行时间和耐用性。但设备提供并不是最重要的，赵易时指出：“其实，对虚拟仿真来说，单机方面的要求仅仅是冰山一角，更重要的是系统级的‘know how’（知道如何去做），系统集成的经验对项目的成败非常重要，比如光路的设计、性能的分析是否能满足使用要求等。此外，屏幕类型以及配比，系统级的对比度、系统亮度、对环境光的抗干扰能力以及针对观看眼点的系统对比度分析等，都是系统级的要求。所以说搭建一个虚拟仿真系统，不仅仅是依靠仿真级的投影机，更重要的是系统级的‘know how’和经验。”
对于AV系统集成商来说，针对每个定制设计安装需要具备测量和规划的技能，还要整合其他设备，并与不同的供应商合作。例如，在操作软件以及将现有3D资产模型转换为适合实时操的作格式等方面，就要与VR供应商合作。同样，3D HMDs、触感手套、触觉力反馈控制的供应与集成也可以找有经验的合作伙伴。这些都要求集成商的项目管理技巧能够从整体上控制这些工作并管理好客户关系。
不同行业的应用
利用虚拟仿真的物理实时计算功能和高画质的渲染技术，赋予虚拟环境以真实体验，并实现其各种内在特性，如真实模拟场景重力、环境阻尼等环境特性及动力学特性等，使得虚拟仿真技术在各行各业的应用中都可创造出极大的现实价值。
飞机、动车、轮船、汽车制造中应用虚拟仿真系统会极大缩短产品的开发周期；在军事作战指挥、训练中利用虚拟仿真技术，可以丰富战术，提高部队训练水平；虚拟实验室，能够使学生身临其境参与实验，同时解决资金、空间、时间等问题；虚拟仿真可以将历史建筑、文物、自然现象等进行虚拟展示和复原，从而使其脱离地域限制，减少破坏的同时让更多人分享和体验；通过与电力信息系统紧密结合，虚拟仿真系统可逼真再现变电站现场各种设备的操作过程和设备运行状态，从而为电力行业提供可视化系统解决方案；虚拟现实仿真平台可以实现水利工程仿真、地震应急救援仿真、地震应急推演仿真、地质灾害仿真，实现地质灾害虚拟环境功能与展示的结合，在虚拟环境中进行预防地质灾害的模拟演练。
虚拟仿真以其不可取代的优势，被广泛应用在国内各个行业，并发展迅速。据赢康科技介绍，虚拟仿真目前主要集中应用的行业包括：军工（九大军工集团及下属院所）、航空、航天、工业制造、汽车行业、能源行业。其次是建筑、园林、文物、古建，以及教育、文化、艺术、娱乐等领域，近几年在一些民用小领域也开始出现仿真应用。
同时，每个行业都会根据自身行业的特点设计不同的应用需求，巴可公司赵易时谈道，比如有些场景需要突出沉浸感，有的则要求大视野，或者对互动和固定眼点后的分辨率有着极高要求，甚至还有的要求系统能应用在特殊的运动平台上，不一而足。这就需要投影厂家对各个行业的显示需求有深入的理解，具备满足各个行业不同需求的全系列产品线以及系统集成经验，才能够最终满足不同领域用户的专业需求。
不论厂商还是集成商都需要吃透用户的需求特点，才能使虚拟仿真系统发挥最大价值。“仿真系统主要实现的功能包括：外观评审、样机评审、虚拟装配、虚拟维修维护、虚拟漫游、过程仿真、人机功效分析等功能。不同行业客户的需求基本就是上述这些功能，只是侧重点有所不同，最主要的差异就是应用的差异，每个领域都有自己的特点，有自己的技术，要针对每个领域的需求定制不同的软硬件解决方案，这其中也包括了软件的开发。”赢康科技介绍道。
广阔的市场前景
虽然虚拟仿真系统发展很快，但相比AV行业的其他垂直市场还是相对比较小众化，且对于设备、技术要求较高。随着各个行业自身的不断发展，对虚拟仿真系统的应用需求与日递增，使其开始从过去相对高端的专业领域向民品行业迈进。在未来，有理由期望通过拓展潜在用户的范围，令虚拟仿真系统变得更受欢迎。
“虚拟仿真已经逐渐涉及到民品行业，目前国内家电行业已经开始使用仿真系统做外观评审了。其实仿真在国外的应用非常广泛，大到航空航天，小到家居装修，都已经用到了相应的技术，只是国内在这方面的起步较晚而已。”赢康科技指出，“平民级应用将成为未来虚拟仿真系统的一个发展方向，在满足视觉和听觉的基本沉浸感和交互感的基础之上，采用最便宜的软硬件来进行集成，将以前高不可攀的仿真设备价格变得大部分公司都能消费得起，使采用这种集成技术的成本远低于平时的研发或训练成本，甚至是普通大众都能接受，这样虚拟仿真才能够走向大众化。”
显示技术以及虚拟仿真系统涉及的其他技术都在不断进步，进一步推动虚拟仿真应用的拓展。赢康科技还指出了虚拟仿真未来的另一个方向，即向更加深入的沉浸感体验发展，视觉方面，同样大小的显示终端从2K变到4K，以后甚至会达到8K、16K，直至人眼无法看到像素点的分辨率，除视觉听觉外，其他感觉体验（如：触觉、味觉等）已经开始逐步应用，这将实现更加贴近真实感觉的体验。
“未来，虚拟仿真和虚拟可视化会在各个行业扮演越来越重要的角色，会有越来越的行业和客户在未来需要借助虚拟仿真的技术平台满足其专业化的需求，市场前景非常广阔，市场需求在不断上升而且对各个细分的领域会有着越来越高的、独特的专业要求。以后的虚拟仿真的市场一定是不断扩大而且细分化的。” 谈到未来前景，赵易时如是说。
案例1：
中国商用飞机责任有限公司（“中国商飞”）成立于2008年，是一家承载国家大型客机项目的国有大型企业。为提高航空工程师的日常训练水平，中国商用选择巴可为其提供沉浸式虚拟仿真系统。该套定制化视觉解决方案采用Holospace L型立体环境搭配Galaxy NW-12立体投影机，同时融合虚拟装配软件应用，是国内商飞领域第一套虚拟仿真训练系统。项目中， 5台高分辨率？Galaxy NW-12立体投影机，分别投射于正面、地面和侧面三面，将虚拟的飞机内部座舱布局、机械引擎设备等三维立体影像以1：1的比例逼真地呈现出来，真实地还原机务工程师所面对的物理环境。模拟训练区拥有进行模拟装配训练时所需的大视野及交互式的立体操作环境，可允许3至？4人同时进行演练。此外，系统还可为公司专家及管理者提供绝佳的会议汇报场所。
案例2：
“青岛国棉6虚拟现实产业园”规划打造成为一个具有历史气息的文化创意产业园区。在此项目中，赢康科技完成了包含360度环幕、城市仿真、登陆火星、地面互动、都市快轨、飞行模拟、建筑投影、全息迎宾、外星人游览、雾幕投影、虚拟漫游、虚拟商场、虚拟装备、自然互动等项目的显示系统。
虚拟仿真解决方案范文5
【关键词】虚拟现实适度仿真低成本化
虚拟现实技术(简称VR技术)是基于计算机技术及数据处理技术的沉浸式交互技术，也就是基于计算机技术等现代科技，人为产生的可以综合感知以模拟特定环境的虚拟交互技术。用户可以借助相应的设备以人类自然的方式与虚拟环境对象进行交互影响，从而产生类似真实环境的体验。
一、虚拟现实系统的构成
虚拟现实系统的设计开发须涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制等多个学科，一般来说完整的虚拟现实系统由以下几部分构成：
1.传感器模块：是用户与虚拟环境的接口，一方面接受用户的操作并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作结果以综合形式反馈给用户，使用户形成对虚拟环境的感知。
2.检测模块：用于检测分析由传感器模块接收到的用户操作，并将其转换为系统操作指令传输给控制模块操控虚拟环境。
控制模块：是仿真系统的核心部分，既可以仿真控制虚拟环境以应对用户操作，又可以将虚拟环境的反馈通过反馈模块控制传感器使用户获得仿真体验。
3.反馈模块：接收来自控制模块的处理信息为用户提供实时反馈。
4.建模模块：获得现实世界的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。
二、虚拟现实系统的关键技术及成本构成
虚拟现实系统的关键技术及成本构成主要包括以下几个方面：
1.动态环境建模技术：虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。这里的开发成本主要表现为环境三维模型和贴图带来的系统空间及时间占用，如果不能较好的优化模型和贴图将会严重影响整个系统的视觉效果及运行速度，大量浪费计算机系统资源，甚至导致复杂场景环境无法实现。
2.实时三维图形生成技术：三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。随着新一代高性能图形处理器三维渲染技术的实用化，经过适当优化模型贴图的虚拟环境实时生成已不再是系统设计的成本瓶颈了—大多数主流图形处理器已可以轻松胜任此项任务，不必再增加额外的开发成本。
3.立体显示和传感器技术：虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的传感器技术还远远不能满足系统的需要。例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。由此可见，现有的立体显示和传感器技术还远远不能满足高仿真度虚拟环境的构建要求，并且由于技术的不成熟性还极大的提高了系统开发的成本。据统计系统开发成本的40%以上将消耗在该方面，因此是低成本虚拟现实系统开发必须解决的问题。
3.仿真控制技术：自然环境中的各物体之间是有相互作用的，简单的说就是各种力场的存在特性。几乎所有的运动和交互动作都要涉及到约束力学，这意味着仿真环境及身处其中的用户应该在合理的作用力影响下活动。因此虚拟现实系统需要模拟环境中出现的大量物体的材料及物理力学特性，单从需要仿真的数量及类型上看就会极大地增加系统实际的工作量及成本，更何况虚拟环境中物体之间纷繁复杂的相互影响关系了。事实上针对这些问题现代工程物理学也没有一种简单有效的解决方法，故而要想找到合理简单的数学模型并最终形成算法是虚拟现实技术的重要研究方向。就目前的情况来看仿真度要求越高算法的实现就越困难，系统开发成本就越巨大。
4.系统集成技术：由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。目前的虚拟现实系统开发通常都是单独开发相关的部分，致使系统存在开发难度及工作量巨大、可重复利用率低、通用性差等缺陷，这也是系统开发中成本高昂的重要原因之一。
三、低成本化虚拟现实系统解决方案分析
使虚拟现实系统在工业产品设计生产方面无法大规模应用的高昂开发成本，主要来源于高精度三维环境模拟，高度真实的动力学仿真设计及高度沉浸感的交互式感觉器及三维显示技术等几个方面。综合来看，虚拟现实系统对虚拟环境及虚拟交互的仿真度要求越高则系统的开发成本就越大，因此有必要提出适度仿真的概念，以解决当前高成本阻碍应用的问题，至于完善的问题尽可以在应用扩展的同时，随着技术的发展逐渐解决。
首先，合理的选择虚拟三维环境模型的建模方式和优化方法就可以大大节省对系统资源的消耗，如手工建模方式中的可编辑多边形建模，就可以在环境或物体尺寸精度要求不高的情况下，以少量的多边形网格和极少的代价获得非常精致的视觉效果，而使用有效的优化方法还可以进一步提高网格的效率。同时选择通用化成熟的商品建模工具也可以大大提高建模的效率，使原来用编辑手段实现的效果开发变得简单、快捷，这就大大降低了相应的成本消耗。
其次，在工业产品的大多数虚拟现实应用中，降低对传感器及立体显示的似真度要求也可以在降低成本的前提下保持相对较好的环境沉浸感，比如，技术比较成熟的环幕显示技术，虚拟洞穴显示技术虽然还不是立体显示技术，但其视觉效果已可以满足大多数的沉浸交互应用了，而使用传统的鼠标指点设备代替复杂的数据手套等高技术传感器，虽然对用户的沉浸体验有很大的影响，但依然可以满足大多数的低成本系统的要求，而开发成本却可以极大下降。
虚拟仿真解决方案范文6
高端大气型
在高端工程领域，夏普3DLP投影机XG-P610和XG-P560系列是享有高亮度、高对比度、专业影院级色彩的高性价比优势产品。3DLP芯片设计技术保证了影像的质感；独特的双灯系统提供了高流明亮度；密封式光学机芯设计抗灰尘和抗烟性更好，从而更好地保护光学镜片的核心部分；七种镜头可更换满足不同的应用范围和投射情况；镜头垂直、水平电动位移功能，丰富的接口满足各种信号源所需并带有HDMI/DVI/5BNC等接口，具有几何数码梯形矫正功能。
目标市场：展览展示行业；虚拟现实与仿真系统；政府、军队大屏幕监控中心；会议系统；媒体与会展应用系统；专业级影院；户外投影等行业。
系统解决方案呈现
该系统由一整张高2.2米弧长14.1米（不包括边框）的160°低增益投影幕、五台夏普三芯片分辨率1，024×768 DLP高亮投影机XG-P610XA、镜头1.8-2.25：1、二台华彩ST-Media融合处理器组成。通过华彩ST-Media融合处理器，对五通道投影设备进行融合、曲面校正、信号采集、开启多窗口显示等处理，实现震撼、逼真的超大画面显示效果。
立体绚丽型
XG-PH80XA/XG-PH80WA系列是2011年推出的、也是当时业内率先唯一采用了DLP-LINK/3D技术的工程投影机，使用一台PH80系列产品投影机就能让观众欣赏到非常壮观的3D影像。
此系列属于夏普单屏DLP工程投影机中的高端机型，双灯系统提供了达6600高流明亮度，极致色彩技术使图像画面效果得到巨大提升，五种镜头可更换满足各种不同的应用范围和投射情况，卡口系统使镜头的安装与更换无需工具轻松不费力，镜头垂直、水平电动位移功能，装载自动开机和直接关机断电保护功能，实现电源的集中管理。
目标市场：展览展示行业；虚拟现实与仿真系统；监控中心；会议系统及高校、媒体与会展应用系统；专业级影院等。
系统解决方案呈现
该系统为超多通道融合显示系统，采用10台XG-PH80XA高流明DLP工程投影设备，系统架构则采用3-4-3融合方式。由于系统较大、投影设备较多，因此系统采用3台华彩ST-Media融合处理器，2台设备支持3通道，1台设备支持4通道，通过同步控制系统将3台节点融合设备进行同步融合显示，并且将超高分辨率片源自动分割到每一台节点融合设备上，实现多台融合节点设备同步播放超高分辨率片源的超大系统。
360度旋转型
可360度旋转的工程投影机SV200XA系列间被本刊评为2011年度最具创新性的投影技术之一，夏普也称之为划时代的创新产品。与普通工程投影机固定安装后不便移动、使用范围受限和灵活性不足等情况相比，这款产品通过一个旋转组件与投影机身相连，以遥控或网络控制方式可以分别实现向左、向右180度的电动旋转动作，从而实现了投影机360度旋转。另外这款产品还具有2.0倍的光学变焦，配合镜头位移功能，使得投影画面的伸缩范围更广。SV200XA投影机突破了传统固定安装方式的不足，能够在房间的各处任意显示图像的自由度，灵活性大为提高。同时它还具有5，000流明的真实出场亮度，采用0.7英寸DLP光学系统，支持3D投影，配备6色段5倍速色轮，并带有HDMI高清接口，最高支持1，600×1，200分辨率。
目标市场：展览展示行业、会议系统、酒店等娱乐、高校及教育市场、大型报告厅等系统、虚拟现实与仿真系统。
系统解决方案呈现
来随着3D显示技术的提升，主动立体显示已不再是高高在上的高端应用，由于主动立体显示技术逐渐成熟与普及、主动显示设备成本的降低，并且凭借该技术的优势，逐渐替代以被动3D立体显示系统的中低端应用，该系统正是完全替代被动立体融合显示的中端应用系统。系统采用2台支持刷新率120Hz输出的XG-SV200XA主动立体投影设备作为显示单元，通过双通道华彩ST-3M主动立体融合处理器，对两通道投影设备进行融合、立体显示、曲面校正、立体播放等处理，实现震撼、逼真的3D显示效果。此方案虽然没有突出360度旋转特性，但实际搭建调试时间与应用其他机型相比大为缩短，节省了时间和人力成本。
便利演示型
2013年5月夏普了D系列投影机新品，具体型号为夏普XG-D4510XA/XG-D4550XA、XG-D4810XA/XG-D4860XA、XG-D5810XA。此系列属于便利演示型DLP数据投影机，快速启动功能仅需三秒钟就能投射出影像，直接断电功能通过断电后保持冷却风扇继续运转为各种应用程序提供便利。极致色彩技术、最新6色段5倍速色轮配置、低功耗长寿命灯泡成就出高亮逼真的色彩表现，搭载的DLP-Link技术实现的3D投影，通过一台投影机就能实现非常立体的3D影像。
目标市场：互动多媒体教室、仿真实验室、3D制作培训、智能化会议室及3D/4D电影等行业。
