《智能設(shè)備的數(shù)字孿生》 課件 第4章-數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

智能設(shè)備的數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)：建模關(guān)鍵技術(shù)：仿真關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)4.14.24.3第四章數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)4.4關(guān)鍵技術(shù)：建模4.1●培養(yǎng)學(xué)生對知識的聯(lián)想能力；●培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)的方法與途徑；●思政目標(biāo)：熟悉國內(nèi)數(shù)字孿生建模平臺廠家，了解我國智能出哪些虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的輸入輸出設(shè)備。學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)●掌握模型的基本概念和基本步驟；●掌握仿真的基本概念；●掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征、分類和原理；●掌握增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用?！衲芮宄５幕静襟E；●能選擇不同場景使用不同的仿真工具；●能區(qū)分虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的類別。

能力目標(biāo)素養(yǎng)目標(biāo)知識回顧知識回顧：有幾種行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)？知識回顧（1）基于行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)（2）基于SLA服務(wù)的QoS保障技術(shù)4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模下面兩張圖片是什么？請同學(xué)們討論模型4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模數(shù)字孿生的基礎(chǔ)技術(shù)感知和網(wǎng)絡(luò)，他們是完成數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)采集、檢測、傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)。

數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)建模、仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，是完成數(shù)字孿生的物理實(shí)體的信息建模到數(shù)字孿生中，精確模擬物理實(shí)體的各種形態(tài)并進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化，是現(xiàn)實(shí)虛擬系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)建模仿真虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模數(shù)字孿生的建模是將物理世界的對象數(shù)字化和模型化的過程。它的主要作用是通過建模將物理對象表達(dá)為計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)能識別的數(shù)字模型，將物理世界或問題的理解進(jìn)行簡化和模型化。4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模如何來理解數(shù)字孿生的建模？

數(shù)字孿生模型構(gòu)建是在數(shù)字空間實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體及過程的屬性、方法、行為等特性的數(shù)字化建模。模型構(gòu)建可以是“幾何-物理-行為-規(guī)則”多維度的，也可以是“機(jī)械-電氣-液壓”多領(lǐng)域的。4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模模型：指通過主觀意識借助實(shí)體或者虛擬表現(xiàn)，構(gòu)成客觀闡述形態(tài)結(jié)構(gòu)的一種表達(dá)目的的物件。4.1.1模型的基本概念模型的構(gòu)成：模型構(gòu)成主要分為實(shí)體模型和虛擬模型。實(shí)體模型從表現(xiàn)形式分為靜模、助力模型、動模。虛擬模型主要分為虛擬靜態(tài)模型、虛擬動態(tài)模型、虛擬幻想模型。實(shí)體模型虛擬模型4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模模型的分類

數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型主要是指用數(shù)學(xué)語言描述的一類模型，用來描述系統(tǒng)要素之間以及系統(tǒng)與環(huán)境之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。物理模型也稱實(shí)體模型，以實(shí)體或者圖形直觀地表達(dá)對象特征所得模型成為物理模型，物理模型是根據(jù)一定的規(guī)則對系統(tǒng)進(jìn)行簡化、描述或按照一定比例放大、縮小而得到的仿制品，一般情況下要求物理模型與實(shí)體高度相似，能夠逼真地描述物理實(shí)體的原型。物理模型主要分為實(shí)物模型和類比模型。物理模型4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模

數(shù)字孿生的模型數(shù)字孿生模型是對實(shí)體產(chǎn)品、生產(chǎn)流程或產(chǎn)品使用的一種智能化和虛擬化的表示（或模型）。智能化是指事物在網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)的支持下，所具有的能動地滿足人的各種需求的屬性。數(shù)字孿生的模型主要是指物理模型。問題思考●建模的基本步驟是什么？4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模數(shù)字孿生對物理對象建模一般需要包含四個步驟，首先進(jìn)行模型抽象，然后模型表達(dá)、模型構(gòu)建、最后模型運(yùn)行。4.1.2建模的基本步驟4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模其中模型抽象是實(shí)現(xiàn)對物理對象的特征抽象；模型表達(dá)則是對抽象后的信息進(jìn)行描述；模型構(gòu)建表示采用模型構(gòu)建工具實(shí)現(xiàn)模型的校驗、編排等；模型運(yùn)行指在提供的虛擬環(huán)境中運(yùn)行模型。4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模

模型實(shí)現(xiàn)方法主要涉及建模語言和模型開發(fā)工具等，其中最為關(guān)鍵的是如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的模型。數(shù)字孿生中建模是根據(jù)不同的使用場景所建模采用技術(shù)群是不一樣的，目前數(shù)字孿生主要使用場景有IT、運(yùn)營技術(shù)或操作技術(shù)（OT）、通信技術(shù)（CT）等。4.1.3建模的實(shí)現(xiàn)方法數(shù)學(xué)孿生使用場景ITOTCT問題思考場景的建模語言有哪些？問題思考

●

在不同領(lǐng)域中采用不同領(lǐng)域的技術(shù)群，在數(shù)字孿生中常見建模語言方面主要有AutomationML、Modelica、SysML、UML、XML等。4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模在IT領(lǐng)域中建模主要集中為兩個場景，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備建模和數(shù)字孿生城市建模，在物理網(wǎng)設(shè)備建模中主要由大的平臺廠家在進(jìn)行推薦，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的平臺呈現(xiàn)，在描述層面，大多采用json、xml等語言進(jìn)行描述，自定義架構(gòu)，并采用MQTT，COAP等應(yīng)用傳輸協(xié)議進(jìn)行虛實(shí)系統(tǒng)交互。1.在IT場景中建模的實(shí)現(xiàn)方法4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模如：阿里云IoT是針對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域推出的一站式物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

如：百度AIoT平臺它可以支持各種硬件終端接入，提供實(shí)時數(shù)據(jù)處理和可視化分析，同時還提供智慧家居、智能醫(yī)療等多種行業(yè)解決方案。4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模如：騰訊云IoT，它提供了多種協(xié)議接入，支持大數(shù)據(jù)分析以及機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，能夠幫助快速開發(fā)可擴(kuò)展的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。如：中移物聯(lián)網(wǎng)圍繞“聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)的支撐者、專用模組和芯片的提供者、物聯(lián)網(wǎng)專用產(chǎn)品的推動者”的戰(zhàn)略定位。問題思考國內(nèi)有哪些建模平臺？問題思考●騰訊磨坊、模多克、琢刻、動動三維、3DPunk4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模2.OT場景中建模的實(shí)現(xiàn)方法OT領(lǐng)域主要指的是運(yùn)營技術(shù)或操作技術(shù)，在OT領(lǐng)域建模主要集中在復(fù)雜裝備，對于OT領(lǐng)域的復(fù)雜裝備和場景的建模，需要融合機(jī)械、電氣、液壓等不同領(lǐng)域知識。在工業(yè)業(yè)務(wù)的場景下，生產(chǎn)線上存在比較多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的測點(diǎn)數(shù)據(jù)，與IT的數(shù)據(jù)相比，這一類數(shù)據(jù)體量比較大，但他們的格式相對來說比較統(tǒng)一。在OT工業(yè)場景中，建模使用的主要是Modelica建模語言。4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模（1）Modelica建模語言

技術(shù)特點(diǎn)：Modelica是一種開放的以方程為基礎(chǔ)的語言，適用于大規(guī)模復(fù)雜異構(gòu)物理建模；它是面向?qū)ο?、結(jié)構(gòu)化的數(shù)學(xué)（物理）建模語言；它是陳述式建模（非因果建模）是基于物理方程描述物理行為，無需明確方程的因果關(guān)系或數(shù)據(jù)流向；它完全掌握模型數(shù)據(jù)原理，基于系統(tǒng)數(shù)學(xué)方程的模型構(gòu)建，用戶在建模過程中可以完全掌握其原理；它的代碼是完全可見，底層代碼完全可見，開放性好。問題思考Modelica建模語言主要的適用場景有哪些？問題思考由于Modelica是跨越不同領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜物理系統(tǒng)的建模，主要運(yùn)用在機(jī)械、控制、電磁、電子、電力、熱、液壓及面型對象的組件模型構(gòu)建，目前工業(yè)界的三大工業(yè)建模工具都支持Modelica建模語言。越來越多的行業(yè)開始使用Modelica語言進(jìn)行模型開發(fā)，尤其是汽車領(lǐng)域，例如：Audi，BMW，Daimler，F(xiàn)ord，Toyota，VW等世界知名公司都在使用Modelica來開發(fā)節(jié)能汽車、改善車輛空調(diào)系統(tǒng)等。Modelica適用場景廣泛4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模構(gòu)建簡單的機(jī)械系統(tǒng)模型將輸入量為力改為位移

如：構(gòu)建簡單的機(jī)械系統(tǒng)模型，將圖中力作為輸入量，在建模過程中可以將輸入改為位移。2.OT場景中建模的實(shí)現(xiàn)方法4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模如：用Modelica基礎(chǔ)庫中的狀態(tài)機(jī)控制水箱模型狀態(tài)機(jī)控制水箱模型4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模4.1.3建模的實(shí)現(xiàn)方法（2）OPCUA技術(shù)OPC是為了便于自動化行業(yè)不同廠家的設(shè)備和應(yīng)用程序能相互的交互數(shù)據(jù)，而定義的一個統(tǒng)一的接口函數(shù)，也叫OPC協(xié)議規(guī)范。OPC就是用于軟件與設(shè)備之間的交換數(shù)據(jù)。工作原理：它采用現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是基于Web服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上的；它使用“面向?qū)ο蟆钡姆绞絹砻枋鲈O(shè)備與系統(tǒng)之間的通信，每個設(shè)備和系統(tǒng)都可以抽象出一個對象，對象有其自有的屬性、方法和事件，通過讀寫這些對象的屬性、調(diào)用方法及監(jiān)聽事件，設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與系統(tǒng)之間就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和控制操作。問題思考OPCUA技術(shù)主要用到哪些場景中？問題思考●

工業(yè)自動化：OPCUA在工業(yè)自動化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換和通信。通過使用OPCUA，不同廠商的設(shè)備和系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)互操作性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控、控制和優(yōu)化?！裎锫?lián)網(wǎng)（IoT）：OPCUA作為物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議之一，在物聯(lián)網(wǎng)場景中具有重要作用。OPCUA提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的、安全的和可靠的通信機(jī)制，使得不同設(shè)備和系統(tǒng)之間能夠進(jìn)行無縫的數(shù)據(jù)交換和集成。

除此之外，OPCUA還應(yīng)用于能源管理和智能建筑，以及物流和供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域，為不同設(shè)備和系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和集成提供了標(biāo)準(zhǔn)化、安全和可靠的通信機(jī)制。4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模4.1.4模型的融合在數(shù)字孿生體系中，根據(jù)不同層面的建模進(jìn)行分類，將模型構(gòu)建主要分為幾何模型構(gòu)建、信息模型構(gòu)建、機(jī)理模型構(gòu)建等類型。當(dāng)不同模型構(gòu)建完成后，需要將模型進(jìn)行融合，目的是實(shí)現(xiàn)物體實(shí)體的統(tǒng)一刻畫。模型融合實(shí)現(xiàn)物體實(shí)體的統(tǒng)一刻畫目的4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模模型融合架構(gòu)模型構(gòu)建融合面對不同領(lǐng)域的多種異構(gòu)模型，需要提供統(tǒng)一的協(xié)議轉(zhuǎn)換和語義解析的能力，將異構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，形成模型庫；需要數(shù)據(jù)庫來存儲模型及其數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行管理等，最后形成與物理實(shí)體映射的虛擬實(shí)體。關(guān)鍵技術(shù)：仿真4.2知識回顧

知識回顧：（1）模型的基本概念（2）建模的基本步驟（3）建模的實(shí)現(xiàn)方法（4）模型的構(gòu)建知識回顧1.模型的基本概念指通過主觀意識借助實(shí)體或者虛擬表現(xiàn)，構(gòu)成客觀闡述形態(tài)結(jié)構(gòu)的一種表達(dá)目的的物件。2.建模的基本步驟首先進(jìn)行模型抽象，然后模型表達(dá)、模型構(gòu)建、最后模型運(yùn)行。3.建模的實(shí)現(xiàn)方法在IT場景中、OT場景中(Modelica建模語言、OPCUA技術(shù))4.模型的構(gòu)建在數(shù)字孿生中，模型的構(gòu)建是一個關(guān)鍵步驟，它涉及將實(shí)際系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式并建立相應(yīng)的模型。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

從20世紀(jì)50年代開始，仿真技術(shù)逐漸成為了一門新興學(xué)科，計算機(jī)仿真經(jīng)過了模擬計算機(jī)、數(shù)字計算機(jī)、混合計算機(jī)、全數(shù)字并行處理仿真技術(shù)的發(fā)展與演變，相繼出現(xiàn)了模擬仿真、數(shù)字仿真、混合仿真、全數(shù)字并行的仿真技術(shù)。仿真的軟件也由數(shù)值計算方法，仿真的語言越來越豐富，直到現(xiàn)在，仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個技術(shù)領(lǐng)域、各個學(xué)科內(nèi)容和各種工程部門。4.2.1仿真技術(shù)概述軍事領(lǐng)域醫(yī)療領(lǐng)域工業(yè)領(lǐng)域4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真1.仿真技術(shù)概念仿真技術(shù)是指應(yīng)用仿真硬件和仿真軟件通過仿真實(shí)驗，借助某些數(shù)值計算和問題求解，反映系統(tǒng)行為或過程的仿真模型技術(shù)。

第一階段20世紀(jì)初已經(jīng)在某些行業(yè)有了應(yīng)用，如在實(shí)驗室中建立水利模型，進(jìn)行水利學(xué)方面的研究第二階段在20世紀(jì)40-50年代，仿真技術(shù)應(yīng)用在航空、航天和原子能等領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用；第三階段在20世紀(jì)60年代隨著計算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，提供了先進(jìn)的仿真工具，加速了仿真技術(shù)的發(fā)展。物理產(chǎn)品的所使用狀態(tài)變化，組件更新等信息，產(chǎn)品性能優(yōu)化的信息都將反饋到數(shù)字孿生體4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

2.仿真工具

仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真軟件。仿真硬件仿真軟件仿真硬件仿真工具4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

(1)仿真硬件在仿真硬件其中最主要的工具就是計算機(jī)。用于仿真的計算機(jī)的類型有三種，分別模擬計算機(jī)、數(shù)字計算機(jī)和混合計算機(jī)以及一些專用的物理仿真器。仿真硬件模擬計算機(jī)模擬計算機(jī)模擬計算機(jī)專用的物理仿真器4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

數(shù)字計算機(jī)還可分為通用數(shù)字計算機(jī)和專用數(shù)字計算機(jī)，隨著數(shù)字計算機(jī)的軟件、接口和終端技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)交互性也較好，目前數(shù)字計算機(jī)已成為現(xiàn)代仿真的主要工具。數(shù)字計算機(jī)模擬計算機(jī)主要用于連續(xù)系統(tǒng)的仿真，在進(jìn)行模擬仿真時，依據(jù)仿真模型將各運(yùn)算放大器按要求連接起來，調(diào)整其有關(guān)的系數(shù)器。它的優(yōu)點(diǎn)人機(jī)交互性好，適合于實(shí)時仿真。模擬計算機(jī)4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

混合計算機(jī)是把模擬計算機(jī)與數(shù)字計算機(jī)聯(lián)合在一起應(yīng)用于系統(tǒng)仿真的計算機(jī)系統(tǒng)。充分發(fā)揮模擬計算機(jī)的高速度和數(shù)字計算機(jī)的高精度、邏輯運(yùn)算和存儲能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)?；旌嫌嬎銠C(jī)空間環(huán)境模擬器仿真工具的硬件除了計算機(jī)，仿真硬件還包括一些專用的物理仿真器，如運(yùn)動仿真器、目標(biāo)仿真器、負(fù)載仿真器、環(huán)境仿真器等。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真仿真軟件是以仿真服務(wù)的仿真程序、仿真程序包、仿真語言和以數(shù)據(jù)庫為核心的仿真軟件系統(tǒng)。仿真軟件的種類很多，涉及到如機(jī)械、流體、結(jié)構(gòu)、巖土、土木、隧道、生物、電磁、海洋、優(yōu)化、化工、人體、逆向、建模、智能制造等多學(xué)科。2.仿真工具(2)仿真軟件4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真3.仿真方法

離散事件系統(tǒng)仿真方法連續(xù)系統(tǒng)仿真方法仿真方法仿真方法主要是指建立仿真模型和進(jìn)行仿真實(shí)驗的方法。仿真方法不是一種單項技術(shù)，而是一種求解問題的方法。仿真方法是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并將它轉(zhuǎn)換為適合在計算機(jī)上編程的仿真模型，然后對模型進(jìn)行仿真試驗的方法。仿真方法基本上分為兩大類，分別為連續(xù)系統(tǒng)仿真方法和離散事件系統(tǒng)仿真方法。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

(1)連續(xù)系統(tǒng)仿真方法連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型一般采用微分方程進(jìn)行描述，模型中的變量隨時間連續(xù)變化。根據(jù)仿真時所采用的計算機(jī)不同，可分為模擬仿真法、數(shù)字仿真法和混合仿真法三類。(2)離散事件系統(tǒng)仿真方法離散事件系統(tǒng)仿真方法是指離散事件系統(tǒng)的狀態(tài)是在離散時刻發(fā)生的變化，通常用“離散事件”這一術(shù)語來表示這樣的變化。問題思考中國行業(yè)的市場規(guī)模如何？4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真4.計算機(jī)仿真技術(shù)行業(yè)發(fā)展

中國計算機(jī)仿真行業(yè)的市場規(guī)模呈現(xiàn)出穩(wěn)定增長的態(tài)勢，在國家政策支持、技術(shù)創(chuàng)新推動、行業(yè)應(yīng)用拓展等多重因素的影響下，中國計算機(jī)仿真行業(yè)將保持較高的增長速度，預(yù)計到2023年底，市場規(guī)模將超過2000億元，復(fù)合增長率達(dá)到12%左右。從尚普咨詢集團(tuán)數(shù)據(jù)顯示，2022年中國計算機(jī)仿真行業(yè)上市企業(yè)TOP10的營收總額約為72億元，占整個行業(yè)營收總額的6.6%。目前，中國計算機(jī)仿真行業(yè)整體集中度較低，沒有形成明顯的龍頭企業(yè)。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

(1)計算機(jī)仿真行業(yè)細(xì)分領(lǐng)域分析對賽車模型壓力進(jìn)行測試①計算機(jī)仿真測試計算機(jī)仿真測試是指利用計算機(jī)軟件和硬件對各種電子設(shè)備、系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能測試、故障診斷、可靠性評估等的過程，通過計算機(jī)仿真測試可以提高測試效率和精度，降低測試成本和風(fēng)險，提高產(chǎn)品質(zhì)量和安全性?！景咐抠愜嚹Ｐ头抡鏈y試，對典型的F1賽車的地板產(chǎn)生壓力進(jìn)行測試。問題思考計算機(jī)仿真測試分為哪些？4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

計算機(jī)仿真測試主要包括機(jī)電仿真測試、射頻仿真測試、通用測試等。計算機(jī)仿真測試機(jī)電仿真測試射頻仿真測試通用測試4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真通用測試是指利用計算機(jī)軟件和硬件對各種通用設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行功能、性能、兼容性等方面的仿真測試，主要應(yīng)用于電子信息、醫(yī)療器械、教育科研等領(lǐng)域。

射頻仿真測試是指利用計算機(jī)軟件和硬件對各種射頻設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行信號發(fā)射、接收、處理等方面的仿真測試，主要應(yīng)用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等領(lǐng)域。【案例】高速的PCB設(shè)計中，采用球柵陣列封裝技術(shù)。BGA球柵陣列封裝技術(shù)機(jī)電仿真測試是指利用計算機(jī)軟件和硬件對各種機(jī)電設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)等方面的仿真測試，主要應(yīng)用于汽車、航空航天、工程機(jī)械等領(lǐng)域。【案例】如對電動汽車整車的電性能進(jìn)行測試。整體電性能測試

數(shù)字孿生的仿真技術(shù)

在數(shù)字孿生體系中的仿真技術(shù)是一種在線數(shù)字仿真技術(shù)表示為確定性規(guī)律和完整機(jī)理的模型轉(zhuǎn)化成軟件的方式來模擬物理世界

（對物理實(shí)體建立相對應(yīng)的虛擬模型，并模擬物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境下的行為。）在數(shù)字孿生體系中模型要正確，有完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就能基本正確地反映物理世界的特性和參數(shù)，驗證和確認(rèn)對物理世界或問題理解的正確性和有效性。數(shù)字孿生中的仿真技術(shù)更加強(qiáng)調(diào)物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間的虛實(shí)共融和實(shí)時交互貫穿了全生命周期是一種高頻次和不斷循環(huán)迭代的仿真過程。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真②仿真模擬訓(xùn)練

仿真模擬訓(xùn)練是指利用計算機(jī)軟件和硬件構(gòu)建虛擬環(huán)境和場景，對人員進(jìn)行技能培訓(xùn)、知識教育、心理調(diào)節(jié)等的過程。仿真模擬訓(xùn)練主要包括軍事仿真訓(xùn)練、飛行仿真訓(xùn)練、駕駛仿真訓(xùn)練等。仿真模擬訓(xùn)練軍事仿真訓(xùn)練飛行仿真訓(xùn)練駕駛仿真訓(xùn)練4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

軍事仿真訓(xùn)練是指利用計算機(jī)軟件和硬件構(gòu)建虛擬戰(zhàn)場和作戰(zhàn)環(huán)境，對軍事人員進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)技能、戰(zhàn)略思維、心理素質(zhì)等方面的仿真訓(xùn)練，主要應(yīng)用于陸軍、海軍、空軍等部隊?！景咐磕澄渚诙C(jī)動總隊某支隊引入VR仿真訓(xùn)練設(shè)備。軍事仿真訓(xùn)練飛行仿真訓(xùn)練是指利用計算機(jī)軟件和硬件構(gòu)建虛擬空域和飛行環(huán)境，對飛行人員進(jìn)行飛行技能、飛行規(guī)則、飛行安全等方面的仿真訓(xùn)練，主要應(yīng)用于民航、航空航天等領(lǐng)域。【案例】美國空軍在內(nèi)華達(dá)州的內(nèi)利斯空軍基地開設(shè)了一個5500平方米虛擬測試訓(xùn)練中心。飛行仿真訓(xùn)練駕駛仿真訓(xùn)練是指利用計算機(jī)軟件和硬件構(gòu)建虛擬道路和駕駛環(huán)境，對駕駛?cè)藛T進(jìn)行駕駛技能、交通規(guī)則、安全意識等方面的仿真訓(xùn)練，主要應(yīng)用于汽車、公交車、地鐵等領(lǐng)域。【案例】汽車駕駛仿真汽車駕駛仿真4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

③虛擬制造虛擬制造是指利用計算機(jī)軟件和硬件對產(chǎn)品設(shè)計、工藝流程、生產(chǎn)線布局等進(jìn)行數(shù)字化建模和優(yōu)化分析的過程虛擬制造主要包括數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化加工、數(shù)字化組裝等。虛擬制數(shù)字化設(shè)計數(shù)字化加工數(shù)字化組裝4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

數(shù)字化設(shè)計展廳

數(shù)字化設(shè)計是指利用計算機(jī)軟件對產(chǎn)品形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能等進(jìn)行三維建模和參數(shù)化設(shè)計的過程?！景咐繑?shù)字化展廳。數(shù)字化加工是指利用計算機(jī)軟件對產(chǎn)品加工工藝進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化控制的過程。數(shù)字化加工可以提高加工質(zhì)量和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測和調(diào)整，提高加工效率和節(jié)能性?！景咐縎MT貼片行業(yè)全面進(jìn)入自動化SMT貼片自動化數(shù)字化組裝是指利用計算機(jī)軟件對產(chǎn)品組裝流程進(jìn)行邏輯建模和動態(tài)模擬的過程?！景咐课鏖T子醫(yī)療的制造與研發(fā)的智機(jī)器人組裝過程機(jī)器人組裝問題思考計算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展趨勢？4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

5.計算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展趨勢計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用趨勢從傳統(tǒng)的靜態(tài)仿真模型迅速發(fā)展為動態(tài)模型，已應(yīng)用于航天、船舶、醫(yī)療、安全、服務(wù)、教育等各個領(lǐng)域。隨著應(yīng)用范圍的廣泛，計算機(jī)仿真技術(shù)也隨著發(fā)展，目前計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有高性能仿真技術(shù)、增強(qiáng)仿真技術(shù)、集成仿真技術(shù)、可視化仿真技術(shù)、智能化仿真技術(shù)等。01高性能仿真技術(shù)02增強(qiáng)仿真技術(shù)03集成仿真技術(shù)04可視化仿真技術(shù)05智能化仿真技術(shù)4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

高性能仿真技術(shù)隨著計算機(jī)仿真技術(shù)對存儲、計算等要求越來越高，計算機(jī)仿真技術(shù)越來越依賴計算機(jī)的性能，未來需要更加繁瑣的仿真模型，要求性能越來越高、延遲越來越低，加上大數(shù)據(jù)仿真實(shí)施技術(shù)，對性能的要求也較高。增強(qiáng)仿真技術(shù)增強(qiáng)仿真技術(shù)是指以有形環(huán)境為基礎(chǔ)，使用虛擬元素來增強(qiáng)仿真技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對更多應(yīng)用領(lǐng)域的快速處理。其中，基于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、真實(shí)現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)的發(fā)展，使得模型更加重視界面和控制系統(tǒng)的整合和融合，也是未來發(fā)展的趨勢之一。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

集成仿真技術(shù)目前計算機(jī)仿真技術(shù)已發(fā)展為多種模型和方法，并開展了大量的新應(yīng)用。計算機(jī)仿真技術(shù)將繼續(xù)在實(shí)施綜合應(yīng)用仿真，以擴(kuò)大其范圍，改善仿真精度，加速計算能力，增強(qiáng)圖形計算能力，加強(qiáng)決策支持和多尺度仿真等集成方面進(jìn)程?？梢暬抡婕夹g(shù)計算機(jī)仿真技術(shù)的一個重要組成部分是虛擬圖形，通過虛擬圖形技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化和表達(dá)，并可以模擬、實(shí)時顯示場景或二維、三維地圖，以便更直觀地理解仿真結(jié)果。除此，計算機(jī)仿真技術(shù)已發(fā)展到允許混合仿真（MR），可以實(shí)現(xiàn)全景、觸控等新型應(yīng)用。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

智能化仿真技術(shù)計算機(jī)仿真技術(shù)與人工智能相結(jié)合，可以形成仿真分析系統(tǒng)幫助管理者更快、更準(zhǔn)確地做出決策。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

數(shù)字孿生的仿真技術(shù)

在數(shù)字孿生體系中的仿真技術(shù)是一種在線數(shù)字仿真技術(shù)表示為確定性規(guī)律和完整機(jī)理的模型轉(zhuǎn)化成軟件的方式來模擬物理世界

（對物理實(shí)體建立相對應(yīng)的虛擬模型，并模擬物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境下的行為。）在數(shù)字孿生體系中模型要正確，有完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就能基本正確地反映物理世界的特性和參數(shù)，驗證和確認(rèn)對物理世界或問題理解的正確性和有效性。數(shù)字孿生中的仿真技術(shù)更加強(qiáng)調(diào)物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間的虛實(shí)共融和實(shí)時交互貫穿了全生命周期是一種高頻次和不斷循環(huán)迭代的仿真過程?；跀?shù)字孿生可對物理對象通過模型進(jìn)行分析、預(yù)測、診斷、訓(xùn)練等仿真過程，并將仿真結(jié)果反饋給物理對象，從而幫助對物理對象進(jìn)行優(yōu)化和決策。仿真技術(shù)是創(chuàng)建和運(yùn)行數(shù)字孿生體、保證數(shù)字孿生體與對應(yīng)物理實(shí)體實(shí)現(xiàn)有效閉環(huán)的核心技術(shù)。目前數(shù)字孿生的仿真技術(shù)與信息新技術(shù)（大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等）相融合，向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化、智能化方向發(fā)展。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真數(shù)字孿生中仿真技術(shù)與物理對象之間的關(guān)系數(shù)字孿生中仿真技術(shù)分類（1）按被仿真的對象進(jìn)行分類4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真將實(shí)際工程的狀態(tài)在模型中進(jìn)行模擬，通過仿真技術(shù)確認(rèn)工程系統(tǒng)的內(nèi)在變量對被控對象的影響，如制造過程的仿真。工程系統(tǒng)仿真指對自然場景進(jìn)行真實(shí)模擬，部分自然場景具有不規(guī)則性、動態(tài)性和隨機(jī)性，因此對自然場景的實(shí)時仿真具有重大的意義。自然系統(tǒng)仿真社會系統(tǒng)仿真生命系統(tǒng)仿真軍事系統(tǒng)仿真復(fù)雜社會系統(tǒng)的描述與研究方法，有助于提高決策層對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的快速掌握以及對各種狀況的及時處理，如人工社會的仿真。以生命系統(tǒng)為研究對象，以生命的某種功能為劃分系統(tǒng)的原則，以定量研究為特點(diǎn)的一種新興學(xué)科，如數(shù)字人體。指在軍事仿真方面，有戰(zhàn)爭模擬、作戰(zhàn)演練、裝備使用和維修培訓(xùn)等應(yīng)用場景，能節(jié)約經(jīng)費(fèi)、提高效率、保護(hù)環(huán)境、減少傷亡。（2）按仿真粒度進(jìn)行分類4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真單元級仿真

指即面向單個部分或領(lǐng)域的仿真，如機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真、控制仿真、流體仿真、電磁仿真；系統(tǒng)級仿真，面向單一系統(tǒng)整體行為的仿真，如汽車、飛機(jī)等產(chǎn)品的全系統(tǒng)仿真。體系級仿真

指面向由多個獨(dú)立系統(tǒng)組成的體系系統(tǒng)的仿真，關(guān)注體系中各部分之間的關(guān)系和體系的涌現(xiàn)行為，如城市交通仿真、體系對抗仿真。（3）按仿真系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行分類

4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真0102指運(yùn)行于單臺計算機(jī)或單個平臺上的仿真系統(tǒng)，適合中小型的仿真系統(tǒng)，便于設(shè)計和管理。集中式仿真指運(yùn)行于多臺計算機(jī)或多個平臺上的仿真系統(tǒng)，常用于大規(guī)模體系級仿真。分布式仿真3.數(shù)字孿生中仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

目前仿真技術(shù)形成了比較完善的理論、方法和技術(shù)體系，仿真技術(shù)為數(shù)字孿生的發(fā)展與應(yīng)用提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)和有力的支撐。（1）數(shù)字孿生中仿真技術(shù)的應(yīng)用①數(shù)字孿生仿真技術(shù)應(yīng)用在交通領(lǐng)域交通安全仿真是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的評價系統(tǒng)，交通安全仿真和評價系統(tǒng)是作為交通管理部門建設(shè)和改善交通設(shè)施的依據(jù)和分析交通事故的一種方法。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

②數(shù)字孿生仿真技術(shù)應(yīng)用在智能制造領(lǐng)域數(shù)字孿生中的仿真技術(shù)目前在智能制造的應(yīng)用比較廣泛，它是物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，越來越多的制造商們開始借助數(shù)字孿生技術(shù)探索智能生產(chǎn)新模式，相繼開發(fā)了虛擬車間、數(shù)字工廠、產(chǎn)品設(shè)計、設(shè)備管理、車聯(lián)網(wǎng)等新型應(yīng)用場景。數(shù)字孿生能模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，孿生數(shù)字便代表了物理世界與虛擬世界的融合。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

③數(shù)字孿生仿真技術(shù)應(yīng)用在教育領(lǐng)域

計算機(jī)仿真實(shí)驗是計算機(jī)多媒體教學(xué)中新增加的領(lǐng)域，可以根據(jù)需要即時組件模擬實(shí)驗室。仿真實(shí)驗強(qiáng)調(diào)實(shí)驗的設(shè)計思想和實(shí)驗方法，打破了教與學(xué)、理論和時間、課內(nèi)與課外的界限，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗者的主動性。通過計算機(jī)仿真，可以加深學(xué)生對儀器的思想、方法、結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理的理解，聯(lián)系實(shí)驗技能，鞏固知識，提高學(xué)生的興趣和實(shí)驗水平。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真（2）數(shù)字孿生中仿真技術(shù)發(fā)展方向4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

①網(wǎng)絡(luò)化仿真目前計算機(jī)仿真系統(tǒng)還存在一些問題，如開發(fā)時間長、成本高、不兼容、共享困難、可移植性差等問題。系統(tǒng)共享是計算機(jī)仿真系統(tǒng)開發(fā)中非常重要的，隨著網(wǎng)絡(luò)共享的實(shí)現(xiàn)，可以避免社會資源的重復(fù)開發(fā)，通過適當(dāng)?shù)氖召M(fèi)來補(bǔ)充開發(fā)成本。

②虛擬制造技術(shù)虛擬制造技術(shù)是一種領(lǐng)先的制造技術(shù)，它是利用計算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過計算機(jī)實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的管理和控制。（3）數(shù)字孿生中仿真技術(shù)發(fā)展趨勢

4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真面向?qū)ο蟮姆抡娼７植际椒抡娼Ｖ悄芊抡娼？梢暬?/p>

采用面向?qū)ο蠼？梢猿浞痔峁┫到y(tǒng)的建模能力，更為重要的是面向?qū)ο蠼７抡婕夹g(shù)更容易讓人們掌握和使用，操作人員也能更好利用仿真技術(shù)為系統(tǒng)服務(wù)。

分布式仿真是通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分散在世界各地的仿真設(shè)備鏈接起來，實(shí)現(xiàn)了時間和空間耦合的虛擬仿真環(huán)境。智能仿真可以及時修正和運(yùn)維輔助模型，具有更好的人機(jī)交互界面，使得人與計算機(jī)的交流更加的人性化，從而實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)本身的優(yōu)化能力。

可視化建?？梢愿又庇^的展示整個仿真的過程，有效地區(qū)分了仿真過程的真實(shí)性和正確性，結(jié)果簡單易懂。關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)4.3

數(shù)字孿生和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality，VR）是當(dāng)今科技領(lǐng)域備受矚目的兩個概念，隨著技術(shù)的發(fā)展和需求的不斷增加，在未來二者一定是不斷融合的走向，二者的融合將給未來帶來巨大的變革和機(jī)遇。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)4.3.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概述1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱為虛擬實(shí)境或靈境技術(shù)，它是20世紀(jì)發(fā)展起來的一項全新的實(shí)用技術(shù)。它的基本實(shí)現(xiàn)方式是以計算機(jī)技術(shù)為主，綜合三維圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、顯示技術(shù)、仿真技術(shù)、伺服技術(shù)等技術(shù)，運(yùn)用計算機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生逼真的三維視覺、觸覺、嗅覺等多種感官體驗的虛擬世界，從而使人們在虛擬世界中產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)就是將虛擬和現(xiàn)實(shí)進(jìn)行結(jié)合，從理論來講，虛擬技術(shù)也是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng)。虛擬技術(shù)就是利用生活中的數(shù)據(jù)，利用計算機(jī)技術(shù)生產(chǎn)的電子信號，結(jié)合各種輸出設(shè)備將其轉(zhuǎn)化為能夠讓人們感受的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可以是現(xiàn)實(shí)中的真切的事物，也可以是肉眼看不到的物質(zhì)，采用三位模型表示出來。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)1963—1972年（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的初現(xiàn)階段）1963年以前（虛擬現(xiàn)實(shí)思想的萌芽階段）在1935年，美國科幻小說家斯坦利·溫鮑姆在他的小說中首次構(gòu)想了以眼鏡為基礎(chǔ)、涉及視覺、觸覺、嗅覺等全方位沉浸式體驗的虛擬現(xiàn)實(shí)概念在1957—1962年，莫頓·海利希研究并發(fā)明了“全傳感仿真器”

在1968年美國計算機(jī)圖形學(xué)之父IvanSutherlan開發(fā)出了第一個計算機(jī)圖形驅(qū)動的頭盔顯示器HMD及頭部位置跟蹤系統(tǒng)，這是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的雛形，也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重要的里程碑。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)1990年至今（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)理論的完善和應(yīng)用階段）1973—1989年（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念和理論產(chǎn)生的初期階段）M.W.Krueger設(shè)計了VIDEOPLACE系統(tǒng)，它能生產(chǎn)虛擬圖形環(huán)境，能使體驗者的圖像投影能實(shí)時的響應(yīng)自己的活動。M.MGreevy領(lǐng)導(dǎo)完成的VIEW系統(tǒng)，它能實(shí)現(xiàn)體驗者穿戴數(shù)據(jù)手套和頭部跟蹤器，通過語言、手勢等進(jìn)行交互，形成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。VPL公司開發(fā)了第一套傳感手套“DataGloves”和第一套HMD“EyePhoncs”。1993年11月，宇航員通過VR系統(tǒng)訓(xùn)練，從航天飛機(jī)運(yùn)輸艙內(nèi)取出望遠(yuǎn)鏡面板。1994年，日本游戲公司Sega和任天堂分別推出SegaVR-1和VirtualBoy。2022年，加拿大造船公司Seaspan將3D沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)引入船舶設(shè)計。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類

（1）根據(jù)沉浸式體驗角度分類4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)非交互式體驗用戶更為被動，所體驗內(nèi)容均為提前規(guī)劃好的，允許用戶在一定程度上引導(dǎo)場景數(shù)據(jù)的調(diào)度，也仍沒有實(shí)質(zhì)性交互行為，如場景漫游等，用戶幾乎全程無事可做。人---虛擬環(huán)境交互式體驗用戶可以用如數(shù)據(jù)手套，數(shù)字手術(shù)刀等的設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，如駕駛戰(zhàn)斗機(jī)模擬器等，用戶可感知虛擬環(huán)境的變化

，進(jìn)而也就能產(chǎn)生在相應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界中可能產(chǎn)生的各種感受。（2）根據(jù)系統(tǒng)功能角度分類4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)規(guī)劃設(shè)計系統(tǒng)適用于新設(shè)施的實(shí)驗驗證，可大幅縮短研發(fā)時長，降低設(shè)計成本，提高設(shè)計效率，城市排水、社區(qū)規(guī)劃等領(lǐng)域均可使用，如VR模擬給排水系統(tǒng)。展示娛樂類系統(tǒng)適用于提供給用戶逼真的觀賞體驗，如數(shù)字博物館，大型3D交互式游戲，影視制作等，如VR技術(shù)早在70年代便被Disney用于拍攝特效電影。訓(xùn)練演練類系統(tǒng)可應(yīng)用于各種危險環(huán)境及一些難以獲得操作對象或?qū)嵅俪杀緲O高的領(lǐng)域，如外科手術(shù)訓(xùn)練、空間站維修訓(xùn)練等。

（3）根據(jù)技術(shù)角度分類4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)采用立體圖像技術(shù)在計算機(jī)的屏幕中生成三維立體控件的交互場景虛擬世界與用戶之間交互用到的主要設(shè)備有計算機(jī)、初級圖形工作站、投影儀、鍵盤、鼠標(biāo)、力矩儀等。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合的產(chǎn)物通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將多用戶鏈接到同一個虛擬事件中，多個用戶可以在同一個虛擬世界進(jìn)行觀察和操作。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要用到的設(shè)備有圖像顯示器、通信和控制設(shè)計以及處理系統(tǒng)。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將用戶的視覺、聽覺、味覺、觸覺封閉起來提供一種完全沉浸式的體驗采用這種技術(shù)主要通過設(shè)備有頭盔式顯示器、洞穴式立體現(xiàn)實(shí)裝置、數(shù)據(jù)手套、空間位置跟蹤器等。增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將真實(shí)世界的信息進(jìn)行疊加到仿真模擬世界中用戶與虛擬世界交互過程中用到的主要設(shè)備有穿透式頭盔式顯示器、攝像儀、攝像頭、計算與存儲設(shè)備、移動設(shè)備等。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

4.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的原理4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

5.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

（1）沉浸性

沉浸性特征是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最主要的特征，是讓用戶成為并感受到自己是計算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)造環(huán)境中的一部分，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性取決于用戶的感知系統(tǒng)，當(dāng)使用者感知到虛擬世界的刺激時，包括觸覺、味覺、嗅覺、運(yùn)動感知等，便會產(chǎn)生思維共鳴，造成心理沉浸，感覺如同進(jìn)入真實(shí)世界。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

（2）交互性

交互性特征是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度，使用者進(jìn)入虛擬空間，對應(yīng)的技術(shù)讓使用者跟環(huán)境產(chǎn)生相互作用，當(dāng)使用者進(jìn)行某種操作時，周圍的環(huán)境也會做出某種反應(yīng)。如使用者接觸到虛擬空間中的物體，那么使用者手上應(yīng)該能夠感受得到，若使用者對物體有所動作，物體的位置和狀態(tài)也應(yīng)改變。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

（3）多感知性

多感知性特征表示為計算機(jī)技術(shù)應(yīng)該擁有很多感知方式，比如聽覺，觸覺、嗅覺等，理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前大多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、觸覺、運(yùn)動等幾種。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

（4）構(gòu)想性構(gòu)想性的特征可以稱為想象性。使用者在虛擬空間中，可以與周圍物體進(jìn)行互動，可以拓寬認(rèn)知范圍，創(chuàng)造客觀世界不存在的場景或不可能發(fā)生的環(huán)境。使用者進(jìn)入虛擬空間，根據(jù)自己的感覺與認(rèn)知能力吸收知識，發(fā)散拓寬思維，創(chuàng)立新的概念和環(huán)境。（5）自主性自主性特征是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度。如當(dāng)受到力的推動時，物體會向力的方向移動或翻倒，或從桌面落到地面等。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)4.3.2虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)是虛擬環(huán)境的建立，是VR系統(tǒng)的核心內(nèi)容，目的就是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

2.實(shí)時三維圖形生成技術(shù)

實(shí)時三維圖形生成技術(shù)是指目前三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，關(guān)鍵點(diǎn)在于“實(shí)時”生成。為保證實(shí)時，至少保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，好高于30幀/秒。3.立體顯示和傳感器技術(shù)

立體顯示和傳感器技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)交互能力的關(guān)鍵。虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力是依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展。4.應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具

虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和對象，選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對象可以大幅度提高生產(chǎn)效率，減輕勞動強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

5.系統(tǒng)集成技術(shù)

由于VR系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識別與合成技術(shù)等。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

4.3.3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸入設(shè)備

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸入設(shè)備是用來輸入用戶發(fā)出的動作，使得用戶可以操作一個虛擬境界。在與虛擬場景中進(jìn)行交互時，大量的傳感器用來管理用戶的行為，同時也將場景中的物體狀態(tài)的信息反饋給用戶。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三維位置跟蹤器是測量虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中三維對象位置和方向?qū)崟r變化的一種硬件設(shè)備，是虛擬現(xiàn)實(shí)世界中一個比較關(guān)鍵的傳感器。它的目的就是檢測方位和位置，將這些數(shù)據(jù)報告給虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的多數(shù)輸入設(shè)備大都用到三維位置跟蹤器，目前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主要輸主要包括手柄類、可穿戴類、基于計算機(jī)視覺的動作感測設(shè)備等三種。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1.手柄類輸入設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)中多數(shù)頭盔主要采用手柄類設(shè)備，主要包括游戲手柄和動作感應(yīng)的VR手柄兩大類。傳統(tǒng)的游戲手柄主要有按鈕、遙感、觸板等，這類攝入設(shè)備相對結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，到對手部關(guān)節(jié)的精細(xì)的動手無法精確的定位，容易動作失真。動作感應(yīng)的VR手柄主要是通過慣性傳感系統(tǒng)加上光學(xué)追蹤系統(tǒng)或者磁場感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)動作的跟蹤，這類設(shè)備目前還存在感應(yīng)范圍限制、感應(yīng)精度不夠高等問題，還不能完美實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的自然互動。三星的GearVR控制器4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

2.可穿戴輸入設(shè)備可穿戴設(shè)備主要是指直接穿在身上，或是整合到用戶的衣服或配件的一種便攜式設(shè)備?？纱┐髟O(shè)備是通過軟件支持以及數(shù)據(jù)交互、云端交互來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能。全身動作捕捉系統(tǒng)數(shù)據(jù)手套可穿戴VR設(shè)備4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

（1）數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套是一種典型的VR可穿戴設(shè)備，是一種多模式的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件，通過軟件編程，可進(jìn)行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉(zhuǎn)等動作，也可以利用它的多模式性，用作一種控制場景漫游的工具。這類數(shù)據(jù)收到使用簡單，輸入數(shù)據(jù)量較小，進(jìn)度較快，可以直接獲取手在空間的三維信息和手指的運(yùn)用信息，可以識別多種手勢，實(shí)時進(jìn)行識別，但也存在跟蹤范圍有限，缺乏反饋、操作容易疲勞等問題。

5DT數(shù)據(jù)手套4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（2）全身動作捕捉系統(tǒng)全身VR動作捕捉系統(tǒng)是一種可以對人體進(jìn)行全身動作捕捉的技術(shù)。它可以通過傳感器、攝像頭、標(biāo)記等設(shè)備對人體進(jìn)行捕捉，然后將捕捉到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中進(jìn)行處理，將人體的動作實(shí)時呈現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)場景中。它的主要功能有動作捕捉、表情捕捉、動作數(shù)據(jù)精修等。它的應(yīng)用范圍主要有影視、動畫、游戲、廣告、教育、VR/AR、人體工程學(xué)研究，模擬訓(xùn)練，仿真和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。全身VR動作捕捉4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)攝像頭技術(shù)通過拍攝人體的動作來進(jìn)行捕捉，主要應(yīng)用于人體的大部位。標(biāo)記技術(shù)將特定標(biāo)記貼在人體上，再通過攝像頭來進(jìn)行捕捉的技術(shù)，可以提高人體動作捕捉的精度和穩(wěn)定性。傳感器技術(shù)通過測量人體的加速度、角速度、磁場等參數(shù)來捕捉人體的動作，主要應(yīng)用于手部、腳部等較小的部位。全身VR動作捕捉系統(tǒng)的技術(shù)原理4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)追蹤技術(shù)眼球追蹤技術(shù)

眼球追蹤主要是研究眼球運(yùn)動信息的獲取、建模和模擬。當(dāng)人的眼睛看向不同方向時，眼部會有細(xì)微的變化，這些變化會產(chǎn)生可以提取的特征，計算機(jī)可以通過圖像捕捉或掃描提取這些特征，從而實(shí)時追蹤眼睛的變化，預(yù)測用戶的狀態(tài)和需求，并進(jìn)行響應(yīng)，達(dá)到用眼睛控制設(shè)備的目的。頭部跟蹤

俗稱頭瞄，是指利用傳感器追蹤使用者頭部的運(yùn)動，然后根據(jù)頭部的姿勢移動所顯示的內(nèi)容，廣泛用于三維顯示中的虛擬視角控制。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

（3）基于計算機(jī)視覺的動作感測設(shè)備

基于計算機(jī)視覺的動作感測設(shè)備是運(yùn)用外攝像頭、紅外線采集圖像，建立手勢模型，實(shí)現(xiàn)對用戶動作感測和捕捉的一種設(shè)備。手勢識別的硬件基礎(chǔ)是深度攝像頭，深度攝像頭主要采用結(jié)果光、雙目成像和飛行時間等三種技術(shù)方案。課后作業(yè)

查找每一個輸入設(shè)備，了解其特征、適用場景，采用何種技術(shù)。知識回顧

以下這幾種輸入設(shè)備分別應(yīng)用于哪些場景？需要哪些技術(shù)來實(shí)現(xiàn)？VR控制器數(shù)據(jù)手套VR頭盔4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)移動端VR頭盔VR一體機(jī)游戲主機(jī)VR頭盔PC端VR頭盔頭戴式顯示器以外接個人計算機(jī)為主的VR顯示體驗度好、算法復(fù)雜，主要涉及光學(xué)、仿真、傳感、人機(jī)交互等多種技術(shù)使用場景在室內(nèi)，便攜型較差以游戲機(jī)為主的VR顯示頭盔具有獨(dú)立的VR屏幕只兼容特定的游戲機(jī)以智能手機(jī)為運(yùn)行系統(tǒng)的顯示設(shè)備手機(jī)承擔(dān)了計算單元、內(nèi)容輸出和顯示單元的功能未真正實(shí)現(xiàn)交互和沉浸感。將數(shù)據(jù)運(yùn)算主體和顯示主體集成不需要外設(shè)的VR獨(dú)立平臺該設(shè)備對技術(shù)和廠商設(shè)計要求比較高4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)頭戴式顯示器虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸出設(shè)備虛擬投影設(shè)備立體聲音箱4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

2.虛擬投影設(shè)備使用光場成像技術(shù)來展示沉浸效果的設(shè)備，是視覺表現(xiàn)的主要方式。視覺表現(xiàn)技術(shù)主要包括平面顯示技術(shù)和光場景成像技術(shù)。光場景成像技術(shù)還分為全息技術(shù)和視網(wǎng)膜投影技術(shù)。全息技術(shù)是利用干涉和衍射原理再現(xiàn)三維圖像技術(shù)。視網(wǎng)膜投影技術(shù)更加先進(jìn)，不需要任何顯示屏，直接在視網(wǎng)膜上掃描使用戶感覺到一副逼真的外部圖像。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)3.立體聲音箱

虛擬現(xiàn)實(shí)平臺的聲音部分十分重要，因為聲音可以增強(qiáng)用戶體驗。虛擬現(xiàn)實(shí)平臺使用立體聲音箱（或插耳式耳機(jī)）來隔離外界噪音，提供更準(zhǔn)確的聲音和更好的聽體驗。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件UI設(shè)計軟件VR操作系統(tǒng)中間件4.3.5虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的軟件與技術(shù)開發(fā)平臺

對人機(jī)交互、操作邏輯、界面美觀等方面進(jìn)行整體優(yōu)化的設(shè)計的一類軟件。常用的虛擬現(xiàn)實(shí)的UI設(shè)計軟件主要有Sketch、Unity3D、Photoshop、AE等。

VR操作系統(tǒng)管理VR硬件資源、軟件程序和VR應(yīng)用程序的軟件，VR操作系統(tǒng)包括原生系統(tǒng)和開源系統(tǒng)。代表廠商主要有雷蛇、谷歌等。

中間件在軟件開發(fā)過程一種為作為內(nèi)核和用戶體驗之間的軟件，另一種是添加服務(wù)、特性和功能，改進(jìn)和簡化游戲開發(fā)的軟件。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)整合軟件開發(fā)語言類的工具和SDK虛擬現(xiàn)實(shí)引擎虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)工具包4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（1）虛擬現(xiàn)實(shí)整合軟件虛擬現(xiàn)實(shí)整合軟件主要包括Virtools、Quest3D、WebMax等。Virtools是一套整合軟件，可以將現(xiàn)有常用的檔案格式整合在一起，如3D的模型、2D圖形或是音效等。具備豐富的互動行為模塊的實(shí)時3D環(huán)境虛擬實(shí)境編輯軟件。可以讓沒有程序基礎(chǔ)的人員利用內(nèi)置的行為模塊快速制作出許多3D產(chǎn)品，如網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)游戲、多媒體等。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

Quest3D是一個容易且有效的實(shí)時3D建構(gòu)工具。比起其他的可視化的建構(gòu)工具，如網(wǎng)頁、動畫、圖形編輯工具來說，Quest3D能在實(shí)時編輯環(huán)境中與對象互動。

WebMax具有獨(dú)特的壓縮技術(shù)、真實(shí)的畫面表現(xiàn)、豐富的互動功能，通過WebMax開發(fā)的三維網(wǎng)頁無需下載，只需輸入網(wǎng)址，即可直接在互聯(lián)網(wǎng)上瀏覽三維互動內(nèi)容。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)引擎

虛擬現(xiàn)實(shí)引擎是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的核心部分，負(fù)責(zé)控制管理整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)、外圍等資源，通常虛擬現(xiàn)實(shí)引擎用來封裝渲染、物理、聲效、輸入、網(wǎng)絡(luò)和人工智能。目前常見的虛擬現(xiàn)實(shí)引擎有Unity3D、Unreal、VR-Platform、Converse3D等。

Unity3D是一款跨平臺的游戲引擎，可以用來制作游戲、應(yīng)用程序和虛擬實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）體驗。它提供了一整套開發(fā)工具和引擎組件，包括渲染、物理

模擬、聲音、動畫、人工智能、網(wǎng)絡(luò)功能和用戶界面設(shè)計。

Unreal（UNREA