虛擬仿真 創造現實價值

屈竹杰

近十幾年來，成千上萬由虛擬仿真系統創建的可視化虛擬環境，被應用于建筑、生物工程、土木工程、工業設計、地理、醫學研究、心理學以及飛行訓練等領域。隨著軍事、工業、社會文化的發展，這種可創建和體驗虛擬世界的計算機視覺系統正越來越受歡迎，并不斷拓展潛在用戶的使用范圍。

虛擬仿真的世界由計算機生成，由投影機等顯示設備呈現，可以是現實世界的再現（虛擬實境），也可以構想一個全新的世界（虛擬虛境），通過創造身臨其境的沉浸感，并配合頭盔顯示器、數據手套等輔助傳感設備，讓用戶可以與虛擬世界自然實時交互，直接參與并探索仿真對象在所處環境中的作用與變化，像在真實環境里一樣進行各種操作。這種虛擬環境具有極高的準確性，可以節省昂貴的現實培訓開支，減少真實資產的浪費，更有效地整合信息和數據，幫助用戶對關鍵任務和決策做好最佳準備，優化產品開發流程，從根本上改變人們工作的方式。

作為窗口的顯示技術

在虛擬仿真系統中，顯示設備是呈現虛擬世界的窗口，而投影機是其中最常使用的設備。標準的投影機通常只是在平面上投射單一圖像，而虛擬仿真中的投影機通常用于多通道、邊緣融合系統，顯示無縫連續的圖像，而且經常需要投射在球幕或柱形的表面。因此，與普通的工程應用相比，用于虛擬仿真系統的投影機需要具有更高水平的色彩校正和光輸出控制，以及更先進的圖像處理能力，例如幾何校正。作為創建銳利圖像的重要一環，投影機鏡頭同樣重要，可幫助實現無縫的邊緣融合。

“虛擬仿真系統力求達到模擬真實環境的標準，不但對整套顯示系統的性能有著極高要求，系統形式也會針對不同行業的不同需求帶來有不同的呈現效果。總體來說，大多數行業的虛擬仿真系統普遍會有好的色彩呈現、高分辨率、高亮度、高對比度、高一致性、高刷新率、多種立體方式、很好的沉浸感，以及觀看視點位置、多視點觀看等需求。在不同行業的應用中，虛擬仿真項目通常需要多臺投影機拼接融合組成不同的系統形式來滿足使用要求。” 巴可大中華區虛擬仿真系統產品經理趙易時指出，“就投影機來說，為滿足以上需求，單機方面就要有高分辨率、不同亮度的系列，氙燈和3DLP芯片級的色彩呈現，要能夠實現多種立體表現形式并能實時切換，具備高系統刷新率、低噪音、模塊化易于更換、自動亮度、色彩實時檢測和調整以及多通道間的融合羽化等能力。”

隨著應用的不斷深入，更高對比度尤其是支持夜間模擬操作的投影機成為趨勢，此外，投影機刷新率的提升也增強了圖像的真實感。“針對某些特殊領域，如專業級飛行模擬器等虛擬系統的使用和模擬過程中，對投影機還有夜視模式、超高對比度增強模式、快速消隱、能上運動平臺等特殊要求?！?趙易時補充道。

顯示技術本身的進步，也為虛擬仿真系統發展創造了更好的條件。在過去幾年，受到世界經濟環境的影響，機構對成本效益的考慮以及緊張的資金成為虛擬仿真系統建設面臨的重大挑戰，但是LED以及激光光源技術的發展，實現了更低的使用和維護成本。

同時，顯示技術正不斷挑戰人眼的極限分辨率，對于4K、8K等技術來說，虛擬仿真是真正的利基市場。石油公司、汽車設計、軍事簡報室等都是對于分辨率非常饑渴的，并可能最早嘗試4K的領域。趙易時指出：“4K技術的成熟對仿真應用有著重要意義，隨著各個行業的不斷發展，用戶對虛擬仿真系統的需求也在不斷增強。4K推出只有兩三年左右的時間，現在已經在很多行業替代了以往的系統形式，用更少的投影顯示單元實現更大的視場角以及更精細的畫面表現力，帶給用戶更逼真的體驗，促使4K的應用需求在各個行業都在快速上升。巴可是最先將4K技術應用在虛擬仿真領域的廠商，目前我們在國內已為包括上海通用、廣汽及北京現代汽車等公司安裝了4K仿真項目，應用在汽車制造中?！?/p>

如今的4K平板顯示器亦非常適合用在虛擬仿真系統中，JVC近日在其發布的84英寸4K顯示器上演示了“谷歌地球”的內容，這款產品針對虛擬仿真市場，有4路HDMI輸入，支持60幀/秒的4K內容。地圖等內容要求寬廣的視野和高精度顯示，非常適合在大的4K平板上播放。

不同類型的系統

虛擬仿真系統應用的范圍廣泛、環境復雜，應用需求多種多樣，為此，市場上也有各種類型的系統提供?！案鶕@示系統的不同來劃分，仿真系統主要有平面投影系統、弧形投影系統、CAVE投影系統和球幕投影系統，其他一些異形投影系統嚴格來講都可以劃分到前述的四種當中去。系統搭建的難點主要是根據客戶的需求選擇最適合的軟硬件來完成整個系統，避免系統中的軟硬件沖突?！?贏康科技的技術人員為我們介紹道。

根據實現功能的不同，有很多專門的系統應用在不同的環境中。例如，飛行模擬器和其他“4D平臺模擬器”（例如安裝在移動液壓升降塔架上模擬重力效果）通常被用作特殊和專門的功能，它們由1個、3個、5個或更多的大型背投屏幕加上3D快門眼鏡、環繞立體聲和位置跟蹤系統組成。頭部位置和方向并不一定需要追蹤（因為身體就在這個投影環境里），但是頭部追蹤可以在人走過空間時，實現自然視場和角度變化。追蹤帶有觸覺反饋的數據手套可以支持對虛擬物體的操作。

CAVE協作虛擬環境，源自Collaborative automatic Virtual Environment的縮寫，是近年來出現的一種標準配置，其結構通常是一個3m×3m×2.4m的長方體，由3到6個背投屏幕墻面組成。不論是在科研機構還是跨國企業，用戶可以在CAVE里面通過網絡與世界各地的團隊就復雜問題進行協作。在CAVE當中，若干投影機由計算機或計算機集群驅動，由外向這些屏幕投射。由于近距離觀看需要非常小的像素來保持真實感，因此要求投影系統有非常高的分辨率。用戶在CAVE里面佩戴3D眼鏡觀看由CAVE生成的3D圖形，其動作通常由3D眼鏡附帶的傳感器跟蹤，并不斷調整視頻，以保持觀看視點。CAVE以及音頻系統都由計算機來控制，在CAVE中，通常會在多個角度安裝多個揚聲器，提供配合3D視頻的3D音頻效果，以實現全面的3D體驗。

LVC（Live， Virtual， and Constructive），現實、虛擬和建設性的仿真被廣泛用于模型和仿真系統的分類。LVC有助于解決時間和空間、操作預算的限制，不用現實設備就能實現更多的培訓。例如，在下一代航空領域的培訓中，包括很多在無人駕駛機上的培訓，都需要考慮不同的人為因素以及在不同地點的分布式培訓。

另外，帶有全面人體運動跟蹤架構和設計的沉浸式虛擬現實系統也會有大的增長，并且在應用中有強大優勢。例如對于軍隊的醫療團隊來說，可以在虛擬空間檢查新手術室的設計，移動儀器和重新定位設備，直到他們認為配置正確，這樣就不用建立物理模型，從而節約時間和金錢。

盡管一個封閉的環境已經能滿足需要，但是有時3D協作可能只需一面顯示墻屏幕甚至是在桌面上就能實現。由于模擬項目涉及人員眾多，空間常常成為問題，因此帶有位置追蹤的頭戴式顯示器或許會成為最佳解決方案。

平臺軟件與系統整合

相比只是簡單顯示信號的普通工程應用而言，虛擬仿真系統更加復雜，是各種技術的集成，除了投影顯示系統外，組成系統的還有服務器、VR外設和平臺軟件。要讓所有零散組件和工作成為一個無縫整體，秘密武器就是平臺軟件，沒有軟件的粘合，虛擬仿真系統就只剩一堆硬件。現在，大量的公司從事虛擬仿真軟件的開發，確保以高速的立體數據渲染，讓用戶擁有更好的圖像質量，增加沉浸體驗。

“在一個系統中，所有外設整體的整合主要靠軟件來完成，平臺軟件包括三部分：第一部分是仿真軟件平臺，所有的開發都是基于這個平臺來做的；第二部分是接口開發，沒有接口軟件就無法認出硬件的數據，沒有統一的數據接口就沒有辦法把所有的數據進行整合與處理；第三部分是應用開發，只有平臺和數據是無法完成搭建一個系統的最終目的——解決一個實際問題——的要求的，而且前端的AV系統也需要開發出來的應用來提供顯示內容。平臺軟件作為把整個硬件系統連接成為一個整體的橋梁，通過必要的接口開發把所有硬件部分連接成為一個無縫的整體。AV設備提供相應的音視頻輸出，而手勢控制、頭盔顯示器、跟蹤系統都可以作為輸入端，通過采集輸入端的數據，發送到軟件中進行分析運算，最終形成圖形圖像等信息輸出給AV終端設備?！?贏康科技強調了平臺軟件在系統中的重要性。

系統集成商可以提供很多設備，如屏幕、投影機、計算機、圖形卡。制造商針對虛擬仿真設計的投影機，可以滿足諸如7×24小時持續運行的特殊專業需求，其組件和保修通常都指定了更長的運行時間和耐用性。但設備提供并不是最重要的，趙易時指出：“其實，對虛擬仿真來說，單機方面的要求僅僅是冰山一角，更重要的是系統級的‘know how（知道如何去做），系統集成的經驗對項目的成敗非常重要，比如光路的設計、性能的分析是否能滿足使用要求等。此外，屏幕類型以及配比，系統級的對比度、系統亮度、對環境光的抗干擾能力以及針對觀看眼點的系統對比度分析等，都是系統級的要求。所以說搭建一個虛擬仿真系統，不僅僅是依靠仿真級的投影機，更重要的是系統級的‘know how和經驗?！?/p>

對于AV系統集成商來說，針對每個定制設計安裝需要具備測量和規劃的技能，還要整合其他設備，并與不同的供應商合作。例如，在操作軟件以及將現有3D資產模型轉換為適合實時操的作格式等方面，就要與VR供應商合作。同樣，3D HMDs、觸感手套、觸覺力反饋控制的供應與集成也可以找有經驗的合作伙伴。這些都要求集成商的項目管理技巧能夠從整體上控制這些工作并管理好客戶關系。

不同行業的應用

利用虛擬仿真的物理實時計算功能和高畫質的渲染技術，賦予虛擬環境以真實體驗，并實現其各種內在特性，如真實模擬場景重力、環境阻尼等環境特性及動力學特性等，使得虛擬仿真技術在各行各業的應用中都可創造出極大的現實價值。

飛機、動車、輪船、汽車制造中應用虛擬仿真系統會極大縮短產品的開發周期；在軍事作戰指揮、訓練中利用虛擬仿真技術，可以豐富戰術，提高部隊訓練水平；虛擬實驗室，能夠使學生身臨其境參與實驗，同時解決資金、空間、時間等問題；虛擬仿真可以將歷史建筑、文物、自然現象等進行虛擬展示和復原，從而使其脫離地域限制，減少破壞的同時讓更多人分享和體驗；通過與電力信息系統緊密結合，虛擬仿真系統可逼真再現變電站現場各種設備的操作過程和設備運行狀態，從而為電力行業提供可視化系統解決方案；虛擬現實仿真平臺可以實現水利工程仿真、地震應急救援仿真、地震應急推演仿真、地質災害仿真，實現地質災害虛擬環境功能與展示的結合，在虛擬環境中進行預防地質災害的模擬演練。

虛擬仿真以其不可取代的優勢，被廣泛應用在國內各個行業，并發展迅速。據贏康科技介紹，虛擬仿真目前主要集中應用的行業包括：軍工（九大軍工集團及下屬院所）、航空、航天、工業制造、汽車行業、能源行業。其次是建筑、園林、文物、古建，以及教育、文化、藝術、娛樂等領域，近幾年在一些民用小領域也開始出現仿真應用。

同時，每個行業都會根據自身行業的特點設計不同的應用需求，巴可公司趙易時談道，比如有些場景需要突出沉浸感，有的則要求大視野，或者對互動和固定眼點后的分辨率有著極高要求，甚至還有的要求系統能應用在特殊的運動平臺上，不一而足。這就需要投影廠家對各個行業的顯示需求有深入的理解，具備滿足各個行業不同需求的全系列產品線以及系統集成經驗，才能夠最終滿足不同領域用戶的專業需求。

不論廠商還是集成商都需要吃透用戶的需求特點，才能使虛擬仿真系統發揮最大價值?！胺抡嫦到y主要實現的功能包括：外觀評審、樣機評審、虛擬裝配、虛擬維修維護、虛擬漫游、過程仿真、人機功效分析等功能。不同行業客戶的需求基本就是上述這些功能，只是側重點有所不同，最主要的差異就是應用的差異，每個領域都有自己的特點，有自己的技術，要針對每個領域的需求定制不同的軟硬件解決方案，這其中也包括了軟件的開發。”贏康科技介紹道。

廣闊的市場前景

雖然虛擬仿真系統發展很快，但相比AV行業的其他垂直市場還是相對比較小眾化，且對于設備、技術要求較高。隨著各個行業自身的不斷發展，對虛擬仿真系統的應用需求與日遞增，使其開始從過去相對高端的專業領域向民品行業邁進。在未來，有理由期望通過拓展潛在用戶的范圍，令虛擬仿真系統變得更受歡迎。

“虛擬仿真已經逐漸涉及到民品行業，目前國內家電行業已經開始使用仿真系統做外觀評審了。其實仿真在國外的應用非常廣泛，大到航空航天，小到家居裝修，都已經用到了相應的技術，只是國內在這方面的起步較晚而已?！壁A康科技指出，“平民級應用將成為未來虛擬仿真系統的一個發展方向，在滿足視覺和聽覺的基本沉浸感和交互感的基礎之上，采用最便宜的軟硬件來進行集成，將以前高不可攀的仿真設備價格變得大部分公司都能消費得起，使采用這種集成技術的成本遠低于平時的研發或訓練成本，甚至是普通大眾都能接受，這樣虛擬仿真才能夠走向大眾化?！?/p>

顯示技術以及虛擬仿真系統涉及的其他技術都在不斷進步，進一步推動虛擬仿真應用的拓展。贏康科技還指出了虛擬仿真未來的另一個方向，即向更加深入的沉浸感體驗發展，視覺方面，同樣大小的顯示終端從2K變到4K，以后甚至會達到8K、16K，直至人眼無法看到像素點的分辨率，除視覺聽覺外，其他感覺體驗（如：觸覺、味覺等）已經開始逐步應用，這將實現更加貼近真實感覺的體驗。

“未來，虛擬仿真和虛擬可視化會在各個行業扮演越來越重要的角色，會有越來越的行業和客戶在未來需要借助虛擬仿真的技術平臺滿足其專業化的需求，市場前景非常廣闊，市場需求在不斷上升而且對各個細分的領域會有著越來越高的、獨特的專業要求。以后的虛擬仿真的市場一定是不斷擴大而且細分化的。” 談到未來前景，趙易時如是說。

案例1：

中國商用飛機責任有限公司（“中國商飛”）成立于2008年，是一家承載國家大型客機項目的國有大型企業。為提高航空工程師的日常訓練水平，中國商用選擇巴可為其提供沉浸式虛擬仿真系統。該套定制化視覺解決方案采用Holospace L型立體環境搭配Galaxy NW-12立體投影機，同時融合虛擬裝配軟件應用，是國內商飛領域第一套虛擬仿真訓練系統。項目中， 5臺高分辨率？Galaxy NW-12立體投影機，分別投射于正面、地面和側面三面，將虛擬的飛機內部座艙布局、機械引擎設備等三維立體影像以1：1的比例逼真地呈現出來，真實地還原機務工程師所面對的物理環境。模擬訓練區擁有進行模擬裝配訓練時所需的大視野及交互式的立體操作環境，可允許3至？4人同時進行演練。此外，系統還可為公司專家及管理者提供絕佳的會議匯報場所。

案例2：

“青島國棉6虛擬現實產業園”規劃打造成為一個具有歷史氣息的文化創意產業園區。在此項目中，贏康科技完成了包含360度環幕、城市仿真、登陸火星、地面互動、都市快軌、飛行模擬、建筑投影、全息迎賓、外星人游覽、霧幕投影、虛擬漫游、虛擬商場、虛擬裝備、自然互動等項目的顯示系統。

案例3：

贏康科技完成的國電環境保護研究院虛擬漫游項目，主要用于環評項目的實體建模及評估，通過采用4臺科視MirageHD 6K-M投影機，以CAVE的投影方式，打造了4通道立體4面式房間全沉浸感仿真系統，實現了三維模型可視化。