1.3　虚拟仿真技术概述

1.3.1　虚拟仿真技术的发展

在前面的章节中，我们已经介绍过虚拟现实技术的发展过程，现在我们来简单回顾仿真技术的发展过程。仿真技术经历了物理仿真—模拟仿真—数字仿真—虚拟仿真四个阶段。

第一阶段：20世纪20～30年代。在此期间，仿真技术是实物仿真和物理效应仿真方法。仿真技术在航天领域中得到了很好的应用。在此期间，一般是以航天飞行器运行情况为研究对象的、面向浮渣系统的仿真并取得了一定的效益。如1930年左右，美国陆、海军航空队采用了林克仪表飞行模拟训练器。据说当时其经济效益相当于每年节约1.3亿美元而且少牺牲524名飞行员。以后，固定基座及三自由度飞行模拟座舱陆续投入使用。

第二阶段：20世纪40～50年代。在这期间，仿真技术采用模拟计算机仿真技术；到50年代末期采用模拟/数字混合仿真方法。模拟计算机仿真是根据仿真对象的数字模型将一系列运算器（如放大器、加法器、乘法器、积分器和函数发生器等）以及无源器件，如电阻器件、电容器、电位器等等相互连接而形成仿真电路。通过调节输入端的信号来观察输出端的响应结果，进行分析和把握仿真对象的性能。模拟计算机仿真对分析和研究飞行器制导系统及星上设备的性能起着重要的作用。在1950～1953年美国首先利用计算机来模拟战争，防空兵力或地空作战被认为是具有最大训练潜力的应用范畴。

第三阶段：20世纪60～80年代。在这二十年间，仿真技术大踏步地向前进了一步。进入60年代，数字计算机的迅速发展和广泛应用使仿真技术由模拟计算机仿真转向数字计算机仿真。数字计算机仿真首先在航天航空中得到了应用。

第四阶段：20世纪80年代到今天。在这期间，仿真技术得到了质的飞跃，虚拟技术诞生了。虚拟技术的出现并没有意味着仿真技术趋向淘汰，而恰恰有力地说明仿真和虚拟技术都随着计算机图形技术而迅速发展，系统仿真、方法论和计算机仿真软件设计技术在交互性、生动性、直观性等方面取得了比较大的进步。先后出现了动画仿真、可视交互仿真、多媒体仿真和虚拟环境仿真、虚拟现实仿真等一系列新的仿真思想、仿真理论及仿真技术和虚拟技术。

虚拟仿真技术虽然是近三十年来才发展起来的新的仿真技术，但目前已经在交通、动力、化工、制造以至农业、工业、社会科学等等领域得到了广泛的应用，同时获得了巨大的经济效益，从而达到“多、快、好、省”目标。

1.3.2　虚拟仿真技术的特点

（1）沉浸性（immersion）

在虚拟现实技术中，使用者通过视觉、听觉、运动感觉以及嗅觉和触觉等多种感知，从而获得一种身临其境的感受。理想的虚拟仿真系统应该有能够让人获得所有感知信息的功能。

（2）交互性（interaction）

在虚拟现实技术中，使用者不仅仅能够感知环境，也可以对环境进行控制。理想状态下，使用者能够通过近乎自然的行为进行环境控制，而系统可以予以实时的反应。

（3）虚幻性（imagination）

虚拟仿真系统中的环境是人通过自己的构想虚拟出来，并通过计算机、人工智能设备等工具模拟出来的。虚拟现实技术既可以模拟客观存在的环境，也可模拟出客观世界中并不存在的环境或者由人的构想所创造出的世界。

（4）逼真性（reality）

虚拟现实技术的逼真性体现在两个方面：一方面虚拟环境通过各种图形声音等输出使人获得与所模拟的客观世界极其相像的各种感知，一切感知都很逼真，就好像在真实世界一样；另一方面当人以自然行为作用于虚拟环境的时候，环境做出的反应也是符合客观世界的相关规律的。

1.3.3　虚拟仿真技术的应用

虚拟现实技术作为一种技术手段，首先必须与应用端连接，才能形成真正的仿真系统。从虚拟仿真技术的发展来看，早期多应用于军事模拟训练和深空探测领域。1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy博士和J.Humphries博士组织研发了用于探测火星的虚拟环境显示器，将火星探测器传送回来的数据输入计算机，为构建火星表面的三维虚拟环境提供数据支持。在之后的虚拟交互环境工作站（VIEW）项目中，他们又研发了通用多传感个人仿真器和遥感设备。这一领域的应用使得虚拟仿真技术得到了资金与科研力量的支持，从而促使该技术得到发展。

之后，伴随着技术的发展，虚拟仿真开始成为娱乐工具，3D虚拟仿真技术被大量应用于游戏开发。在虚拟仿真进入游戏行业以后仿真技术达到了一个突飞猛进的发展，从而使虚拟仿真技术最终普及到各行业。

今天，虚拟仿真技术已经发展成一门涉及计算机图形学、智能输入输出、精密传感机构及实时图像处理等领域的综合性学科，并快速应用于各领域。在数字城市、场馆仿真、室内设计、工业仿真、石油、水利、电力、地质灾害、应急预案、医疗、航空航天等领域都有不同程度的应用。