虚拟仿真技术的特征

沉浸性
虚拟仿真技术能够让用户获得听觉、触觉、嗅觉等多种感知体验,使用户感觉自己是虚拟仿真技术所创造的虚拟环境的一部分。这种身临其境的沉浸感源于:

思维共鸣
用户的思维与虚拟环境产生共鸣,产生认知上的沉浸。

感知共鸣
用户的感官与虚拟环境产生共鸣,产生感官上的沉浸
通过这种思维和感知上的双重共鸣,虚拟仿真技术赋予了用户身临其境的沉浸体验。

交互性
虚拟仿真技术的交互性体现在用户对虚拟环境的可操作程度和环境反馈的自然程度。在虚拟空间内,用户与虚拟环境产生双向交互:

用户对环境的作用
用户可以操作和改变虚拟环境中的元素

环境对用户的反馈
虚拟环境会对用户的操作做出自然反应
例如,当用户触碰虚拟空间内的物体时,不仅会有触觉反馈,物体的形态或位置也会发生相应改变,模拟真实世界的物理规律。这种自然交互增强了虚拟仿真的真实感。

多感知性
随着计算机技术的发展,虚拟仿真技术不断模拟和丰富人类的感知方式,包括:

听觉
模拟声音和音效

触觉
模拟物体的质地和触感

运动
模拟身体运动和位移
然而,由于传感技术的限制,目前虚拟仿真技术的感知功能仍有局限性。未来随着技术的进一步发展,虚拟仿真技术将能够模拟更多感知方式,如嗅觉、味觉等,为用户带来更加身临其境的体验。

构想性
构想性是虚拟仿真技术的一大优势。在虚拟环境中,用户可以:

与周围物体自由互动
通过触碰、操作等方式感知虚拟物体

创造新场景
构建现实中不可能存在的环境和情景

获取环境反馈信息
虚拟环境会对用户的操作做出反应

发散思维
在虚拟世界的启发下产生新的想法和概念

吸收新知识
基于互动和反馈,拓展认知范围
构想性使虚拟仿真成为一种强大的认知和创意工具,让用户在虚拟世界中无拘无束地探索和创新。
虚拟仿真技术与实体仿真的区别

虚拟仿真与实体仿真的本质区别
虚拟仿真技术和实体仿真在本质上存在明显区别。虚拟仿真是通过集成软硬件组件创建一个模拟世界,用户可以通过身体追踪、物理控制器和眼球追踪器等输入设备与之交互,从而实现高度沉浸式和交互性体验。与之相反,实体仿真则是使用物理对象来代替真实物品,通常是以较小或较便宜的规模进行。这些实体仿真可能包括人工操作,如飞行、航海或驾驶模拟器。

虚拟仿真与实体仿真的应用场景
虚拟仿真依赖于数学建模和计算机辅助研究,而实体仿真有时在数学建模不可靠时是必需的,如流体动力学问题。实体仿真还可以具有直接的现实用途,如化学工程过程模拟。此外,虚拟仿真(也称为数字孪生体)是复杂的交互式虚拟环境,与物理系统或过程实时链接并更新数据,提供了实际物理系统的详细数据驱动表示,允许用户观察、分析和与虚拟模型交互。
虚拟仿真技术的工作原理

虚拟世界的构建
虚拟仿真技术的工作原理是基于集成的软硬件平台构建虚拟世界。系统可以接受用户的输入,如身体跟踪、语音/声音识别和物理控制器,并向用户输出视觉、听觉和触觉显示。虚拟仿真通过这些交互模式为用户创造沉浸式体验。

输入设备的多样性
虚拟仿真可以使用各种输入硬件来接受用户输入,包括身体跟踪系统,能够记录用户的动作并将其转化为虚拟仿真的输入。

虚拟世界的交互
虚拟仿真允许用户与虚拟世界进行交互,通过软硬件组件的集成创造沉浸感。这些仿真在军事训练、人体工程学分析和医学教育等领域都有应用。

空间仿真建模
空间仿真是一种计算建模技术,可以数字化重现具有空间或地理成分的复杂系统。它涉及创建一个模拟真实世界行为的虚拟环境,允许用户探索各种情景。该仿真考虑了诸如环境条件、人口统计特征以及物理和化学变化等各种因素。"空间"一词意味着仿真模型在与其他模型或虚拟世界交互时依赖于时间和空间属性。

仿真基础设施管理
仿真基础设施管理器是支持创建详细空间仿真的技术。它允许开发人员通过管理底层基础设施、跨服务器高效分配工作负载模拟复杂系统,开发人员可以专注于实际的仿真。仿真基础设施管理器通过在空间上划分虚拟世界并将其分布在云中运行的计算实例集群上,解决了扩展问题,使仿真世界显示为单一的集成空间。这种方式通过在云中运行以高效管理资源,而不需要昂贵的硬件和软件基础设施,降低了仿真成本。

蒙特卡罗仿真
蒙特卡罗仿真是另一种虚拟仿真技术,其工作原理是基于遍历性,计算机运行足够多的仿真以产生不同输入的最终结果。结果的准确性与仿真次数成正比,仿真次数越多,结果越准确。
虚拟仿真技术在云计算中的作用
虚拟仿真技术在云计算中扮演着关键角色。云计算的虚拟化技术使得复杂的仿真系统能够在云端高效运行和扩展。通过仿真基础设施管理器,开发者可以在云端的虚拟机集群上分布式运行仿真工作负载,突破本地硬件性能限制。同时,云端的按需付费模式降低了仿真成本,开发者只需关注仿真内容和代码,而无需管理底层基础设施。总的来说,虚拟仿真技术与云计算虚拟化技术的结合,使得组织能够创建和运行复杂的仿真系统,这在传统本地基础设施下是难以实现的。
虚拟仿真技术的应用

城市规划建设中应用
虚拟仿真技术在城市规划部署领域发挥着至关重要的作用。规划设计方案的展现需要应用虚拟仿真技术,它不仅使用户拥有身临其境的体验感,还可以通过数据端口实时回传项目数据资料,有利于项目的规划、设计、投标、报建。通过场景的模拟再现,可以发现前期设计漏洞,减少由于规划不健全所造成的损失。采用虚拟仿真技术设计方案,方便快捷,大大提高了设计速度与质量,提升了工作效率。

虚拟仿真技术可以将城市规划设计方案以逼真的 3D 可视化形式呈现,让决策者和公众更直观地了解规划意图和效果

通过虚拟仿真技术将实际数据与虚拟模型相结合,实时监控和分析城市运行状况,优化规划决策

在方案制定前,利用虚拟仿真技术模拟不同情景,发现潜在问题并进行改进,避免实施后的返工和损失

虚拟仿真技术大幅缩短了规划设计周期,提高了工作效率,降低了成本支出

房地产行业的应用
通过对楼盘的虚拟仿真,可以体现楼盘及周边环境的真实景观,用户可以通过虚拟仿真技术体验真实在场的感觉,感受所选单元与周边设施的匹配情况。也可以走进住房,通过虚拟仿真技术对自己所选住房尝试各种装修风格。

虚拟仿真技术可以还原楼盘及周边环境的真实场景,为购房者提供身临其境的体验

购房者可以在虚拟环境中查看房屋单元的布局、朝向、采光等情况,评估与周边配套设施的匹配度

虚拟装修功能让购房者预先体验不同装修风格的效果,为装修决策提供参考

开发商可以利用虚拟展示减少实体样板房的建设成本,提高营销效率

在旅游行业的应用
虚拟旅游在人们的生活中越来越普及。通过实地拍照、测量来真实还原景观,经过互联网技术制作加工,通过VR场景漫游,让人们不出门就有身临其境的体验,真实再现旅游景点。

虚拟旅游通过 VR/AR 技术将真实景点数字化还原,为用户提供沉浸式的旅游体验

利用 360 度全景拍摄、3D 建模等技术还原景点的细节,使虚拟场景高度贴近现实

用户无需实际前往景点,即可通过 VR 设备或手机 APP 进行虚拟旅游漫游

虚拟旅游降低了旅游成本,缩短了旅游准备时间,为更多人提供旅游机会

虚拟旅游有助于景区宣传推广,吸引游客实地参观,促进旅游业发展

在学术方面的应用
工程力学(虚拟仿真工程)专业是国内首创专业,本专业设有虚拟仿真实验室。借助计算机技术,研究人员可结合力学学科的专业知识,对虚拟仿真工程中的力学问题进行理论研究和科学论证,并运用虚拟仿真技术进行工程设计、研究、开发。

虚拟仿真工程专业结合力学理论与计算机技术,培养复合型人才

虚拟仿真实验室为学生提供虚拟仿真环境,进行实践操作和科研活动

研究人员利用虚拟仿真技术对工程力学问题进行建模、模拟和分析

虚拟样机试验可以替代部分实体试验,降低研发成本和风险

虚拟仿真技术在工程设计、优化、测试等环节发挥重要作用
虚拟仿真技术面临的挑战
虚拟仿真技术面临着诸多挑战。首先,创建逼真的模拟环境需要昂贵的设备和道具,以进行动作捕捉和人体工程学分析。虚拟仿真需要集成软硬件组件,接受用户输入并产生视觉、听觉和触觉输出,从而营造沉浸感。然而,用于交互式实时模拟和评估的动作捕捉技术成本高昂。其次,对复杂任务和环境进行建模和模拟也是一大挑战。虽然虚拟仿真允许用户与模拟世界交互,但手动操纵虚拟人物可能是劳动密集型的。准确地模拟诸如灾难管理或固体废物收集等任务在技术上具有挑战性。此外,虚拟仿真的逼真程度和真实感受限于现有技术。视觉、听觉和触觉输出的质量,以及系统对用户输入的响应能力,都会影响沉浸感和模拟的实用性。
虚拟仿真技术的发展趋势
服务网格是一种专门为解决微服务架构中的通信和管理挑战而设计的基础设施层。它通过在服务之间构建一个专用的基础设施层来简化服务到服务的通信。以下是配置和管理服务网格的一些常见方法:
网络虚拟化模拟真实环境
复杂真实的空间模拟
模拟基础设施管理器的优势
使用模拟基础设施管理器的一些关键优势包括能够模拟需要大量计算资源的复杂模型,以及通过让开发人员专注于内容创建而不是基础设施维护来缩短开发时间。模拟基础设施管理器使复杂场景的模拟变得经济实惠且简单,应用场景包括活动策划、产品设计和数字孪生。
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