连接虚拟与现实的桥梁

李雨秣

摘要：现如今，我国的科学技术迅速发展，许多技术已从理论阶段走到了运用阶段，之前的一些还未掌握的技术现已悄悄进入了我们的生活。数字孪生作为科技化技术的一个重要分支，现阶段正被人们逐步挖掘。正因如此，对数字孪生技术更深一步的探究便显得尤为重要。本文通过对数字孪生技术的发展、核心理论及其在生活中的相关应用等多个方面的讨论和总结，得出数字孪生技术在未来的趋势与展望。

关键词：数字孪生;虚拟现实;工业制造

1 数字孪生概述

数字孪生技术其实是利用现实中的物理模型和传感器数据，在虚拟空间中完成高相似度的映射，从而实时监测和预测相应物理孪生模型的全生命周期运行状态。在某些领域或产业中，数字孪生技术可以在现实中进行下一步操作之前，在虚拟空间中对数字孪生模型进行仿真验证，并发掘其中潜在的风险，对物理孪生加以改进。因此，该项技术可为其节约大量的时间与资金，并将其风险降至最低。随着数字孪生技术的完成度不断提高，在不久的将来，将会在更广泛的领域扩大它的影响。

2 数字孪生的核心理论

2.1 环境建模技术

环境建模是数字孪生技术中重要的手段和前提。数字孪生通过环境建模技术获取现实中物理孪生体的三维立体数据，并且以一种虚实结合的方式建立模型，为数字孪生体的建立打下基础。该技术可以使用计算机数学方法来描述物体与它们之间的空间关系，例如利用CAD（计算机辅助设计）可在计算机中生成相对应的物体，并且以方程式的形式产生直线和形状，再依据它们之间的二维与三维空间的位置关系来精确定位。

2.2 听觉触觉反馈技术

听觉触觉反馈技术其实可分为立体声合成技术与触觉反馈技术。立体声合成技术根据不同声波的波长、相位与频率的不同而有所不同，即通过控制声音传出的方向与大小高低来使其立体化，使制造出的虚拟空间更加真实。立体声合成技术的另一个理论基础为“双耳效应”，其中根据声音是以一定的速度传播的，并随着传播距离增加，声音强度逐渐减弱这一多普勒效应。该理论认为：由于人的双耳位于头的不同侧，若一点声源位于接收者正前方的中轴线上，那么声音到达双耳的时间和强度相同;但当这一点声源偏离了中轴线时，因双耳的距离不同，到达双耳的声音便出现了时间差、强度差、相位差和音色差，立体声合成技术便是利用这些差值“控制”接受者的判断声源能力。另一方面触觉反馈技术可以通过作用力、振动等一些物理手段为接收者模拟触感，使使用者有一种身临其境的感觉。

2.3 真实感实时绘制技术

为了模拟物理孪生体所处环境中所有的可控变量，物理孪生通过真实感实时绘制技术模拟物体的形态、质量、粗糙程度等，同时也模拟了物体间的相对位置，使数字孪生体与物理孪生体的误差减到最小，真正做到同步模拟。真实感实时绘制技术中的“真实感”包括几何真实感、行为真实感与光照真实感。其中，几何真实感目的是使三维数字化模型与真实世界中的对象拥有相似的几何外观;行为真实感是使模型拥有特定的行为规律，一般用来模拟生物;光照真实感是指模型对象与与模型光源的相互作用，从而产生于真实世界中光感一致的图像。通过以上相关的真实感实时绘制技术可使数字孪生体更加的真实。

3 数字孪生的相关应用

3.1 数字孪生在航空航天中的应用

如今，数字孪生技术已渐渐成熟，许多领域已将其加以运用。比如在航空航天领域中，美国国防部在该观念提出不久就将其运用于飞行器的保障与健康维护。他们首先将其数字化，复制在数字空间中，并模拟飞机所处环境的所有影响因素，使数字孪生模型与它的真实状态保持同步。通过建立飞机的数字孪生模型，每次进行飞行任务后可以及时对飞机的健康状态进行分析和评估。《航空周报》对于2035年有一个这样的预测：在2035年，当一家航空公司接收到一架飞机时，同时将收到一套“数字飞机”。这套“数字飞机”会包含真实飞机的任何一个部件、任何一个结构，并且随着飞机的每一次飞行将会更新一次数据。这样的话，不管飞机出现什么问题，都会在数字孪生系统中被预先感知到，从而使航空的安全性迈向新的阶梯。

3.2 数字孪生在城市服务中的应用

数字孪生技术在美国国防部被运用后，迅速拓展到各个领域，近年来一些国家将数字孪生技术应用于“智慧城市”中。该技术在城市服务的方面将对服务场景、服务对象、服务内容进行数字孪生：被复制的城市中，所有的场景都将映射在一个虚拟世界中，并且以三维可视化的形式展现动态、静态两种不同的有效信息，在服务效能、场景设置、业务流程等方面展现出超越现实的场景。当然，城市服务是以人为本的，用户一般被赋予一些基础标签与一些行为属性，该数字孪生体将模拟个人全程、全景、全时地进行跟踪，并将个人的生活轨迹、动作表情与社交同步呈现于其数字孪生体之上。在未来每个人都将拥有一个和自己一模一样的“数字复制体”，该“数字复制体”会拥有和个人一样的运动轨迹、身体特征和身体状态，并具有一个从出生到死亡完整的生命周期的数字人生。VR（虛拟现实）与AR（增强现实）技术掌握已逐渐成熟，城市服务的内容将会基于VR技术以沉浸式体验的方式优化人们的生活方式，基于AR技术将虚拟世界与现实世界完美融合。

3.3 数字孪生在医学中的应用

众所周知，医学是一门复杂的学科，它不仅需要医师精湛的技术，还需要十分精密的仪器。而数字孪生技术对于传统医学无异于一场颠覆。在虚拟人体领域，数字孪生技术可构成三维可视化的人体结构图与心、肝、脾、脏等器官模型。这些由数字孪生产出的数字模型不仅可用于教辅与研究，更重要的是在进行大型手术之前，可进行一次仿真预演，从而提高医疗水平和准确度。在医学中，数字孪生技术以脑机交互的形式带来了许多方便。澳大利亚基于脑机交互研制出一种虚拟手术系统，因其中有着脑机交互与触觉反馈技术的运用，医生可在远程控制手术机器人为患者进行手术，且触碰到骨头的触感也因触觉的反馈而更加逼真。由此观之，数字孪生技术解决了许多医学方面的问题，且随着计算机技术的发展，该技术必定会运用更加广泛。

4 结论

由此看来，数字孪生技术在世界范围内都备受关注，且从该技术的发展速度与涉及领域来看，数字孪生技术有着十分光明的前景。虽然数字孪生技术相对于理想中的形式还有待进步，且在一些技术上难以攻破。但是，我相信在未来的某一天数字孪生技术将会与我们的生活融为一体，辅助航空航天、医学等领域走向更高的阶段。

参考文献：

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