屈竹杰

近十幾年來，成千上萬由虛擬仿真系統(tǒng)創(chuàng)建的可視化虛擬環(huán)境，被應(yīng)用于建筑、生物工程、土木工程、工業(yè)設(shè)計、地理、醫(yī)學(xué)研究、心理學(xué)以及飛行訓(xùn)練等領(lǐng)域。隨著軍事、工業(yè)、社會文化的發(fā)展，這種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機視覺系統(tǒng)正越來越受歡迎，并不斷拓展?jié)撛谟脩舻氖褂梅秶?/p>

虛擬仿真的世界由計算機生成，由投影機等顯示設(shè)備呈現(xiàn)，可以是現(xiàn)實世界的再現(xiàn)（虛擬實境），也可以構(gòu)想一個全新的世界（虛擬虛境），通過創(chuàng)造身臨其境的沉浸感，并配合頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)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(huán)境中的作用與變化，像在真實環(huán)境里一樣進行各種操作。這種虛擬環(huán)境具有極高的準(zhǔn)確性，可以節(jié)省昂貴的現(xiàn)實培訓(xùn)開支，減少真實資產(chǎn)的浪費，更有效地整合信息和數(shù)據(jù)，幫助用戶對關(guān)鍵任務(wù)和決策做好最佳準(zhǔn)備，優(yōu)化產(chǎn)品開發(fā)流程，從根本上改變?nèi)藗児ぷ鞯姆绞健?/p>

作為窗口的顯示技術(shù)

在虛擬仿真系統(tǒng)中，顯示設(shè)備是呈現(xiàn)虛擬世界的窗口，而投影機是其中最常使用的設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)，顯示無縫連續(xù)的圖像，而且經(jīng)常需要投射在球幕或柱形的表面。因此，與普通的工程應(yīng)用相比，用于虛擬仿真系統(tǒng)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(chuàng)建銳利圖像的重要一環(huán)，投影機鏡頭同樣重要，可幫助實現(xiàn)無縫的邊緣融合。

“虛擬仿真系統(tǒng)力求達(dá)到模擬真實環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，不但對整套顯示系統(tǒng)的性能有著極高要求，系統(tǒng)形式也會針對不同行業(yè)的不同需求帶來有不同的呈現(xiàn)效果。總體來說，大多數(shù)行業(yè)的虛擬仿真系統(tǒng)普遍會有好的色彩呈現(xiàn)、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(yè)的應(yīng)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(tǒng)形式來滿足使用要求。” 巴可大中華區(qū)虛擬仿真系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)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(xiàn)，要能夠?qū)崿F(xiàn)多種立體表現(xiàn)形式并能實時切換，具備高系統(tǒng)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(diào)整以及多通道間的融合羽化等能力?！?/p>

隨著應(yīng)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?！搬槍δ承┨厥忸I(lǐng)域，如專業(yè)級飛行模擬器等虛擬系統(tǒng)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(shù)本身的進步，也為虛擬仿真系統(tǒng)發(fā)展創(chuàng)造了更好的條件。在過去幾年，受到世界經(jīng)濟環(huán)境的影響，機構(gòu)對成本效益的考慮以及緊張的資金成為虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)面臨的重大挑戰(zhàn)，但是LED以及激光光源技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了更低的使用和維護成本。

同時，顯示技術(shù)正不斷挑戰(zhàn)人眼的極限分辨率，對于4K、8K等技術(shù)來說，虛擬仿真是真正的利基市場。石油公司、汽車設(shè)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(lǐng)域。趙易時指出：“4K技術(shù)的成熟對仿真應(yīng)用有著重要意義，隨著各個行業(yè)的不斷發(fā)展，用戶對虛擬仿真系統(tǒng)的需求也在不斷增強。4K推出只有兩三年左右的時間，現(xiàn)在已經(jīng)在很多行業(yè)替代了以往的系統(tǒng)形式，用更少的投影顯示單元實現(xiàn)更大的視場角以及更精細(xì)的畫面表現(xiàn)力，帶給用戶更逼真的體驗，促使4K的應(yīng)用需求在各個行業(yè)都在快速上升。巴可是最先將4K技術(shù)應(yīng)用在虛擬仿真領(lǐng)域的廠商，目前我們在國內(nèi)已為包括上海通用、廣汽及北京現(xiàn)代汽車等公司安裝了4K仿真項目，應(yīng)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(tǒng)中，JVC近日在其發(fā)布的84英寸4K顯示器上演示了“谷歌地球”的內(nèi)容，這款產(chǎn)品針對虛擬仿真市場，有4路HDMI輸入，支持60幀/秒的4K內(nèi)容。地圖等內(nèi)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(tǒng)

虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用的范圍廣泛、環(huán)境復(fù)雜，應(yīng)用需求多種多樣，為此，市場上也有各種類型的系統(tǒng)提供?！案鶕?jù)顯示系統(tǒng)的不同來劃分，仿真系統(tǒng)主要有平面投影系統(tǒng)、弧形投影系統(tǒng)、CAVE投影系統(tǒng)和球幕投影系統(tǒng)，其他一些異形投影系統(tǒng)嚴(yán)格來講都可以劃分到前述的四種當(dāng)中去。系統(tǒng)搭建的難點主要是根據(jù)客戶的需求選擇最適合的軟硬件來完成整個系統(tǒng)，避免系統(tǒng)中的軟硬件沖突。” 贏康科技的技術(shù)人員為我們介紹道。

根據(jù)實現(xiàn)功能的不同，有很多專門的系統(tǒng)應(yīng)用在不同的環(huán)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(huán)繞立體聲和位置跟蹤系統(tǒng)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(huán)境里），但是頭部追蹤可以在人走過空間時，實現(xiàn)自然視場和角度變化。追蹤帶有觸覺反饋的數(shù)據(jù)手套可以支持對虛擬物體的操作。

CAVE協(xié)作虛擬環(huán)境，源自Collaborative automatic Virtual Environment的縮寫，是近年來出現(xiàn)的一種標(biāo)準(zhǔn)配置，其結(jié)構(gòu)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(gòu)還是跨國企業(yè)，用戶可以在CAVE里面通過網(wǎng)絡(luò)與世界各地的團隊就復(fù)雜問題進行協(xié)作。在CAVE當(dāng)中，若干投影機由計算機或計算機集群驅(qū)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(tǒng)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(diào)整視頻，以保持觀看視點。CAVE以及音頻系統(tǒng)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(xiàn)全面的3D體驗。

LVC（Live， Virtual， and Constructive），現(xiàn)實、虛擬和建設(shè)性的仿真被廣泛用于模型和仿真系統(tǒng)的分類。LVC有助于解決時間和空間、操作預(yù)算的限制，不用現(xiàn)實設(shè)備就能實現(xiàn)更多的培訓(xùn)。例如，在下一代航空領(lǐng)域的培訓(xùn)中，包括很多在無人駕駛機上的培訓(xùn)，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(xùn)。

另外，帶有全面人體運動跟蹤架構(gòu)和設(shè)計的沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)也會有大的增長，并且在應(yīng)用中有強大優(yōu)勢。例如對于軍隊的醫(yī)療團隊來說，可以在虛擬空間檢查新手術(shù)室的設(shè)計，移動儀器和重新定位設(shè)備，直到他們認(rèn)為配置正確，這樣就不用建立物理模型，從而節(jié)約時間和金錢。

盡管一個封閉的環(huán)境已經(jīng)能滿足需要，但是有時3D協(xié)作可能只需一面顯示墻屏幕甚至是在桌面上就能實現(xiàn)。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(tǒng)整合

相比只是簡單顯示信號的普通工程應(yīng)用而言，虛擬仿真系統(tǒng)更加復(fù)雜，是各種技術(shù)的集成，除了投影顯示系統(tǒng)外，組成系統(tǒng)的還有服務(wù)器、VR外設(shè)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(tǒng)就只剩一堆硬件?，F(xiàn)在，大量的公司從事虛擬仿真軟件的開發(fā)，確保以高速的立體數(shù)據(jù)渲染，讓用戶擁有更好的圖像質(zhì)量，增加沉浸體驗。

“在一個系統(tǒng)中，所有外設(shè)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(fā)都是基于這個平臺來做的；第二部分是接口開發(fā)，沒有接口軟件就無法認(rèn)出硬件的數(shù)據(jù)，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口就沒有辦法把所有的數(shù)據(jù)進行整合與處理；第三部分是應(yīng)用開發(fā)，只有平臺和數(shù)據(jù)是無法完成搭建一個系統(tǒng)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(tǒng)也需要開發(fā)出來的應(yīng)用來提供顯示內(nèi)容。平臺軟件作為把整個硬件系統(tǒng)連接成為一個整體的橋梁，通過必要的接口開發(fā)把所有硬件部分連接成為一個無縫的整體。AV設(shè)備提供相應(yīng)的音視頻輸出，而手勢控制、頭盔顯示器、跟蹤系統(tǒng)都可以作為輸入端，通過采集輸入端的數(shù)據(jù)，發(fā)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(shè)備。” 贏康科技強調(diào)了平臺軟件在系統(tǒng)中的重要性。

系統(tǒng)集成商可以提供很多設(shè)備，如屏幕、投影機、計算機、圖形卡。制造商針對虛擬仿真設(shè)計的投影機，可以滿足諸如7×24小時持續(xù)運行的特殊專業(yè)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(shè)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(tǒng)級的‘know how（知道如何去做），系統(tǒng)集成的經(jīng)驗對項目的成敗非常重要，比如光路的設(shè)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(tǒng)級的對比度、系統(tǒng)亮度、對環(huán)境光的抗干擾能力以及針對觀看眼點的系統(tǒng)對比度分析等，都是系統(tǒng)級的要求。所以說搭建一個虛擬仿真系統(tǒng)，不僅僅是依靠仿真級的投影機，更重要的是系統(tǒng)級的‘know how和經(jīng)驗?！?/p>

對于AV系統(tǒng)集成商來說，針對每個定制設(shè)計安裝需要具備測量和規(guī)劃的技能，還要整合其他設(shè)備，并與不同的供應(yīng)商合作。例如，在操作軟件以及將現(xiàn)有3D資產(chǎn)模型轉(zhuǎn)換為適合實時操的作格式等方面，就要與VR供應(yīng)商合作。同樣，3D HMDs、觸感手套、觸覺力反饋控制的供應(yīng)與集成也可以找有經(jīng)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(guān)系。

不同行業(yè)的應(yīng)用

利用虛擬仿真的物理實時計算功能和高畫質(zhì)的渲染技術(shù)，賦予虛擬環(huán)境以真實體驗，并實現(xiàn)其各種內(nèi)在特性，如真實模擬場景重力、環(huán)境阻尼等環(huán)境特性及動力學(xué)特性等，使得虛擬仿真技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用中都可創(chuàng)造出極大的現(xiàn)實價值。

飛機、動車、輪船、汽車制造中應(yīng)用虛擬仿真系統(tǒng)會極大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期；在軍事作戰(zhàn)指揮、訓(xùn)練中利用虛擬仿真技術(shù)，可以豐富戰(zhàn)術(shù)，提高部隊訓(xùn)練水平；虛擬實驗室，能夠使學(xué)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(xiàn)象等進行虛擬展示和復(fù)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(tǒng)緊密結(jié)合，虛擬仿真系統(tǒng)可逼真再現(xiàn)變電站現(xiàn)場各種設(shè)備的操作過程和設(shè)備運行狀態(tài)，從而為電力行業(yè)提供可視化系統(tǒng)解決方案；虛擬現(xiàn)實仿真平臺可以實現(xiàn)水利工程仿真、地震應(yīng)急救援仿真、地震應(yīng)急推演仿真、地質(zhì)災(zāi)害仿真，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害虛擬環(huán)境功能與展示的結(jié)合，在虛擬環(huán)境中進行預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的模擬演練。

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

同時，每個行業(yè)都會根據(jù)自身行業(yè)的特點設(shè)計不同的應(yīng)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(tǒng)能應(yīng)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(yè)的顯示需求有深入的理解，具備滿足各個行業(yè)不同需求的全系列產(chǎn)品線以及系統(tǒng)集成經(jīng)驗，才能夠最終滿足不同領(lǐng)域用戶的專業(yè)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(tǒng)發(fā)揮最大價值?！胺抡嫦到y(tǒng)主要實現(xiàn)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(yè)客戶的需求基本就是上述這些功能，只是側(cè)重點有所不同，最主要的差異就是應(yīng)用的差異，每個領(lǐng)域都有自己的特點，有自己的技術(shù)，要針對每個領(lǐng)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(fā)?！壁A康科技介紹道。

廣闊的市場前景

雖然虛擬仿真系統(tǒng)發(fā)展很快，但相比AV行業(yè)的其他垂直市場還是相對比較小眾化，且對于設(shè)備、技術(shù)要求較高。隨著各個行業(yè)自身的不斷發(fā)展，對虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用需求與日遞增，使其開始從過去相對高端的專業(yè)領(lǐng)域向民品行業(yè)邁進。在未來，有理由期望通過拓展?jié)撛谟脩舻姆秶?，令虛擬仿真系統(tǒng)變得更受歡迎。

“虛擬仿真已經(jīng)逐漸涉及到民品行業(yè)，目前國內(nèi)家電行業(yè)已經(jīng)開始使用仿真系統(tǒng)做外觀評審了。其實仿真在國外的應(yīng)用非常廣泛，大到航空航天，小到家居裝修，都已經(jīng)用到了相應(yīng)的技術(shù)，只是國內(nèi)在這方面的起步較晚而已?！壁A康科技指出，“平民級應(yīng)用將成為未來虛擬仿真系統(tǒng)的一個發(fā)展方向，在滿足視覺和聽覺的基本沉浸感和交互感的基礎(chǔ)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(shè)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(shù)的成本遠(yuǎn)低于平時的研發(fā)或訓(xùn)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。”

顯示技術(shù)以及虛擬仿真系統(tǒng)涉及的其他技術(shù)都在不斷進步，進一步推動虛擬仿真應(yīng)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(fā)展，視覺方面，同樣大小的顯示終端從2K變到4K，以后甚至?xí)_(dá)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(jīng)開始逐步應(yīng)用，這將實現(xiàn)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(yè)扮演越來越重要的角色，會有越來越的行業(yè)和客戶在未來需要借助虛擬仿真的技術(shù)平臺滿足其專業(yè)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(xì)分的領(lǐng)域會有著越來越高的、獨特的專業(yè)要求。以后的虛擬仿真的市場一定是不斷擴大而且細(xì)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(zé)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(yè)。為提高航空工程師的日常訓(xùn)練水平，中國商用選擇巴可為其提供沉浸式虛擬仿真系統(tǒng)。該套定制化視覺解決方案采用Holospace L型立體環(huán)境搭配Galaxy NW-12立體投影機，同時融合虛擬裝配軟件應(yīng)用，是國內(nèi)商飛領(lǐng)域第一套虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。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(cè)面三面，將虛擬的飛機內(nèi)部座艙布局、機械引擎設(shè)備等三維立體影像以1：1的比例逼真地呈現(xiàn)出來，真實地還原機務(wù)工程師所面對的物理環(huán)境。模擬訓(xùn)練區(qū)擁有進行模擬裝配訓(xùn)練時所需的大視野及交互式的立體操作環(huán)境，可允許3至？4人同時進行演練。此外，系統(tǒng)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(xiàn)實產(chǎn)業(yè)園”規(guī)劃打造成為一個具有歷史氣息的文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)。在此項目中，贏康科技完成了包含360度環(huán)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(tǒng)。

案例3：

贏康科技完成的國電環(huán)境保護研究院虛擬漫游項目，主要用于環(huán)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(tǒng)，實現(xiàn)了三維模型可視化。