虚拟仿真 创造现实价值

屈竹杰

近十几年来，成千上万由虚拟仿真系统创建的可视化虚拟环境，被应用于建筑、生物工程、土木工程、工业设计、地理、医学研究、心理学以及飞行训练等领域。随着军事、工业、社会文化的发展，这种可创建和体验虚拟世界的计算机视觉系统正越来越受欢迎，并不断拓展潜在用户的使用范围。

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近日在其发布的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。

案例3：

赢康科技完成的国电环境保护研究院虚拟漫游项目，主要用于环评项目的实体建模及评估，通过采用4台科视MirageHD 6K-M投影机，以CAVE的投影方式，打造了4通道立体4面式房间全沉浸感仿真系统，实现了三维模型可视化。