連接虛擬與現(xiàn)實的橋梁

李雨秣

摘要：現(xiàn)如今，我國的科學技術(shù)迅速發(fā)展，許多技術(shù)已從理論階段走到了運用階段，之前的一些還未掌握的技術(shù)現(xiàn)已悄悄進入了我們的生活。數(shù)字孿生作為科技化技術(shù)的一個重要分支，現(xiàn)階段正被人們逐步挖掘。正因如此，對數(shù)字孿生技術(shù)更深一步的探究便顯得尤為重要。本文通過對數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展、核心理論及其在生活中的相關(guān)應用等多個方面的討論和總結(jié)，得出數(shù)字孿生技術(shù)在未來的趨勢與展望。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;虛擬現(xiàn)實;工業(yè)制造

1 數(shù)字孿生概述

數(shù)字孿生技術(shù)其實是利用現(xiàn)實中的物理模型和傳感器數(shù)據(jù)，在虛擬空間中完成高相似度的映射，從而實時監(jiān)測和預測相應物理孿生模型的全生命周期運行狀態(tài)。在某些領(lǐng)域或產(chǎn)業(yè)中，數(shù)字孿生技術(shù)可以在現(xiàn)實中進行下一步操作之前，在虛擬空間中對數(shù)字孿生模型進行仿真驗證，并發(fā)掘其中潛在的風險，對物理孿生加以改進。因此，該項技術(shù)可為其節(jié)約大量的時間與資金，并將其風險降至最低。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的完成度不斷提高，在不久的將來，將會在更廣泛的領(lǐng)域擴大它的影響。

2 數(shù)字孿生的核心理論

2.1 環(huán)境建模技術(shù)

環(huán)境建模是數(shù)字孿生技術(shù)中重要的手段和前提。數(shù)字孿生通過環(huán)境建模技術(shù)獲取現(xiàn)實中物理孿生體的三維立體數(shù)據(jù)，并且以一種虛實結(jié)合的方式建立模型，為數(shù)字孿生體的建立打下基礎。該技術(shù)可以使用計算機數(shù)學方法來描述物體與它們之間的空間關(guān)系，例如利用CAD（計算機輔助設計）可在計算機中生成相對應的物體，并且以方程式的形式產(chǎn)生直線和形狀，再依據(jù)它們之間的二維與三維空間的位置關(guān)系來精確定位。

2.2 聽覺觸覺反饋技術(shù)

聽覺觸覺反饋技術(shù)其實可分為立體聲合成技術(shù)與觸覺反饋技術(shù)。立體聲合成技術(shù)根據(jù)不同聲波的波長、相位與頻率的不同而有所不同，即通過控制聲音傳出的方向與大小高低來使其立體化，使制造出的虛擬空間更加真實。立體聲合成技術(shù)的另一個理論基礎為“雙耳效應”，其中根據(jù)聲音是以一定的速度傳播的，并隨著傳播距離增加，聲音強度逐漸減弱這一多普勒效應。該理論認為：由于人的雙耳位于頭的不同側(cè)，若一點聲源位于接收者正前方的中軸線上，那么聲音到達雙耳的時間和強度相同;但當這一點聲源偏離了中軸線時，因雙耳的距離不同，到達雙耳的聲音便出現(xiàn)了時間差、強度差、相位差和音色差，立體聲合成技術(shù)便是利用這些差值“控制”接受者的判斷聲源能力。另一方面觸覺反饋技術(shù)可以通過作用力、振動等一些物理手段為接收者模擬觸感，使使用者有一種身臨其境的感覺。

2.3 真實感實時繪制技術(shù)

為了模擬物理孿生體所處環(huán)境中所有的可控變量，物理孿生通過真實感實時繪制技術(shù)模擬物體的形態(tài)、質(zhì)量、粗糙程度等，同時也模擬了物體間的相對位置，使數(shù)字孿生體與物理孿生體的誤差減到最小，真正做到同步模擬。真實感實時繪制技術(shù)中的“真實感”包括幾何真實感、行為真實感與光照真實感。其中，幾何真實感目的是使三維數(shù)字化模型與真實世界中的對象擁有相似的幾何外觀;行為真實感是使模型擁有特定的行為規(guī)律，一般用來模擬生物;光照真實感是指模型對象與與模型光源的相互作用，從而產(chǎn)生于真實世界中光感一致的圖像。通過以上相關(guān)的真實感實時繪制技術(shù)可使數(shù)字孿生體更加的真實。

3 數(shù)字孿生的相關(guān)應用

3.1 數(shù)字孿生在航空航天中的應用

如今，數(shù)字孿生技術(shù)已漸漸成熟，許多領(lǐng)域已將其加以運用。比如在航空航天領(lǐng)域中，美國國防部在該觀念提出不久就將其運用于飛行器的保障與健康維護。他們首先將其數(shù)字化，復制在數(shù)字空間中，并模擬飛機所處環(huán)境的所有影響因素，使數(shù)字孿生模型與它的真實狀態(tài)保持同步。通過建立飛機的數(shù)字孿生模型，每次進行飛行任務后可以及時對飛機的健康狀態(tài)進行分析和評估?！逗娇罩軋蟆穼τ?035年有一個這樣的預測：在2035年，當一家航空公司接收到一架飛機時，同時將收到一套“數(shù)字飛機”。這套“數(shù)字飛機”會包含真實飛機的任何一個部件、任何一個結(jié)構(gòu)，并且隨著飛機的每一次飛行將會更新一次數(shù)據(jù)。這樣的話，不管飛機出現(xiàn)什么問題，都會在數(shù)字孿生系統(tǒng)中被預先感知到，從而使航空的安全性邁向新的階梯。

3.2 數(shù)字孿生在城市服務中的應用

數(shù)字孿生技術(shù)在美國國防部被運用后，迅速拓展到各個領(lǐng)域，近年來一些國家將數(shù)字孿生技術(shù)應用于“智慧城市”中。該技術(shù)在城市服務的方面將對服務場景、服務對象、服務內(nèi)容進行數(shù)字孿生：被復制的城市中，所有的場景都將映射在一個虛擬世界中，并且以三維可視化的形式展現(xiàn)動態(tài)、靜態(tài)兩種不同的有效信息，在服務效能、場景設置、業(yè)務流程等方面展現(xiàn)出超越現(xiàn)實的場景。當然，城市服務是以人為本的，用戶一般被賦予一些基礎標簽與一些行為屬性，該數(shù)字孿生體將模擬個人全程、全景、全時地進行跟蹤，并將個人的生活軌跡、動作表情與社交同步呈現(xiàn)于其數(shù)字孿生體之上。在未來每個人都將擁有一個和自己一模一樣的“數(shù)字復制體”，該“數(shù)字復制體”會擁有和個人一樣的運動軌跡、身體特征和身體狀態(tài)，并具有一個從出生到死亡完整的生命周期的數(shù)字人生。VR（虛擬現(xiàn)實）與AR（增強現(xiàn)實）技術(shù)掌握已逐漸成熟，城市服務的內(nèi)容將會基于VR技術(shù)以沉浸式體驗的方式優(yōu)化人們的生活方式，基于AR技術(shù)將虛擬世界與現(xiàn)實世界完美融合。

3.3 數(shù)字孿生在醫(yī)學中的應用

眾所周知，醫(yī)學是一門復雜的學科，它不僅需要醫(yī)師精湛的技術(shù)，還需要十分精密的儀器。而數(shù)字孿生技術(shù)對于傳統(tǒng)醫(yī)學無異于一場顛覆。在虛擬人體領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可構(gòu)成三維可視化的人體結(jié)構(gòu)圖與心、肝、脾、臟等器官模型。這些由數(shù)字孿生產(chǎn)出的數(shù)字模型不僅可用于教輔與研究，更重要的是在進行大型手術(shù)之前，可進行一次仿真預演，從而提高醫(yī)療水平和準確度。在醫(yī)學中，數(shù)字孿生技術(shù)以腦機交互的形式帶來了許多方便。澳大利亞基于腦機交互研制出一種虛擬手術(shù)系統(tǒng)，因其中有著腦機交互與觸覺反饋技術(shù)的運用，醫(yī)生可在遠程控制手術(shù)機器人為患者進行手術(shù)，且觸碰到骨頭的觸感也因觸覺的反饋而更加逼真。由此觀之，數(shù)字孿生技術(shù)解決了許多醫(yī)學方面的問題，且隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)必定會運用更加廣泛。

4 結(jié)論

由此看來，數(shù)字孿生技術(shù)在世界范圍內(nèi)都備受關(guān)注，且從該技術(shù)的發(fā)展速度與涉及領(lǐng)域來看，數(shù)字孿生技術(shù)有著十分光明的前景。雖然數(shù)字孿生技術(shù)相對于理想中的形式還有待進步，且在一些技術(shù)上難以攻破。但是，我相信在未來的某一天數(shù)字孿生技術(shù)將會與我們的生活融為一體，輔助航空航天、醫(yī)學等領(lǐng)域走向更高的階段。

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