虚拟仿真解决方案范例(3篇)

虚拟仿真解决方案范文

关键词初中物理；实验教学；虚拟实验；仿真物理实验室

中图分类号：G633.7文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）11-0158-02

仿真物理实验室是一款面向中学物理课堂开发的一款软件，内容包含了电学、力学、声学、光学等所有实验的仿真演示，具有集成化程度高、操作简单等特点。这种软件有利于师生在使用中根据自己的实验设计把精力放在实验模型的构建上而不是操作上。这款软件为物理实验教学提供了极大的方便。

1在初中物理教学中使用虚拟实验的意义

可以弥补传统实验仪器不足的现状实验是物理教学的灵魂，但在传统物理教学中，由于现实条件和教学理念等原因，只注重知识的口头讲解，不重视实验操作，或在教学中只做比较简单的实验，导致实验仪器严重不足。加之国家实施新课改以来，物理实验发生很大变化，很多原来旧的实验仪器被淘汰，虽然学校增添了很多新实验仪器，但仍不能满足物理实验教学的现实需要。现在学校安装的仿真物理实验室软件，包括了中学物理的所有实验，原来很多做不了或因仪器不足不能做的实验都可以用虚拟实验来代替，解决了实验课上不足或因场地仪器数量不足，实验跟不上教学进度的现象。

本身具有传统实验无可比拟的优越性虚拟实验是根据实验的相似性原理，运用软件提供的虚拟实验设备来搭建自己的实验。这样不仅可以做一些因自然条件限制在传统实验教学中无法做的实验，如真空状态下的物体自由落体运动；还可以随时控制实验进程、节奏，让实验结果更理想，让实验现象更明显清晰可见。同时，避免在物理实验中因学生操作的不规范而产生的危险性，避免实验仪器在实验过程中的损耗和损坏。

2在初中物理各类型实验中哪些实验需要虚拟实验

实验是物理教学的灵魂。在初中物理实验教学中会碰到五大类实验，分别是测量型、探究性、演示型、操作型、设计型。在这几类物理实验中，笼统地来说，笔者认为比较适合运用虚拟实验的有演示型、探究型、设计型。因为现实教学条件的限制，都实行大班教学，演示型实验如果运用传统方法去做，不能保证每个学生都能清晰地观察到实验现象。而虚拟实验可以很好地解决这个问题。探究型、设计型实验需要学生自主设计实验方案，虚拟实验可以方便地帮助学生检验实验方案的正确性，既节省了时间，又避免了因学生设计方案错误导致的实验仪器的损耗。但也不是绝对的，其他类型的实验也有的非常适合运用虚拟实验，所以在现实教学中要具体问题具体分析。

虚拟实验在测量实验中的应用测量实验是物理实验中比较简单的实验，操作简单，实验仪器易得，一般无需用虚拟实验。但也有一些测量实验比较复杂，在正常的环境下实验很难完成。如初中二年级物理“伏安法测小灯泡电阻”，这个实验如果用传统的仪器进行，学生很难获得实验结果，且容易造成仪器的损坏。这个实验需要用虚拟实验来辅助教学，操作步骤如下：

第一步，由于这个实验比较抽象，需要教师讲解实验原理；

第二步，学生根据原理，利用虚拟实验室进行实验，连接电路图；

第三步，教师根据学生在实验中遇到的问题进行辅导答疑；

第四步，学生在对这个实验理解的基础上进行真实实验，弥补虚拟实验之不足，取得良好的教学效果。

虚拟实验在探究实验中的运用探究实验的目的就是培养学生透过现象看到本质的能力和发现问题的意识，所以实验的现象是很重要的。但在真实试验中，许多事物的现象会受外界因素的影响，导致实验方案无法实施，这就需要借助虚拟实验。如初中二年级“探究凸透镜成像的规律实验”，此实验会受室内光线强弱的影响，室内光线控制不好，就得不到实验现象，更谈不上规律的总结。虚拟实验则很好地解决了这个问题。

虚拟实验在演示实验中的应用在物理实验中最常见、最普通的实验就是演示实验。物理教师在讲解概念的时候，因班级太大，导致很多学生对物理现象观察不清晰，影响了对物理的学习兴趣。虚拟实验则很好地解决了这个问题。如初二年级“光的反射实验”，学生既可能因室内光线的影响，也可能因在班内位置的影响，导致实验效果观察不明显，这就需要借助虚拟实验平台进行实验。

虚拟实验在设计型实验中的应用设计型实验重在培养学生自主解决问题的能力。在实验中学生要根据自己要解决的问题来选择实验仪器，设计实验，构建实验模型，同时还要把自己不理解的实验现象去弄清楚。这就需要虚拟实验来帮助。一方面，虚拟实验可以检验实验设计是否合理；另一方面，虚拟实验能帮助学生理解实验现象，同时避免因实验设计错误而造成的仪器损失。如“理解并表述牛顿第一定律实验”，在这个实验中，摩擦力是理解牛顿第一定律的关键，摩擦力的大小直接影响了实验现象。但是摩擦力大小参数的设置在真实实验中不好控制，虚拟实验很好地解决了这一问题。

虚拟实验在操作实验中的应用操作实验是为了培养学生自己的动手能力和理论联系实际的能力，一般在操作实验中不主张运用虚拟实验代替真实实验。在初中物理教学中，很多的操作实验都是电学实验。电学实验仪器较贵重且容易因错误操作而被损坏。所以在教学中要让学生借助虚拟实验清晰观察学习实验过程，锻炼正确的实验操作能力，避免在真实实验中出现过失，导致实验仪器损坏。如初三年级“串并联电阻实验”，如果不事先加以练习，在实验中接线错误的话，很容易烧坏实验仪器。但操作实验一定要在虚拟实验后进行真实实验，毕竟虚拟实验只是一个仿真实验，起不到锻炼学生动手能力的目的。在操作实验中要把真实实验与虚拟实验相结合，这样既解决了真实实验的困难，也解决了虚拟实验的不足。

3结束语

总之，在新课改注重实验的今天，虚拟实验在实验教学中确实起到很大的作用。但是不宜夸大虚拟实验的作用，虚拟实验带来巨大方便的同时，也有很大的缺点。如果过多运用虚拟模拟实验来代替传统实验，就会缺乏实验的真实感，不利于培养学生动手能力、合作能力和创新能力，因为学生亲手实验的经历是虚拟实验代替不了的。此外，虚拟实验，如果使用不规范，很可能会生成一个假的结果。但像这几种实验是可以用虚拟模拟实验代替的，如危险性比较大的实验、现象不明显的实验、现有条件做不了的实验。因此，教师应该在实际教学中，根据教学实际，结合运用虚拟实验与传统实验，只有这样才能发挥虚拟实验的最大效能。

参考文献

[1]李春艳，易烨.虚拟仿真实验室的建设与实验教学的改革[J].中国管理信息化，2014（12）.

虚拟仿真解决方案范文篇2

【关键词】虚拟现实适度仿真低成本化

虚拟现实技术(简称vr技术)是基于计算机技术及数据处理技术的沉浸式交互技术，也就是基于计算机技术等现代科技，人为产生的可以综合感知以模拟特定环境的虚拟交互技术。用户可以借助相应的设备以人类自然的方式与虚拟环境对象进行交互影响，从而产生类似真实环境的体验。

一、虚拟现实系统的构成

虚拟现实系统的设计开发须涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制等多个学科，一般来说完整的虚拟现实系统由以下几部分构成：

1.传感器模块：是用户与虚拟环境的接口，一方面接受用户的操作并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作结果以综合形式反馈给用户，使用户形成对虚拟环境的感知。

2.检测模块：用于检测分析由传感器模块接收到的用户操作，并将其转换为系统操作指令传输给控制模块操控虚拟环境。

控制模块：是仿真系统的核心部分，既可以仿真控制虚拟环境以应对用户操作，又可以将虚拟环境的反馈通过反馈模块控制传感器使用户获得仿真体验。

3.反馈模块：接收来自控制模块的处理信息为用户提供实时反馈。

4.建模模块：获得现实世界的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。

二、虚拟现实系统的关键技术及成本构成

虚拟现实系统的关键技术及成本构成主要包括以下几个方面：

1.动态环境建模技术：虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用cad技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。这里的开发成本主要表现为环境三维模型和贴图带来的系统空间及时间占用，如果不能较好的优化模型和贴图将会严重影响整个系统的视觉效果及运行速度，大量浪费计算机系统资源，甚至导致复杂场景环境无法实现。

2.实时三维图形生成技术：三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。随着新一代高性能图形处理器三维渲染技术的实用化，经过适当优化模型贴图的虚拟环境实时生成已不再是系统设计的成本瓶颈了—大多数主流图形处理器已可以轻松胜任此项任务，不必再增加额外的开发成本。

3.立体显示和传感器技术：虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的传感器技术还远远不能满足系统的需要。例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。由此可见，现有的立体显示和传感器技术还远远不能满足高仿真度虚拟环境的构建要求，并且由于技术的不成熟性还极大的提高了系统开发的成本。据统计系统开发成本的40%以上将消耗在该方面，因此是低成本虚拟现实系统开发必须解决的问题。

3.仿真控制技术：自然环境中的各物体之间是有相互作用的，简单的说就是各种力场的存在特性。几乎所有的运动和交互动作都要涉及到约束力学，这意味着仿真环境及身处其中的用户应该在合理的作用力影响下活动。因此虚拟现实系统需要模拟环境中出现的大量物体的材料及物理力学特性，单从需要仿真的数量及类型上看就会极大地增加系统实际的工作量及成本，更何况虚拟环境中物体之间纷繁复杂的相互影响关系了。事实上针对这些问题现代工程物理学也没有一种简单有效的解决方法，故而要想找到合理简单的数学模型并最终形成算法是虚拟现实技术的重要研究方向。就目前的情况来看仿真度要求越高算法的实现就越困难，系统开发成本就越巨大。

4.系统集成技术：由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。目前的虚拟现实系统开发通常都是单独开发相关的部分，致使系统存在开发难度及工作量巨大、可重复利用率低、通用性差等缺陷，这也是系统开发中成本高昂的重要原因之一。

三、低成本化虚拟现实系统解决方案分析

使虚拟现实系统在工业产品设计生产方面无法大规模应用的高昂开发成本，主要来源于高精度三维环境模拟，高度真实的动力学仿真设计及高度沉浸感的交互式感觉器及三维显示技术等几个方面。综合来看，虚拟现实系统对虚拟环境及虚拟交互的仿真度要求越高则系统的开发成本就越大，因此有必要提出适度仿真的概念，以解决当前高成本阻碍应用的问题，至于完善的问题尽可以在应用扩展的同时，随着技术的发展逐渐解决。

首先，合理的选择虚拟三维环境模型的建模方式和优化方法就可以大大节省对系统资源的消耗，如手工建模方式中的可编辑多边形建模，就可以在环境或物体尺寸精度要求不高的情况下，以少量的多边形网格和极少的代价获得非常精致的视觉效果，而使用有效的优化方法还可以进一步提高网格的效率。同时选择通用化成熟的商品建模工具也可以大大提高建模的效率，使原来用编辑手段实现的效果开发变得简单、快捷，这就大大降低了相应的成本消耗。

其次，在工业产品的大多数虚拟现实应用中，降低对传感器及立体显示的似真度要求也可以在降低成本的前提下保持相对较好的环境沉浸感，比如，技术比较成熟的环幕显示技术，虚拟洞穴显示技术虽然还不是立体显示技术，但其视觉效果已可以满足大多数的沉浸交互应用了，而使用传统的鼠标指点设备代替复杂的数据手套等高技术传感器，虽然对用户的沉浸体验有很大的影响，但依然可以满足大多数的低成本系统的要求，而开发成本却可以极大下降。

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（江西省交通运输厅规划办公室，南昌330008）

（JiangxiTransportationDepartmentPlanningOffice，Nanchang330008，China）

摘要：随着我国经济的迅速发展城市化进程在不断加速，传统城市规划方法已经无法满足日益膨胀的城市发展规模，因此虚拟现实技术以其无可比拟的优势被城市规划设计者迅速使用。本文通过虚拟现实技术在城市规划中的应用案例来分析虚拟现实技术的优势。最后论述了应用新技术为城市规划发展带来切实且可观的利益，应在当前城市快速发展的时期大力提倡使用新技术新方法为城市规划建设出力。

Abstract：WiththerapiddevelopmentofeconomyandtheacceleratingprocessofurbanizationinChina，thetraditionalurbanplanningmethodhasbeenunabletomeetthegrowingscaleofurbandevelopment，sothevirtualrealitytechnologywithitsincomparableadvantageisusedbyurbanplanningdesignersquickly.Thispaperanalyzestheadvantagesofvirtualrealitytechnologythroughtheapplicationcasesofvirtualrealitytechnologyinurbanplanning.Finallyitdiscussesthattheapplicationofnewtechnologyhasbroughtpracticalandremarkablebenefitforurbanplanningdevelopment.Soitshouldbevigorouslyadvocatedtousenewtechnologyandnewmethodfortheurbanplanningandconstructioninthecurrentperiodoffasturbandevelopment.

关键词：城市规划；虚拟现实；利益

Keywords：urbanplanning；virtualreality；interests

中图分类号：P208文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）18-0191-03

作者简介：肖莹（1983-），女，江西南昌人，工程师，本科，研究方向为路线规划；邓强（1979-），男，江西横峰人，工程师，本科，研究方向为土木工程。

0引言

当前，信息技术的快速发展及其在各个领域的普及应用推动着城市信息化水平不断提升。城市规划和管理领域逐步引入虚拟现实技术和三维仿真系统，城市规划建设将迎来一场创新型技术革命，城市发展理念将更加超前。以往，我们主要依靠二维GIS数据处理技术来规划和管理城市空间，城市信息处理以平面设计图纸、数据表格、沙盘模型为主，场景、条块分割，人们很难将城市空间的数据模型与现实场景联系起来，因此三维虚拟城市必将成为未来城市规划与管理的主流技术。采用城市仿真系统和虚拟现实技术可以对城市规划要素数字化和可视化处理，引入交通运输、房地产、能源、水、粮食生产和照明解决方案等，据此做出城市未来发展规划。

1虚拟现实与城市仿真的概念

虚拟现实技术（VR）即通过技术手段，构造出一个虚拟化的场景，通过各种摄像头、传感器等设备，让用户拥有仿佛身临其境的接近现实的体验。虚拟现实技术基于3D模拟技术展示城市现状及未来场景，不仅融合了地理信息系统和数据分析功能，还可以在三维空间中模拟多套设计方案进行比选、优化、评估和审核，以便于协调各部门作业进度，为日常管理工作提供指导依据。

城市虚拟现实技术实际是虚拟现实技术应用在城市规划与管理领域的一种视景仿真技术。笼统来讲，它是借助计算机信息处理技术基于GIS数据构建3D模型，然后运用贴图的方式，在三维模型上铺贴卫星影像及航空影像，使之具备逼真的纹理。数字交通系统让城市交通更加规范便利，城市地理空间框架系统、地下管网系统、城市三维仿真系统，使整个城市从地面到地下实现了立体化、数字化、精细化管理。比如深圳经伟度科技有限公司自主研发的高精度的三维仿真系统(CCVRS)，其应用覆盖城市设计、城市管理和城市生活等方方面面，能为三维数字城市系统的构建提供完整的解决方案。

2城市规划设计中常规方法与虚拟现实技术优劣分析

2.1城市规划设计中常规方法存在的问题

规划与管理城市空间时，首先应该设计一套规划方案，用以指导日常管理工作。当前，设计人员常用建筑沙盘模型、建筑效果图和三维动画进行城市规划设计。严格来讲，这三种技术在实际应用中都存在局限性。比如，建筑沙盘模型只能获得建筑的鸟瞰形象；三维效果图只能提供静态局部视觉体验。三者之中，具备三维动态模拟功能的只有三维动画，但其缺乏实时交互性，观察者只能沿着固定路线进行观察。

2.2虚拟现实技术应用与城市规划设计的优势

揉合了二维GIS、多媒体、网络科技、遥感、VR技术与城市仿真系统的虚拟现实技术是目前城市规划、建设、管理、服务实现数字化的主要路径，它能为城市数字化提供三维可视化管理和规划辅助决策支持功能。

①从三维可视化看，虚拟现实为城市规划与管理提供可视化的方法。系统通过显示不同建筑方案同周边建筑群体的相互关系，真实再现规划建筑和现状建筑的空间关系，并能适时修改高度、方向、体量、色彩等，使得规划评审专家和决策者可以从多个观察角度直观的对比多个规划设计方案，帮助规划决策者更加清楚直观地确认合理方案从而提高规划管理水平，减少决策失误和盲目性，提高规划评审质量和提升评审决策的科学性，使规划管理更合理、更科学、更透明。

②从管理功能看，虚拟现实技术正逐步实现与是自称是规划同步，以便在规划设计城市模块空间时实时展示最新虚拟规划内容，使各模块与周边环境有机融合，为实际开展城市规划与管理工作提供客观依据。事实上，虚拟现实技术就是一种城区规划与量化管理的工具。而空间信息与属性信息一体化的城市仿真系统是通过3D建模构造一个可视化仿真环境，然后将已有设计方案置于三维模型中进行优化设计，从而为城市空间量化管理提供指导依据。

③从系统扩展看，VR技术一体化操作平台具有足够的软硬件接口和功能扩展模块，可以将各职能部门集中起来统筹运作，完全按照城市真实的空间布局进行规划与设计，通过优化城市空间布局，疏通城市交通网络，同时构建公共安全服务及灾害防控体系，提高规划与管理效率。

3虚拟现实技术在小区规划设计中的应用案例

东湖名苑小区应用虚拟现实技术进行建筑规划和设计，取得了喜闻乐见的成果。

3.1虚拟现实技术下的小区规划特点——全过程规划设计

将小区信息资源纳入空间坐标体系中加以整合，严格按现实楼盘方位设定比例模拟真实场景。在小区占地面积的基础上设计楼盘方位、建筑风格、建筑布局等，再与现实场景进行对比和调整。运用虚拟现实技术模拟小区真实场景，再通过调整模块参数进行优化设计，既节省时间，又减少了人力和财力的投入。

3.2虚拟场景设计及三维建模的实现

①从AutoCAD中分类提取小区数据建立原始模型。要求先通过AutoCAD、3DMAX按照小区实际空间布局描出三维模型的局部特质，然后借助SketchUP（绘图大师）进行填充、完善，最终生成虚拟小区三维立体模型。建模后，运用实时绘制技术来消减最终绘制的场景复杂度，提高三维模型的逼真程度。

②借助VRMLPAD开发工具，通过其中的VRML实时动态交互程序丰富城区规划与管理行为。VRML的内联节点可以将城区空间场景无缝对接，以实现空间漫游。

③虚拟场景的渲染：将整个小区分割成若干个空间场景，借助OpenGL和计算机物理内存进行图形渲染，使场景更加逼真。如果计算机虚拟内存达不到设计要求，可以进行场景动态分块。

④建立实时多方案数据库。在虚拟三维空间中虚拟多套规划设计方案进行对比分析，最后筛选出最优方案。

3.3人机交互接口设计

设计好空间场景后，借助专业的输入设备和视觉跟踪设备进行虚拟场景感知。虚拟现实系统中的人际接口为人机交互提供了一个路径，使体验者充分运用人体感官感知三维环境，并与之互动。人机交互提高了人对环境的感知程度，因而必将成为人际接口设计中的一个主流趋势。

3.4小区虚拟规划建模实现步骤

小区虚拟规划建模是基于虚拟现实建模语言对小区的空间环境进行整体规划，使之形成一个完整的虚拟小区模型。

3.4.1小区建筑的整体设计相关数据，场景中建筑物分布的硬性数据参数以及建筑物的具体数据，绿化的设计以及小区休闲场所的安置。提取小区规划所需求的各种要素，如建筑风格、建筑形态、楼体样式、景观环境、建筑密度以及小区楼体布置等。

3.4.2进行三维建模，利用多种3D建模软件虚拟小区环境（如图1）。

3.4.3在已有虚拟模型的基础上引入若干套设计方案，从虚拟场景中进行比选、调整和方案优化，以实现场景替换。切记要实时储存每次修改的场景方案。根据最终方案构建大空间数据库，并引入后台管理模块方便维护和管理。

3.4.4体现虚拟现实系统的交互性，设置人机交互接口，利用特定输入/输出设备进行虚拟场景漫游。（图2）

4应用效果分析

通过在东湖名苑小区规划设计中应用虚拟现实技术得到了不错的效果，具体效果分析如表1所示。

从表1可以看出，通过应用虚拟现实技术，小区规划设计无论是设计周期还是设计费用都有大幅度的降低。

5结束语

随着技术研发不断推进，虚拟现实技术有望进入高速发展期。斯坦福大学虚拟人类接触实验室主任杰瑞米说：“就在两年前，虚拟现实技术还在以龟速前进。对技术而言，硬件设备的重量越来越轻，效果更逼真，造价更便宜。对软件而言，我们已经跨过了转折点。”本文则重点分析虚拟现实技术在城市规划中的应用。它运用三维虚拟技术模拟真实场景，使人们更加直观的了解城市的现状资源与发展前景，同时也便于开展项目洽谈、实地调研、现场办公、招商引资等工作。目前，VR技术在城市规划管理领域的应用越来越多，尤其是应用在人机交互领域的深度和广度将不断拓展，将有更加全面的发展，为建筑设计规划和城市未来发展开拓更广阔的前景。

参考文献：

[1]亓传伟，段新华.虚拟场景建模技术研究[J].价值工程，2011（13）.