1.2　虚拟仿真定义

虚拟仿真技术是仿真技术和虚拟现实技术结合的产物，是伴随着计算机技术、网络技术、虚拟现实技术、传感技术及人工智能技术的发展而快速发展起来的新技术，并成为人们认识自然和客观规律的一个重要方法。已经在各行业的研究、产品开发、方案论证、工艺设计、测试评估及培训等方面成为重要技术手段，从而深刻影响生产生活的方方面面。本节我们将给出系统仿真、虚拟现实、虚拟仿真及虚拟仿真训练系统的概念。

1.2.1　系统仿真的概念

仿真（simulation）技术，又称模拟技术，简单地说就是指用一个系统来模拟另一个真实系统的技术。20世纪初仿真技术已得到应用。例如在实验室中建立水利模型，进行水利学方面的研究。40～50年代，航空、航天和原子能技术的发展推动了仿真技术的进步。60年代，计算机技术的突飞猛进，为仿真技术提供了先进的工具，加速了仿真技术的发展。在仿真技术的基础上，提出了系统仿真的概念。

所谓系统仿真（system simulation），就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。

仿真技术为人们认识复杂系统并解决相关问题提供了有效途径。其作用主要体现在以下几点。

①仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。尤其是对一些复杂的随机问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。

②对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。

③通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。

④通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。

仿真系统按照不同原则可以分为不同的类型，如：

按所用模型的类型可分为物理仿真、计算机仿真（数学仿真）、半实物仿真；

按仿真对象中的信号流（连续的、离散的）可分为连续系统仿真和离散系统仿真；

按仿真时间与实际时间的比例关系可分为实时仿真（仿真时间标尺等于自然时间标尺）、超实时仿真（仿真时间标尺小于自然时间标尺）和亚实时仿真（仿真时间标尺大于自然时间标尺）；

按对象的性质可分为宇宙飞船仿真、化工系统仿真、经济系统仿真等。

1.2.2　虚拟现实的概念

虚拟现实技术（virtual reality），亦称为灵境技术，一般是指用计算机技术模拟其他环境（包括现实世界环境和假想环境）或事物的技术，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。近年来，虚拟现实技术伴随着计算机技术、网络技术、计算机图像技术、传感技术、人机交互技术等技术的发展而快速发展。

虚拟现实技术虽然近年来才刚刚进入普通用户的视野，但其实早在20世纪40年代，随着计算机技术的诞生发展已经在试验研究中萌芽。可将其划分为五个阶段。

1962年以前，虚拟现实技术的概念积累阶段。伴随着计算机技术的诞生和发展，在试验性研究中出现了虚拟现实概念，并进行了早期原始性的研究工作。

1962～1972年，虚拟现实技术的萌芽阶段。在20世纪60年代，还没有计算机图形学，虚拟现实是通过原型机来实现的。1962年，第一套完整的虚拟现实设备Sensorama（图1-1）出现，该设备通过三面显示屏来形成空间感，从而实现虚拟现实体验。1968年美国计算机图形学之父Ivan Sutherlan开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器HMD及头部位置跟踪系统。但这一时期由于技术的限制，虚拟设备体积庞大、造价成本高昂、不便于使用、虚拟效果较差等，都限制了虚拟技术的应用范围。

1973～1989年，虚拟现实技术的初步发展阶段。计算机图形学在虚拟仿真技术中的应用为虚拟现实技术的商业应用奠定了基础。20世纪70年代中期，M.W.Krueger设计的VIDEOPLACE系统，通过摄像机和投影屏幕，产生一个虚拟图形环境，使用户能够共享空间和体验交互作用。1985年在M.MGreevy领导下完成的VIEW虚拟现实系统，装备了数据手套和头部跟踪器，提供了语言、手势等交互手段，使VIEW成为名副其实的虚拟现实系统，成为后来大多数虚拟现实系统的硬件体系结构都是从VIEW发展而来。这一时期，虚拟仿真技术开始商业化。1987年全球首款商用化的VR头盔产品诞生，成为这一阶段的标志，随后任天堂、索尼等公司均推出了VR游戏机，形成一轮VR商业化热潮。

1990～2013年，虚拟现实技术的完善阶段。虚拟现实技术开始全面发展，从研究转向应用，并且在应用中越来越多地与仿真技术结合，使虚拟仿真技术得到了快速发展。这一阶段，首先是虚拟现实技术在游戏开发中的大量应用带来了巨大商业利益，在商业利润的驱使下又使得大量资金和人力被投入到虚拟现实技术的研发工作中，从而使虚拟现实技术得到了快速发展。另外，伴随着虚拟现实技术的完善和发展，越来越多的行业开始意识到虚拟仿真技术的重要性，使得虚拟仿真技术被广泛地应用。

2013年之后，虚拟仿真技术的普及应用阶段。计算机硬件设备、VR设备（见图1-2），使得VR技术普及化成为可能性。近一两年来，商业VR设备几乎随处可见，VR技术成为了新的热点。2014年Facebook以20亿美金收购Oculus，同时三星、谷歌、索尼、HTC等国际消费电子巨头均宣布自己的VR设备计划。VR技术的发展，为虚拟仿真技术提供了技术基础，使得虚拟仿真系统能够提供更为真实的用户体验。

目前虚拟现实技术分虚拟实景（境）技术（如虚拟游览故宫博物院，见图1-3）与虚拟虚景（境）技术（如虚拟未来城市、虚拟战场等）两大类。虚拟现实技术的应用领域和交叉领域非常广泛。可以说，虚拟现实技术将是21世纪信息技术发展的代表。它的发展，将从根本上改变人们的工作方式和生活方式，使劳和逸真正结合起来，人们能够在享受环境中工作，在工作过程中得到享受。甚至有人断言，虚拟现实技术与美术、音乐等文化艺术的结合，将诞生人类的第九艺术。

1.2.3　虚拟仿真的概念

虚拟仿真技术是仿真技术与虚拟现实技术结合的产物（图1-4）。区别于传统仿真模型的抽象表达，利用虚拟现实技术建立和实现的仿真模型，能够有效地通过图形、声音甚至感官输出，使人们通过视觉、听觉等感知更好地理解仿真装置，使仿真系统具备了更广阔的应用空间和强大的生命力。

仿真系统的意义在于通过其他形式再现目标系统，从而便于人们认识一些复杂的系统，最简单的仿真模型如地球仪。而虚拟现实技术则是通过计算机与VR设备为人们模拟出一个可以通过视觉、听觉、嗅觉、感觉等体感系统感知的环境，如人们可以通过VR体验火山爆发时的场景。随着VR技术的快速发展，人们将虚拟现实技术引入到系统仿真技术中，形成了虚拟仿真技术（又称人在回路仿真）。虚拟仿真技术成为了仿真技术的重要分支，并成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法，而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术。通过虚拟仿真技术，人们可以构建一个与被研究系统一致的动态虚拟仿真环境，这一虚拟系统是具有开放性和可交互性的，能够做出与被研究系统相似的反馈，并通过视觉、听觉和其他人体感受反馈给人们，从而为参与者提供与真实系统尽可能相似直观体验。比如通过虚拟仿真技术构建的地震灾难应急演练系统可以为用户提供地震发生时的虚拟环境，人们可以通过该系统直观地了解地震时在不同情境下如何有效自救，这将有效降低地震灾害带来的人员伤亡。本书中所阐述的正是基于虚拟仿真技术的化工工艺仿真，我们将通过化工工艺虚拟仿真系统来还原化工单元操作和经典工艺流程，使操作者能够尽可能获得与化工厂相似的操作体验，从而系统地了解化工工艺的要点和特性，为培养工程型化工人才服务。

1.2.4　虚拟仿真训练系统的概念

虚拟仿真技术的特点使得这一技术最先在教育培训中得到应用，早在20世纪50年代在美军的实战训练中就得到了应用。目前，虚拟仿真技术已经广泛地应用于各专业领域的教育培训工作中，因而人们提出了虚拟仿真训练系统的概念。即利用虚拟仿真技术对某一课程的内容进行3D数字模拟开发，并借助3D虚拟环境或3D立体显示设备模拟该学科的训练环境、条件和流程，使教师和学生能够获得和真实世界中一样或者相近的实训体验，达到替代或者部分替代传统实训实习作用的仿真训练系统。

虚拟仿真训练系统相较于传统的实训实习有其自身的特点和优势，主要体现在以下几点。

（1）提供实训环境

基于虚拟仿真、人机交互技术建立起来的虚拟仿真实训系统，可以逼真地模拟操作的流程，如搭建安装设备、护理过程、机械维修、起重机操作；逼真地模拟对工具设备使用，如对工具摆放环境的模拟、工具外形的模拟、对工具操作方式的模拟以及对工具操作效果的模拟。高度逼真的训练环境，使得学生能够获得生动直观的感性认识，增进对抽象的原理的理解。

（2）节省时间和成本

相对传统的实物实景教学以及单纯的实物培训，虚拟仿真训练系统能够大大缩短建立实物和获取实训环境的时间，而且一套虚拟仿真训练系统可以多人同时、单人多次使用，实现在更短的时间和成本内培养更高素质人才的目标。

（3）增加安全可靠性

虚拟仿真训练系统使得培训过程中的失误，不再带来人身伤害和环境危害，也不会浪费任何财力、物力，甚至可以人为的设置故障或紧急情况。使用者可以通过虚拟培训熟练掌握知识原理和操作流程以及应急处理等，从而有效提高培训效率和效果。

（4）考评结合，提升教学效果

虚拟仿真训练系统能够进行知识点、操作要点及工作流程的仿真实训考核，比如：设备及零部件的拆解、检查、调整与安装，以及测试设备的运转情况等，从而提高培训的针对性，做到有的放矢。