模拟、虚拟、仿真及模拟仿真与虚拟现实的区别

曹爽　王峰　赵峰臣

摘 要 本文主要针对人们对模拟、虚拟、仿真概念界定不清等情况，详细介绍模拟、虚拟、仿真及模拟仿真与虚拟现实的概念及相互之间的区别。

关键词 模拟 虚拟 仿真 模拟仿真 虚拟现实

中图分类号：TP3 文献标识码：A

1 模拟与仿真

模拟经常采用虚拟具体假想情形的方法，也经常采用数学建模的抽象方法。利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统。这里所指的模型包括物理的和数学的，静态的和动态的，连续的和离散的各种模型。所指的系统也很广泛，包括电气、机械、化工、水力、热力等系统，也包括社会、经济、生态、管理等系统。当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，一般采用模拟的方式来完成。

仿真是一种特别有效的研究手段。仿真的重要工具是计算机。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真的过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。仿真技术的实质也就是进行建模、实验。现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机出现及计算技术的迅猛发展，则为仿真提供了强有力的手段和工具。因此，计算机仿真在仿真中占有越来越重要的地位。一般认为，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。仿真基本上是一种通过实验来求解的技术。通过仿真实验要了解系统中各变量之间的关系，要观察系统模型变量变化的全过程，此外，为了对仿真模型进行深入研究和结果优化，还必须进行多次运行，系统优化等工作，因此，良好的人机交互性是系统仿真的一个重要特性。

模拟侧重于软件，强调过程。仿真则侧重于硬件，仿真的重要工具是计算机、模拟器。无论模拟还是仿真都与实验相关，整个实验叫仿真，而实验过程应该叫模拟，所以模拟仿真不可分割，发展到今天统称为模拟仿真。

2 模拟与虚拟

模拟是对真实事物或者过程的虚拟。模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。模拟的关键问题包括有效信息的获取、关键特性和表现的选定、近似简化和假设的应用，以及模拟的重现度和有效性。可以认为仿真是一种重现系统外在表现的特殊的模拟。虚拟是对真实的模仿，对训练过程的假想。

3 虚拟现实与模拟仿真

虚拟现实（VirtualReality，简称VR），是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影響，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信，甚至与气象、地理、美学、心理学和社会学等相关。

概括地说，虚拟现实是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技术拓展。我们可以举一个烟尘干扰下能见度计算的例子来说明这个问题。在构建分布式虚拟环境基础信息平台应用过程中，经常会有由燃烧源产生的连续变化的烟尘干扰环境能见度的计算，从而影响环境的视觉效果、仿真实体的运行和决策。某些仿真平台和图形图像生成系统也研究烟尘干扰下的能见度计算，仿真平台强调烟尘的准确物理模型、干扰后的能见度精确计算以及对仿真实体的影响程度；图形图像生成系统着重于建立细致的几何模型，估算光线穿过烟尘后的衰减。而虚拟环境中烟尘干扰下的能见度计算，不但要考虑烟尘的物理特性，遵循烟尘运动的客观规律，计算影响仿真结果的相关数据，而且要生成用户能通过视觉感知的逼真图形效果，使用户在实时运行的虚拟现实系统中产生亲临等同真实环境的感受和体验。

虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境——虚拟环境，用户投入这种环境中，就可与之交互作用、相互影响。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而也大大推进了计算机技术的发展。目前，虚拟现实技术已在建筑、教育培训、医疗、军事模拟、科学和金融可视化等方面获得了应用，渐已成为21世纪广泛应用的一种新技术。

模拟仿真是一种物理模拟技术的应用，它主要是通过模拟实车、实兵或实战环境，来培养单兵或小范围作战编组的作战技能。

模拟训练，所用的模拟器可能比它所模拟的真实装备还要贵。为了解决部队训练问题，美国国防部高级研究计划局l983年开始实施模拟器联网计划，把分散在各地的训练器用计算机联成网络，形成分布式交互仿真，实现异地联通与互操作。美军已研制的虚拟现实模拟系统可以在视觉、听觉和触觉等方面逼真地显现未来战争可能出现的各种情况，可以使没有打过仗的指挥官身临其境般地体验战争，可以使驻扎在世界各地的部队通过互联网络同时演练同一想定，可以在同一模拟系统上演练在不同国家、不同地形、不同气候、不同作战对象的各种战争行动。如美海军陆战队的模拟网络可将分布在全球执行各种任务的陆战队特遣队司令部连接起来。一支远征部队陆战营可与4800公里之外的另一支远征部队的团级司令部进行诸军兵种联合演练。

虚拟现实强调现实的真实感（身临其境的感觉），模拟仿真强调对现实的模拟（例如物体的物理特性、化学特性，强调数据）