在虛擬中還原“真實”

虛擬現(xiàn)實是近年來十分引人注目的前沿技術，在各個領域都得到了非常廣泛的應用。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不僅能夠給人以以假亂真的逼真體驗，還能充分激發(fā)人類的想像力和創(chuàng)造力。本期邀請業(yè)內資深專家，針對虛擬現(xiàn)實中兩個關鍵性技術：建模技術和仿真技術的發(fā)展作了詳細闡述。

虛擬現(xiàn)實技術是指利用計算機技術創(chuàng)造虛擬的環(huán)境和人物，這些環(huán)境和人物“看”起來，“聽”起來，甚至“摸”起來和真的一樣。相比建模技術而言，計算機仿真技術側重于刻畫事物或系統(tǒng)隨時間或環(huán)境的變化而變化的過程。

計算機仿真技術可以用來增強虛擬環(huán)境的“沉浸感”和“逼真性”。比如，在虛擬的計算機環(huán)境中仿真出各種逼真的物理效應。物理效應包括人體運動、水流、煙霧、火以及物體之間的碰撞和爆炸等。根據(jù)這些物理規(guī)律，人們可以建立它們的抽象數(shù)學模型并采用偏微分方程數(shù)值求解技術計算它們隨時間變化的動態(tài)過程，并通過計算機圖形的渲染技術將這些物理效應在計算機屏幕上呈現(xiàn)出來。使用仿真方法模擬出的許多物理效應可以達到觀看者無法判斷是計算出的還是真實拍攝的地步，從而可以使用戶沉浸在計算機展示的虛擬環(huán)境中。

五個階段

在中學時我們就遇到過這樣的問題: 已知子彈離開槍口的速度，在不考慮空氣阻力的情況下求解子彈的運動軌跡。實際上這個問題可以看做是一個簡單的計算機仿真問題，我們可以利用經(jīng)典的牛頓力學模型來描述子彈的運動過程，再根據(jù)初始條件和微積分思想設計數(shù)值求解算法，求解該問題。

簡單說來，計算機仿真技術就是采用數(shù)學工具建立描述事物或系統(tǒng)變化規(guī)律的數(shù)學模型或物理模型，并設計數(shù)值計算方法求解模型參數(shù)，以及事物或系統(tǒng)在給定初始條件下隨時間的變化情況或者是在不同的邊界條件下系統(tǒng)狀態(tài)的變化。

一般而言，計算機仿真需要經(jīng)過建模、編寫計算程序、運行程序進行實驗、分析實驗結果、修改和完善模型這五個階段。建模的階段就是對待仿真的事物或系統(tǒng)分析其主要因素，忽略次要因素，分析主要因素之間的定量關系，并用數(shù)學語言描述出來。根據(jù)得到的定量關系和已知變量采用數(shù)學方法找出計算未知變量的算法。根據(jù)求解未知變量的算法編寫計算程序，然后在計算機上運行程序，觀察在不同輸入數(shù)據(jù)情況下系統(tǒng)的變化。最后根據(jù)實驗結果分析模型的準確性。

如果實驗結果和實際情況不符合，那么回到建模階段檢查，是否誤將主要因素忽略、主要因素之間的定量關系是否準確。然后根據(jù)修改的模型在再進行仿真實驗，直到計算結果和觀察所得的實際情況相符為止。

根據(jù)被研究系統(tǒng)的特征又可以將仿真系統(tǒng)分為兩大類: 連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散事件系統(tǒng)仿真。連續(xù)系統(tǒng)仿真是指對那些系統(tǒng)狀態(tài)變量隨時間連續(xù)變化的系統(tǒng)的仿真研究。這類系統(tǒng)的數(shù)學模型包括連續(xù)模型（微分方程等），離散時間模型（差分方程等），以及連續(xù)－離散混合模型。離散事件系統(tǒng)仿真是指對那些系統(tǒng)的狀態(tài)只在一些時間點上由某種隨機事件的驅動而發(fā)生變化的系統(tǒng)進行仿真實驗。這類系統(tǒng)的狀態(tài)量是由事件的驅動而變化的，在兩個時間之間狀態(tài)量保持不變，因而是離散變化的，稱之為離散事件系統(tǒng)。

應用范圍

通常，計算機仿真技術用在如下幾種情形。

1. 對系統(tǒng)進行真實實驗的代價高昂。比如在汽車工業(yè)中需要對新型的汽車做碰撞實驗，檢測其安全特性?？蒲腥藛T根據(jù)材料力學、碰撞力學等知識對碰撞過程建立物理模型，然后利用計算機仿真計算在不同碰撞條件下汽車的碰撞效果，并根據(jù)仿真的碰撞結果來改進汽車的設計。

2. 系統(tǒng)的實現(xiàn)只有一次機會，比如大壩的建造。因此需要在設計過程中對大壩以及相應的地質情況、水文情況建立較為準確的模型，然后計算不同設計方案中大壩的承載能力、抗震能力等數(shù)據(jù)，最終挑選出一個合理的設計方案。

3. 需要預測系統(tǒng)在未來的變化，比如2008年奧運會期間的天氣情況。首先，需要建立大氣動力學模型，然后利用往年的天氣資料確定模型的一些系統(tǒng)參數(shù)，并把在計算機上運算該模型以驗證模型的準確程度，最后利用該模型預測2008年奧運會期間的天氣情況。

計算機仿真本質上是對物理對象建立數(shù)學模型，然后通過數(shù)學方法分析物理對象中的性質、預測物理對象隨時間的變化情況。因此計算機仿真在航空航天的設計制造、天氣預報、交通模擬等領域中得到了廣泛應用。

一個人體運動仿真的例子

虛擬人是虛擬環(huán)境中一個很特殊的對象。他和其他對象不同之處在于人是一個主動個體，他的行為不僅由物理規(guī)律還由人的意識決定。比如從房間的這一端走到那一端，不同的人有不同的行走路線，人在高興或者悲傷的時候面部表情、姿態(tài)都有很大的差異。為了把這些不同的行走姿態(tài)仿真出來，人們綜合了生物力學、控制論、數(shù)值優(yōu)化等技術，但是即便如此，還不能完全解決這個困難的仿真問題。另外大規(guī)模人群行為的仿真也是目前研究的熱點問題，它不僅要考慮單個人的仿真問題還需要考慮人與人之間的相互作用和影響對仿真結果的影響。

我們在人體運動仿真方面研究了人體空中運動的仿真，圖1中黃色代表一個初始的前空翻運動，該運動是手工編輯出來的。綠色代表一個仿真的運動，該運動比原始運動更逼真。圖2從左右視角和腳尖的軌跡對比兩個運動。   

圖1 仿真運動（綠色）和初始運動（黃色）的對比圖 圖2 從左右兩個視角觀察運動，圓點表示有腳尖的運動軌跡 

虛擬現(xiàn)實技術可以將復雜的數(shù)值計算過程變成一個可以“看”得見的推演過程，即一個可信的計算過程，使結果直觀可信。因此，在虛擬環(huán)境中開展計算機仿真技術研究是一項重要內容。

鏈接:幾款優(yōu)秀仿真軟件

由荷蘭國家應用科技研究院TNO開發(fā)的MADYM多剛體動力學分析軟件將有限元融入多剛體系統(tǒng)分析中，成為了一個多剛體與有限元結合的數(shù)學模擬軟件。該軟件中有全世界最好的機械假人的數(shù)學模型，已成為汽車碰撞安全性設計的工業(yè)標準。

FLUENT是計算流體力學領域的一個著名軟件，許多和流體、傳熱及化學反應有關的問題均可使用它來求解。它具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法以及強大的前后處理功能，在航空航天、石油天然氣、渦輪機設計等方面都有著廣泛的應用。

Matlab的Simulink是一個用于對動態(tài)系統(tǒng)進行建模和設計的平臺。它提供了一個交互式圖形環(huán)境和一個可自定義模塊庫，使用戶能準確設計、仿真、實現(xiàn)、測試各類控制、信號處理、通信和其他時變系統(tǒng)，是從事自動控制領域研究的必備軟件。