智能設備的數字孿生關鍵技術：建模關鍵技術：仿真關鍵技術：虛擬現實技術4.14.24.3第四章數字孿生的關鍵技術關鍵技術：增強現實技術4.4關鍵技術：建模4.1●培養學生對知識的聯想能力；●培養學生自學的方法與途徑；●思政目標：熟悉國內數字孿生建模平臺廠家，了解我國智能出哪些虛擬現實技術的輸入輸出設備。學習目標知識目標●掌握模型的基本概念和基本步驟；●掌握仿真的基本概念；●掌握虛擬現實技術的特征、分類和原理；●掌握增強現實技術的應用?！衲芮宄５幕静襟E；●能選擇不同場景使用不同的仿真工具；●能區分虛擬現實技術的類別。

能力目標素養目標知識回顧知識回顧：有幾種行業現場網的組網技術？知識回顧（1）基于行業現場網的組網技術（2）基于SLA服務的QoS保障技術4.1關鍵技術：建模下面兩張圖片是什么？請同學們討論模型4.1關鍵技術：建模數字孿生的基礎技術感知和網絡，他們是完成數字孿生的數據采集、檢測、傳輸等環節。

數字孿生的關鍵技術建模、仿真、虛擬現實和增強現實技術等，是完成數字孿生的物理實體的信息建模到數字孿生中，精確模擬物理實體的各種形態并進行預測和優化，是現實虛擬系統的關鍵技術。關鍵技術建模仿真虛擬現實增強現實4.1關鍵技術：建模數字孿生的建模是將物理世界的對象數字化和模型化的過程。它的主要作用是通過建模將物理對象表達為計算機和網絡能識別的數字模型，將物理世界或問題的理解進行簡化和模型化。4.1關鍵技術：建模如何來理解數字孿生的建模？

數字孿生模型構建是在數字空間實現物理實體及過程的屬性、方法、行為等特性的數字化建模。模型構建可以是“幾何-物理-行為-規則”多維度的，也可以是“機械-電氣-液壓”多領域的。4.1關鍵技術：建模模型：指通過主觀意識借助實體或者虛擬表現，構成客觀闡述形態結構的一種表達目的的物件。4.1.1模型的基本概念模型的構成：模型構成主要分為實體模型和虛擬模型。實體模型從表現形式分為靜模、助力模型、動模。虛擬模型主要分為虛擬靜態模型、虛擬動態模型、虛擬幻想模型。實體模型虛擬模型4.1關鍵技術：建模模型的分類

數學模型數學模型主要是指用數學語言描述的一類模型，用來描述系統要素之間以及系統與環境之間關系的數學表達式。物理模型也稱實體模型，以實體或者圖形直觀地表達對象特征所得模型成為物理模型，物理模型是根據一定的規則對系統進行簡化、描述或按照一定比例放大、縮小而得到的仿制品，一般情況下要求物理模型與實體高度相似，能夠逼真地描述物理實體的原型。物理模型主要分為實物模型和類比模型。物理模型4.1關鍵技術：建模

數字孿生的模型數字孿生模型是對實體產品、生產流程或產品使用的一種智能化和虛擬化的表示（或模型）。智能化是指事物在網絡、大數據、物聯網和人工智能等技術的支持下，所具有的能動地滿足人的各種需求的屬性。數字孿生的模型主要是指物理模型。問題思考●建模的基本步驟是什么？4.1關鍵技術：建模數字孿生對物理對象建模一般需要包含四個步驟，首先進行模型抽象，然后模型表達、模型構建、最后模型運行。4.1.2建模的基本步驟4.1關鍵技術：建模其中模型抽象是實現對物理對象的特征抽象；模型表達則是對抽象后的信息進行描述；模型構建表示采用模型構建工具實現模型的校驗、編排等；模型運行指在提供的虛擬環境中運行模型。4.1關鍵技術：建模

模型實現方法主要涉及建模語言和模型開發工具等，其中最為關鍵的是如何從技術上實現數字孿生的模型。數字孿生中建模是根據不同的使用場景所建模采用技術群是不一樣的，目前數字孿生主要使用場景有IT、運營技術或操作技術（OT）、通信技術（CT）等。4.1.3建模的實現方法數學孿生使用場景ITOTCT問題思考場景的建模語言有哪些？問題思考

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在不同領域中采用不同領域的技術群，在數字孿生中常見建模語言方面主要有AutomationML、Modelica、SysML、UML、XML等。4.1關鍵技術：建模在IT領域中建模主要集中為兩個場景，物聯網設備建模和數字孿生城市建模，在物理網設備建模中主要由大的平臺廠家在進行推薦，實現物聯網設備數據的平臺呈現，在描述層面，大多采用json、xml等語言進行描述，自定義架構，并采用MQTT，COAP等應用傳輸協議進行虛實系統交互。1.在IT場景中建模的實現方法4.1關鍵技術：建模如：阿里云IoT是針對物聯網領域推出的一站式物聯網解決方案。

如：百度AIoT平臺它可以支持各種硬件終端接入，提供實時數據處理和可視化分析，同時還提供智慧家居、智能醫療等多種行業解決方案。4.1關鍵技術：建模如：騰訊云IoT，它提供了多種協議接入，支持大數據分析以及機器學習等技術，能夠幫助快速開發可擴展的物聯網應用。如：中移物聯網圍繞“聯網業務服務的支撐者、專用模組和芯片的提供者、物聯網專用產品的推動者”的戰略定位。問題思考國內有哪些建模平臺？問題思考●騰訊磨坊、模多克、琢刻、動動三維、3DPunk4.1關鍵技術：建模2.OT場景中建模的實現方法OT領域主要指的是運營技術或操作技術，在OT領域建模主要集中在復雜裝備，對于OT領域的復雜裝備和場景的建模，需要融合機械、電氣、液壓等不同領域知識。在工業業務的場景下，生產線上存在比較多的物聯網設備的測點數據，與IT的數據相比，這一類數據體量比較大，但他們的格式相對來說比較統一。在OT工業場景中，建模使用的主要是Modelica建模語言。4.1關鍵技術：建模（1）Modelica建模語言

技術特點：Modelica是一種開放的以方程為基礎的語言，適用于大規模復雜異構物理建模；它是面向對象、結構化的數學（物理）建模語言；它是陳述式建模（非因果建模）是基于物理方程描述物理行為，無需明確方程的因果關系或數據流向；它完全掌握模型數據原理，基于系統數學方程的模型構建，用戶在建模過程中可以完全掌握其原理；它的代碼是完全可見，底層代碼完全可見，開放性好。問題思考Modelica建模語言主要的適用場景有哪些？問題思考由于Modelica是跨越不同領域，實現復雜物理系統的建模，主要運用在機械、控制、電磁、電子、電力、熱、液壓及面型對象的組件模型構建，目前工業界的三大工業建模工具都支持Modelica建模語言。越來越多的行業開始使用Modelica語言進行模型開發，尤其是汽車領域，例如：Audi，BMW，Daimler，Ford，Toyota，VW等世界知名公司都在使用Modelica來開發節能汽車、改善車輛空調系統等。Modelica適用場景廣泛4.1關鍵技術：建模構建簡單的機械系統模型將輸入量為力改為位移

如：構建簡單的機械系統模型，將圖中力作為輸入量，在建模過程中可以將輸入改為位移。2.OT場景中建模的實現方法4.1關鍵技術：建模如：用Modelica基礎庫中的狀態機控制水箱模型狀態機控制水箱模型4.1關鍵技術：建模4.1.3建模的實現方法（2）OPCUA技術OPC是為了便于自動化行業不同廠家的設備和應用程序能相互的交互數據，而定義的一個統一的接口函數，也叫OPC協議規范。OPC就是用于軟件與設備之間的交換數據。工作原理：它采用現代化的網絡通信技術，是基于Web服務和互聯網技術的基礎上的；它使用“面向對象”的方式來描述設備與系統之間的通信，每個設備和系統都可以抽象出一個對象，對象有其自有的屬性、方法和事件，通過讀寫這些對象的屬性、調用方法及監聽事件，設備與設備之間、設備與系統之間就可以實現數據交換和控制操作。問題思考OPCUA技術主要用到哪些場景中？問題思考●

工業自動化：OPCUA在工業自動化領域廣泛應用，用于實現設備之間的數據交換和通信。通過使用OPCUA，不同廠商的設備和系統可以實現互操作性，實現數據的采集、監控、控制和優化?！裎锫摼W（IoT）：OPCUA作為物聯網的通信協議之一，在物聯網場景中具有重要作用。OPCUA提供了一種標準化的、安全的和可靠的通信機制，使得不同設備和系統之間能夠進行無縫的數據交換和集成。

除此之外，OPCUA還應用于能源管理和智能建筑，以及物流和供應鏈管理等領域，為不同設備和系統之間的數據交換和集成提供了標準化、安全和可靠的通信機制。4.1關鍵技術：建模4.1.4模型的融合在數字孿生體系中，根據不同層面的建模進行分類，將模型構建主要分為幾何模型構建、信息模型構建、機理模型構建等類型。當不同模型構建完成后，需要將模型進行融合，目的是實現物體實體的統一刻畫。模型融合實現物體實體的統一刻畫目的4.1關鍵技術：建模模型融合架構模型構建融合面對不同領域的多種異構模型，需要提供統一的協議轉換和語義解析的能力，將異構模型轉化為數據，形成模型庫；需要數據庫來存儲模型及其數據，對模型進行管理等，最后形成與物理實體映射的虛擬實體。關鍵技術：仿真4.2知識回顧

知識回顧：（1）模型的基本概念（2）建模的基本步驟（3）建模的實現方法（4）模型的構建知識回顧1.模型的基本概念指通過主觀意識借助實體或者虛擬表現，構成客觀闡述形態結構的一種表達目的的物件。2.建模的基本步驟首先進行模型抽象，然后模型表達、模型構建、最后模型運行。3.建模的實現方法在IT場景中、OT場景中(Modelica建模語言、OPCUA技術)4.模型的構建在數字孿生中，模型的構建是一個關鍵步驟，它涉及將實際系統轉化為數字形式并建立相應的模型。4.2關鍵技術：仿真

從20世紀50年代開始，仿真技術逐漸成為了一門新興學科，計算機仿真經過了模擬計算機、數字計算機、混合計算機、全數字并行處理仿真技術的發展與演變，相繼出現了模擬仿真、數字仿真、混合仿真、全數字并行的仿真技術。仿真的軟件也由數值計算方法，仿真的語言越來越豐富，直到現在，仿真技術已經應用到各個技術領域、各個學科內容和各種工程部門。4.2.1仿真技術概述軍事領域醫療領域工業領域4.2關鍵技術：仿真1.仿真技術概念仿真技術是指應用仿真硬件和仿真軟件通過仿真實驗，借助某些數值計算和問題求解，反映系統行為或過程的仿真模型技術。

第一階段20世紀初已經在某些行業有了應用，如在實驗室中建立水利模型，進行水利學方面的研究第二階段在20世紀40-50年代，仿真技術應用在航空、航天和原子能等領域進行了應用；第三階段在20世紀60年代隨著計算機技術的突飛猛進的發展，提供了先進的仿真工具，加速了仿真技術的發展。物理產品的所使用狀態變化，組件更新等信息，產品性能優化的信息都將反饋到數字孿生體4.2關鍵技術：仿真

2.仿真工具

仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真軟件。仿真硬件仿真軟件仿真硬件仿真工具4.2關鍵技術：仿真

(1)仿真硬件在仿真硬件其中最主要的工具就是計算機。用于仿真的計算機的類型有三種，分別模擬計算機、數字計算機和混合計算機以及一些專用的物理仿真器。仿真硬件模擬計算機模擬計算機模擬計算機專用的物理仿真器4.2關鍵技術：仿真

數字計算機還可分為通用數字計算機和專用數字計算機，隨著數字計算機的軟件、接口和終端技術的發展，人機交互性也較好，目前數字計算機已成為現代仿真的主要工具。數字計算機模擬計算機主要用于連續系統的仿真，在進行模擬仿真時，依據仿真模型將各運算放大器按要求連接起來，調整其有關的系數器。它的優點人機交互性好，適合于實時仿真。模擬計算機4.2關鍵技術：仿真

混合計算機是把模擬計算機與數字計算機聯合在一起應用于系統仿真的計算機系統。充分發揮模擬計算機的高速度和數字計算機的高精度、邏輯運算和存儲能力強的優點?；旌嫌嬎銠C空間環境模擬器仿真工具的硬件除了計算機，仿真硬件還包括一些專用的物理仿真器，如運動仿真器、目標仿真器、負載仿真器、環境仿真器等。4.2關鍵技術：仿真仿真軟件是以仿真服務的仿真程序、仿真程序包、仿真語言和以數據庫為核心的仿真軟件系統。仿真軟件的種類很多，涉及到如機械、流體、結構、巖土、土木、隧道、生物、電磁、海洋、優化、化工、人體、逆向、建模、智能制造等多學科。2.仿真工具(2)仿真軟件4.2關鍵技術：仿真3.仿真方法

離散事件系統仿真方法連續系統仿真方法仿真方法仿真方法主要是指建立仿真模型和進行仿真實驗的方法。仿真方法不是一種單項技術，而是一種求解問題的方法。仿真方法是建立系統的數學模型并將它轉換為適合在計算機上編程的仿真模型，然后對模型進行仿真試驗的方法。仿真方法基本上分為兩大類，分別為連續系統仿真方法和離散事件系統仿真方法。4.2關鍵技術：仿真

(1)連續系統仿真方法連續系統的數學模型一般采用微分方程進行描述，模型中的變量隨時間連續變化。根據仿真時所采用的計算機不同，可分為模擬仿真法、數字仿真法和混合仿真法三類。(2)離散事件系統仿真方法離散事件系統仿真方法是指離散事件系統的狀態是在離散時刻發生的變化，通常用“離散事件”這一術語來表示這樣的變化。問題思考中國行業的市場規模如何？4.2關鍵技術：仿真4.計算機仿真技術行業發展

中國計算機仿真行業的市場規模呈現出穩定增長的態勢，在國家政策支持、技術創新推動、行業應用拓展等多重因素的影響下，中國計算機仿真行業將保持較高的增長速度，預計到2023年底，市場規模將超過2000億元，復合增長率達到12%左右。從尚普咨詢集團數據顯示，2022年中國計算機仿真行業上市企業TOP10的營收總額約為72億元，占整個行業營收總額的6.6%。目前，中國計算機仿真行業整體集中度較低，沒有形成明顯的龍頭企業。4.2關鍵技術：仿真

(1)計算機仿真行業細分領域分析對賽車模型壓力進行測試①計算機仿真測試計算機仿真測試是指利用計算機軟件和硬件對各種電子設備、系統或網絡進行性能測試、故障診斷、可靠性評估等的過程，通過計算機仿真測試可以提高測試效率和精度，降低測試成本和風險，提高產品質量和安全性?！景咐抠愜嚹Ｐ头抡鏈y試，對典型的F1賽車的地板產生壓力進行測試。問題思考計算機仿真測試分為哪些？4.2關鍵技術：仿真

計算機仿真測試主要包括機電仿真測試、射頻仿真測試、通用測試等。計算機仿真測試機電仿真測試射頻仿真測試通用測試4.2關鍵技術：仿真通用測試是指利用計算機軟件和硬件對各種通用設備或系統進行功能、性能、兼容性等方面的仿真測試，主要應用于電子信息、醫療器械、教育科研等領域。

射頻仿真測試是指利用計算機軟件和硬件對各種射頻設備或系統進行信號發射、接收、處理等方面的仿真測試，主要應用于通信、雷達、導航等領域?！景咐扛咚俚腜CB設計中，采用球柵陣列封裝技術。BGA球柵陣列封裝技術機電仿真測試是指利用計算機軟件和硬件對各種機電設備或系統進行動力學、熱力學、電磁學等方面的仿真測試，主要應用于汽車、航空航天、工程機械等領域。【案例】如對電動汽車整車的電性能進行測試。整體電性能測試

數字孿生的仿真技術

在數字孿生體系中的仿真技術是一種在線數字仿真技術表示為確定性規律和完整機理的模型轉化成軟件的方式來模擬物理世界

（對物理實體建立相對應的虛擬模型，并模擬物理實體在真實環境下的行為。）在數字孿生體系中模型要正確，有完整的輸入信息和環境數據，就能基本正確地反映物理世界的特性和參數，驗證和確認對物理世界或問題理解的正確性和有效性。數字孿生中的仿真技術更加強調物理系統和信息系統之間的虛實共融和實時交互貫穿了全生命周期是一種高頻次和不斷循環迭代的仿真過程。4.2關鍵技術：仿真4.2關鍵技術：仿真②仿真模擬訓練

仿真模擬訓練是指利用計算機軟件和硬件構建虛擬環境和場景，對人員進行技能培訓、知識教育、心理調節等的過程。仿真模擬訓練主要包括軍事仿真訓練、飛行仿真訓練、駕駛仿真訓練等。仿真模擬訓練軍事仿真訓練飛行仿真訓練駕駛仿真訓練4.2關鍵技術：仿真

軍事仿真訓練是指利用計算機軟件和硬件構建虛擬戰場和作戰環境，對軍事人員進行戰術技能、戰略思維、心理素質等方面的仿真訓練，主要應用于陸軍、海軍、空軍等部隊。【案例】某武警第二機動總隊某支隊引入VR仿真訓練設備。軍事仿真訓練飛行仿真訓練是指利用計算機軟件和硬件構建虛擬空域和飛行環境，對飛行人員進行飛行技能、飛行規則、飛行安全等方面的仿真訓練，主要應用于民航、航空航天等領域?！景咐棵绹哲娫趦热A達州的內利斯空軍基地開設了一個5500平方米虛擬測試訓練中心。飛行仿真訓練駕駛仿真訓練是指利用計算機軟件和硬件構建虛擬道路和駕駛環境，對駕駛人員進行駕駛技能、交通規則、安全意識等方面的仿真訓練，主要應用于汽車、公交車、地鐵等領域?！景咐科囻{駛仿真汽車駕駛仿真4.2關鍵技術：仿真

③虛擬制造虛擬制造是指利用計算機軟件和硬件對產品設計、工藝流程、生產線布局等進行數字化建模和優化分析的過程虛擬制造主要包括數字化設計、數字化加工、數字化組裝等。虛擬制數字化設計數字化加工數字化組裝4.2關鍵技術：仿真

數字化設計展廳

數字化設計是指利用計算機軟件對產品形態、結構、功能等進行三維建模和參數化設計的過程?！景咐繑底只箯d。數字化加工是指利用計算機軟件對產品加工工藝進行數學建模和優化控制的過程。數字化加工可以提高加工質量和穩定性，實現智能化監測和調整，提高加工效率和節能性。【案例】SMT貼片行業全面進入自動化SMT貼片自動化數字化組裝是指利用計算機軟件對產品組裝流程進行邏輯建模和動態模擬的過程?！景咐课鏖T子醫療的制造與研發的智機器人組裝過程機器人組裝問題思考計算機仿真技術發展趨勢？4.2關鍵技術：仿真

5.計算機仿真技術發展趨勢計算機仿真技術應用趨勢從傳統的靜態仿真模型迅速發展為動態模型，已應用于航天、船舶、醫療、安全、服務、教育等各個領域。隨著應用范圍的廣泛，計算機仿真技術也隨著發展，目前計算機仿真技術的發展趨勢主要有高性能仿真技術、增強仿真技術、集成仿真技術、可視化仿真技術、智能化仿真技術等。01高性能仿真技術02增強仿真技術03集成仿真技術04可視化仿真技術05智能化仿真技術4.2關鍵技術：仿真

高性能仿真技術隨著計算機仿真技術對存儲、計算等要求越來越高，計算機仿真技術越來越依賴計算機的性能，未來需要更加繁瑣的仿真模型，要求性能越來越高、延遲越來越低，加上大數據仿真實施技術，對性能的要求也較高。增強仿真技術增強仿真技術是指以有形環境為基礎，使用虛擬元素來增強仿真技術，可以實現對更多應用領域的快速處理。其中，基于虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、真實現實（MR）技術的發展，使得模型更加重視界面和控制系統的整合和融合，也是未來發展的趨勢之一。4.2關鍵技術：仿真

集成仿真技術目前計算機仿真技術已發展為多種模型和方法，并開展了大量的新應用。計算機仿真技術將繼續在實施綜合應用仿真，以擴大其范圍，改善仿真精度，加速計算能力，增強圖形計算能力，加強決策支持和多尺度仿真等集成方面進程?？梢暬抡婕夹g計算機仿真技術的一個重要組成部分是虛擬圖形，通過虛擬圖形技術，可以實現數據的可視化和表達，并可以模擬、實時顯示場景或二維、三維地圖，以便更直觀地理解仿真結果。除此，計算機仿真技術已發展到允許混合仿真（MR），可以實現全景、觸控等新型應用。4.2關鍵技術：仿真

智能化仿真技術計算機仿真技術與人工智能相結合，可以形成仿真分析系統幫助管理者更快、更準確地做出決策。4.2關鍵技術：仿真

數字孿生的仿真技術

在數字孿生體系中的仿真技術是一種在線數字仿真技術表示為確定性規律和完整機理的模型轉化成軟件的方式來模擬物理世界

（對物理實體建立相對應的虛擬模型，并模擬物理實體在真實環境下的行為。）在數字孿生體系中模型要正確，有完整的輸入信息和環境數據，就能基本正確地反映物理世界的特性和參數，驗證和確認對物理世界或問題理解的正確性和有效性。數字孿生中的仿真技術更加強調物理系統和信息系統之間的虛實共融和實時交互貫穿了全生命周期是一種高頻次和不斷循環迭代的仿真過程。基于數字孿生可對物理對象通過模型進行分析、預測、診斷、訓練等仿真過程，并將仿真結果反饋給物理對象，從而幫助對物理對象進行優化和決策。仿真技術是創建和運行數字孿生體、保證數字孿生體與對應物理實體實現有效閉環的核心技術。目前數字孿生的仿真技術與信息新技術（大數據、物聯網、云計算、人工智能等）相融合，向著數字化、網絡化、服務化、智能化方向發展。4.2關鍵技術：仿真數字孿生中仿真技術與物理對象之間的關系數字孿生中仿真技術分類（1）按被仿真的對象進行分類4.2關鍵技術：仿真將實際工程的狀態在模型中進行模擬，通過仿真技術確認工程系統的內在變量對被控對象的影響，如制造過程的仿真。工程系統仿真指對自然場景進行真實模擬，部分自然場景具有不規則性、動態性和隨機性，因此對自然場景的實時仿真具有重大的意義。自然系統仿真社會系統仿真生命系統仿真軍事系統仿真復雜社會系統的描述與研究方法，有助于提高決策層對系統運行狀態的快速掌握以及對各種狀況的及時處理，如人工社會的仿真。以生命系統為研究對象，以生命的某種功能為劃分系統的原則，以定量研究為特點的一種新興學科，如數字人體。指在軍事仿真方面，有戰爭模擬、作戰演練、裝備使用和維修培訓等應用場景，能節約經費、提高效率、保護環境、減少傷亡。（2）按仿真粒度進行分類4.2關鍵技術：仿真單元級仿真

指即面向單個部分或領域的仿真，如機械結構仿真、控制仿真、流體仿真、電磁仿真；系統級仿真，面向單一系統整體行為的仿真，如汽車、飛機等產品的全系統仿真。體系級仿真

指面向由多個獨立系統組成的體系系統的仿真，關注體系中各部分之間的關系和體系的涌現行為，如城市交通仿真、體系對抗仿真。（3）按仿真系統架構進行分類

4.2關鍵技術：仿真0102指運行于單臺計算機或單個平臺上的仿真系統，適合中小型的仿真系統，便于設計和管理。集中式仿真指運行于多臺計算機或多個平臺上的仿真系統，常用于大規模體系級仿真。分布式仿真3.數字孿生中仿真技術的應用與發展

目前仿真技術形成了比較完善的理論、方法和技術體系，仿真技術為數字孿生的發展與應用提供了堅實的基礎和有力的支撐。（1）數字孿生中仿真技術的應用①數字孿生仿真技術應用在交通領域交通安全仿真是基于虛擬現實技術的評價系統，交通安全仿真和評價系統是作為交通管理部門建設和改善交通設施的依據和分析交通事故的一種方法。4.2關鍵技術：仿真

②數字孿生仿真技術應用在智能制造領域數字孿生中的仿真技術目前在智能制造的應用比較廣泛，它是物聯網、虛擬現實等技術相結合的產物，越來越多的制造商們開始借助數字孿生技術探索智能生產新模式，相繼開發了虛擬車間、數字工廠、產品設計、設備管理、車聯網等新型應用場景。數字孿生能模擬現實環境中的行為，孿生數字便代表了物理世界與虛擬世界的融合。4.2關鍵技術：仿真

③數字孿生仿真技術應用在教育領域

計算機仿真實驗是計算機多媒體教學中新增加的領域，可以根據需要即時組件模擬實驗室。仿真實驗強調實驗的設計思想和實驗方法，打破了教與學、理論和時間、課內與課外的界限，強調實驗者的主動性。通過計算機仿真，可以加深學生對儀器的思想、方法、結構和設計原理的理解，聯系實驗技能，鞏固知識，提高學生的興趣和實驗水平。4.2關鍵技術：仿真（2）數字孿生中仿真技術發展方向4.2關鍵技術：仿真

①網絡化仿真目前計算機仿真系統還存在一些問題，如開發時間長、成本高、不兼容、共享困難、可移植性差等問題。系統共享是計算機仿真系統開發中非常重要的，隨著網絡共享的實現，可以避免社會資源的重復開發，通過適當的收費來補充開發成本。

②虛擬制造技術虛擬制造技術是一種領先的制造技術，它是利用計算機仿真技術和虛擬現實技術，通過計算機實現對產品的管理和控制。（3）數字孿生中仿真技術發展趨勢

4.2關鍵技術：仿真面向對象的仿真建模分布式仿真建模智能仿真建?？梢暬?/p>

采用面向對象建?？梢猿浞痔峁┫到y的建模能力，更為重要的是面向對象建模仿真技術更容易讓人們掌握和使用，操作人員也能更好利用仿真技術為系統服務。

分布式仿真是通過計算機網絡將分散在世界各地的仿真設備鏈接起來，實現了時間和空間耦合的虛擬仿真環境。智能仿真可以及時修正和運維輔助模型，具有更好的人機交互界面，使得人與計算機的交流更加的人性化，從而實現仿真系統本身的優化能力。

可視化建?？梢愿又庇^的展示整個仿真的過程，有效地區分了仿真過程的真實性和正確性，結果簡單易懂。關鍵技術：虛擬現實技術4.3

數字孿生和虛擬現實技術（VirtualReality，VR）是當今科技領域備受矚目的兩個概念，隨著技術的發展和需求的不斷增加，在未來二者一定是不斷融合的走向，二者的融合將給未來帶來巨大的變革和機遇。4.3關鍵技術：虛擬現實技術4.3.1虛擬現實技術的概述1.虛擬現實技術概念

虛擬現實技術又稱為虛擬實境或靈境技術，它是20世紀發展起來的一項全新的實用技術。它的基本實現方式是以計算機技術為主，綜合三維圖形技術、多媒體技術、顯示技術、仿真技術、伺服技術等技術，運用計算機等設備產生逼真的三維視覺、觸覺、嗅覺等多種感官體驗的虛擬世界，從而使人們在虛擬世界中產生一種身臨其境的感覺。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

虛擬現實就是將虛擬和現實進行結合，從理論來講，虛擬技術也是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統。虛擬技術就是利用生活中的數據，利用計算機技術生產的電子信號，結合各種輸出設備將其轉化為能夠讓人們感受的現象，這些現象可以是現實中的真切的事物，也可以是肉眼看不到的物質，采用三位模型表示出來。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

2.虛擬現實技術的發展歷程4.3關鍵技術：虛擬現實技術1963—1972年（虛擬現實技術的初現階段）1963年以前（虛擬現實思想的萌芽階段）在1935年，美國科幻小說家斯坦利·溫鮑姆在他的小說中首次構想了以眼鏡為基礎、涉及視覺、觸覺、嗅覺等全方位沉浸式體驗的虛擬現實概念在1957—1962年，莫頓·海利希研究并發明了“全傳感仿真器”

在1968年美國計算機圖形學之父IvanSutherlan開發出了第一個計算機圖形驅動的頭盔顯示器HMD及頭部位置跟蹤系統，這是虛擬現實技術的雛形，也是虛擬現實技術重要的里程碑。

2.虛擬現實技術的發展歷程4.3關鍵技術：虛擬現實技術1990年至今（虛擬現實技術理論的完善和應用階段）1973—1989年（虛擬現實技術概念和理論產生的初期階段）M.W.Krueger設計了VIDEOPLACE系統，它能生產虛擬圖形環境，能使體驗者的圖像投影能實時的響應自己的活動。M.MGreevy領導完成的VIEW系統，它能實現體驗者穿戴數據手套和頭部跟蹤器，通過語言、手勢等進行交互，形成虛擬現實系統。VPL公司開發了第一套傳感手套“DataGloves”和第一套HMD“EyePhoncs”。1993年11月，宇航員通過VR系統訓練，從航天飛機運輸艙內取出望遠鏡面板。1994年，日本游戲公司Sega和任天堂分別推出SegaVR-1和VirtualBoy。2022年，加拿大造船公司Seaspan將3D沉浸式虛擬現實系統引入船舶設計。

3.虛擬現實技術的分類

（1）根據沉浸式體驗角度分類4.3關鍵技術：虛擬現實技術非交互式體驗用戶更為被動，所體驗內容均為提前規劃好的，允許用戶在一定程度上引導場景數據的調度，也仍沒有實質性交互行為，如場景漫游等，用戶幾乎全程無事可做。人---虛擬環境交互式體驗用戶可以用如數據手套，數字手術刀等的設備與虛擬環境進行交互，如駕駛戰斗機模擬器等，用戶可感知虛擬環境的變化

，進而也就能產生在相應現實世界中可能產生的各種感受。（2）根據系統功能角度分類4.3關鍵技術：虛擬現實技術規劃設計系統適用于新設施的實驗驗證，可大幅縮短研發時長，降低設計成本，提高設計效率，城市排水、社區規劃等領域均可使用，如VR模擬給排水系統。展示娛樂類系統適用于提供給用戶逼真的觀賞體驗，如數字博物館，大型3D交互式游戲，影視制作等，如VR技術早在70年代便被Disney用于拍攝特效電影。訓練演練類系統可應用于各種危險環境及一些難以獲得操作對象或實操成本極高的領域，如外科手術訓練、空間站維修訓練等。

（3）根據技術角度分類4.3關鍵技術：虛擬現實技術桌面式虛擬現實技術采用立體圖像技術在計算機的屏幕中生成三維立體控件的交互場景虛擬世界與用戶之間交互用到的主要設備有計算機、初級圖形工作站、投影儀、鍵盤、鼠標、力矩儀等。分布式虛擬現實技術虛擬現實技術與網絡技術相融合的產物通過計算機網絡將多用戶鏈接到同一個虛擬事件中，多個用戶可以在同一個虛擬世界進行觀察和操作。分布式虛擬現實技術主要用到的設備有圖像顯示器、通信和控制設計以及處理系統。4.3關鍵技術：虛擬現實技術沉浸式虛擬現實技術將用戶的視覺、聽覺、味覺、觸覺封閉起來提供一種完全沉浸式的體驗采用這種技術主要通過設備有頭盔式顯示器、洞穴式立體現實裝置、數據手套、空間位置跟蹤器等。增強式虛擬現實技術將真實世界的信息進行疊加到仿真模擬世界中用戶與虛擬世界交互過程中用到的主要設備有穿透式頭盔式顯示器、攝像儀、攝像頭、計算與存儲設備、移動設備等。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

4.虛擬現實技術的原理4.3關鍵技術：虛擬現實技術

5.虛擬現實技術的特征

（1）沉浸性

沉浸性特征是虛擬現實技術最主要的特征，是讓用戶成為并感受到自己是計算機系統所創造環境中的一部分，虛擬現實技術的沉浸性取決于用戶的感知系統，當使用者感知到虛擬世界的刺激時，包括觸覺、味覺、嗅覺、運動感知等，便會產生思維共鳴，造成心理沉浸，感覺如同進入真實世界。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

（2）交互性

交互性特征是指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度，使用者進入虛擬空間，對應的技術讓使用者跟環境產生相互作用，當使用者進行某種操作時，周圍的環境也會做出某種反應。如使用者接觸到虛擬空間中的物體，那么使用者手上應該能夠感受得到，若使用者對物體有所動作，物體的位置和狀態也應改變。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

（3）多感知性

多感知性特征表示為計算機技術應該擁有很多感知方式，比如聽覺，觸覺、嗅覺等，理想的虛擬現實技術應該具有一切人所具有的感知功能。由于相關技術，特別是傳感技術的限制，目前大多數虛擬現實技術所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、觸覺、運動等幾種。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

（4）構想性構想性的特征可以稱為想象性。使用者在虛擬空間中，可以與周圍物體進行互動，可以拓寬認知范圍，創造客觀世界不存在的場景或不可能發生的環境。使用者進入虛擬空間，根據自己的感覺與認知能力吸收知識，發散拓寬思維，創立新的概念和環境。（5）自主性自主性特征是指虛擬環境中物體依據物理定律動作的程度。如當受到力的推動時，物體會向力的方向移動或翻倒，或從桌面落到地面等。4.3關鍵技術：虛擬現實技術4.3.2虛擬現實系統的關鍵技術

1.動態環境建模技術

動態環境建模技術是虛擬環境的建立，是VR系統的核心內容，目的就是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要建立相應的虛擬環境模型。

2.實時三維圖形生成技術

實時三維圖形生成技術是指目前三維圖形的生成技術已經較為成熟，關鍵點在于“實時”生成。為保證實時，至少保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，好高于30幀/秒。3.立體顯示和傳感器技術

立體顯示和傳感器技術是虛擬現實交互能力的關鍵。虛擬現實的交互能力是依賴于立體顯示和傳感器技術的發展。4.應用系統開發工具

虛擬現實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，選擇適當的應用對象可以大幅度提高生產效率，減輕勞動強度，提高產品質量。

5.系統集成技術

由于VR系統中包括大量的感知信息和模型，因此系統集成技術起著至關重要的作用，集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別與合成技術等。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

4.3.3虛擬現實系統的輸入設備

虛擬現實系統的輸入設備是用來輸入用戶發出的動作，使得用戶可以操作一個虛擬境界。在與虛擬場景中進行交互時，大量的傳感器用來管理用戶的行為，同時也將場景中的物體狀態的信息反饋給用戶。4.3關鍵技術：虛擬現實技術三維位置跟蹤器是測量虛擬現實系統中三維對象位置和方向實時變化的一種硬件設備，是虛擬現實世界中一個比較關鍵的傳感器。它的目的就是檢測方位和位置，將這些數據報告給虛擬現實系統。在虛擬現實系統的多數輸入設備大都用到三維位置跟蹤器，目前虛擬現實系統的主要輸主要包括手柄類、可穿戴類、基于計算機視覺的動作感測設備等三種。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

1.手柄類輸入設備虛擬現實中多數頭盔主要采用手柄類設備，主要包括游戲手柄和動作感應的VR手柄兩大類。傳統的游戲手柄主要有按鈕、遙感、觸板等，這類攝入設備相對結構簡單，便于操作，到對手部關節的精細的動手無法精確的定位，容易動作失真。動作感應的VR手柄主要是通過慣性傳感系統加上光學追蹤系統或者磁場感應來實現動作的跟蹤，這類設備目前還存在感應范圍限制、感應精度不夠高等問題，還不能完美實現人機交互的自然互動。三星的GearVR控制器4.3關鍵技術：虛擬現實技術

2.可穿戴輸入設備可穿戴設備主要是指直接穿在身上，或是整合到用戶的衣服或配件的一種便攜式設備?？纱┐髟O備是通過軟件支持以及數據交互、云端交互來實現強大的功能。全身動作捕捉系統數據手套可穿戴VR設備4.3關鍵技術：虛擬現實技術

（1）數據手套數據手套是一種典型的VR可穿戴設備，是一種多模式的虛擬現實硬件，通過軟件編程，可進行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉等動作，也可以利用它的多模式性，用作一種控制場景漫游的工具。這類數據收到使用簡單，輸入數據量較小，進度較快，可以直接獲取手在空間的三維信息和手指的運用信息，可以識別多種手勢，實時進行識別，但也存在跟蹤范圍有限，缺乏反饋、操作容易疲勞等問題。

5DT數據手套4.3關鍵技術：虛擬現實技術（2）全身動作捕捉系統全身VR動作捕捉系統是一種可以對人體進行全身動作捕捉的技術。它可以通過傳感器、攝像頭、標記等設備對人體進行捕捉，然后將捕捉到的數據傳輸到計算機中進行處理，將人體的動作實時呈現在虛擬現實場景中。它的主要功能有動作捕捉、表情捕捉、動作數據精修等。它的應用范圍主要有影視、動畫、游戲、廣告、教育、VR/AR、人體工程學研究，模擬訓練，仿真和生物醫學等領域。全身VR動作捕捉4.3關鍵技術：虛擬現實技術攝像頭技術通過拍攝人體的動作來進行捕捉，主要應用于人體的大部位。標記技術將特定標記貼在人體上，再通過攝像頭來進行捕捉的技術，可以提高人體動作捕捉的精度和穩定性。傳感器技術通過測量人體的加速度、角速度、磁場等參數來捕捉人體的動作，主要應用于手部、腳部等較小的部位。全身VR動作捕捉系統的技術原理4.3關鍵技術：虛擬現實技術追蹤技術眼球追蹤技術

眼球追蹤主要是研究眼球運動信息的獲取、建模和模擬。當人的眼睛看向不同方向時，眼部會有細微的變化，這些變化會產生可以提取的特征，計算機可以通過圖像捕捉或掃描提取這些特征，從而實時追蹤眼睛的變化，預測用戶的狀態和需求，并進行響應，達到用眼睛控制設備的目的。頭部跟蹤

俗稱頭瞄，是指利用傳感器追蹤使用者頭部的運動，然后根據頭部的姿勢移動所顯示的內容，廣泛用于三維顯示中的虛擬視角控制。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

（3）基于計算機視覺的動作感測設備

基于計算機視覺的動作感測設備是運用外攝像頭、紅外線采集圖像，建立手勢模型，實現對用戶動作感測和捕捉的一種設備。手勢識別的硬件基礎是深度攝像頭，深度攝像頭主要采用結果光、雙目成像和飛行時間等三種技術方案。課后作業

查找每一個輸入設備，了解其特征、適用場景，采用何種技術。知識回顧

以下這幾種輸入設備分別應用于哪些場景？需要哪些技術來實現？VR控制器數據手套VR頭盔4.3關鍵技術：虛擬現實技術移動端VR頭盔VR一體機游戲主機VR頭盔PC端VR頭盔頭戴式顯示器以外接個人計算機為主的VR顯示體驗度好、算法復雜，主要涉及光學、仿真、傳感、人機交互等多種技術使用場景在室內，便攜型較差以游戲機為主的VR顯示頭盔具有獨立的VR屏幕只兼容特定的游戲機以智能手機為運行系統的顯示設備手機承擔了計算單元、內容輸出和顯示單元的功能未真正實現交互和沉浸感。將數據運算主體和顯示主體集成不需要外設的VR獨立平臺該設備對技術和廠商設計要求比較高4.3關鍵技術：虛擬現實技術頭戴式顯示器虛擬現實系統的輸出設備虛擬投影設備立體聲音箱4.3關鍵技術：虛擬現實技術

2.虛擬投影設備使用光場成像技術來展示沉浸效果的設備，是視覺表現的主要方式。視覺表現技術主要包括平面顯示技術和光場景成像技術。光場景成像技術還分為全息技術和視網膜投影技術。全息技術是利用干涉和衍射原理再現三維圖像技術。視網膜投影技術更加先進，不需要任何顯示屏，直接在視網膜上掃描使用戶感覺到一副逼真的外部圖像。4.3關鍵技術：虛擬現實技術3.立體聲音箱

虛擬現實平臺的聲音部分十分重要，因為聲音可以增強用戶體驗。虛擬現實平臺使用立體聲音箱（或插耳式耳機）來隔離外界噪音，提供更準確的聲音和更好的聽體驗。4.3關鍵技術：虛擬現實技術虛擬現實的軟件UI設計軟件VR操作系統中間件4.3.5虛擬現實系統的軟件與技術開發平臺

對人機交互、操作邏輯、界面美觀等方面進行整體優化的設計的一類軟件。常用的虛擬現實的UI設計軟件主要有Sketch、Unity3D、Photoshop、AE等。

VR操作系統管理VR硬件資源、軟件程序和VR應用程序的軟件，VR操作系統包括原生系統和開源系統。代表廠商主要有雷蛇、谷歌等。

中間件在軟件開發過程一種為作為內核和用戶體驗之間的軟件，另一種是添加服務、特性和功能，改進和簡化游戲開發的軟件。4.3關鍵技術：虛擬現實技術虛擬現實整合軟件開發語言類的工具和SDK虛擬現實引擎虛擬現實軟件開發工具包4.3關鍵技術：虛擬現實技術（1）虛擬現實整合軟件虛擬現實整合軟件主要包括Virtools、Quest3D、WebMax等。Virtools是一套整合軟件，可以將現有常用的檔案格式整合在一起，如3D的模型、2D圖形或是音效等。具備豐富的互動行為模塊的實時3D環境虛擬實境編輯軟件。可以讓沒有程序基礎的人員利用內置的行為模塊快速制作出許多3D產品，如網際網絡、計算機游戲、多媒體等。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

Quest3D是一個容易且有效的實時3D建構工具。比起其他的可視化的建構工具，如網頁、動畫、圖形編輯工具來說，Quest3D能在實時編輯環境中與對象互動。

WebMax具有獨特的壓縮技術、真實的畫面表現、豐富的互動功能，通過WebMax開發的三維網頁無需下載，只需輸入網址，即可直接在互聯網上瀏覽三維互動內容。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

（2）虛擬現實引擎

虛擬現實引擎是虛擬現實系統中的核心部分，負責控制管理整個系統中數據、外圍等資源，通常虛擬現實引擎用來封裝渲染、物理、聲效、輸入、網絡和人工智能。目前常見的虛擬現實引擎有Unity3D、Unreal、VR-Platform、Converse3D等。

Unity3D是一款跨平臺的游戲引擎，可以用來制作游戲、應用程序和虛擬實（VR）和增強現實（AR）體驗。它提供了一整套開發工具和引擎組件，包括渲染、物理

模擬、聲音、動畫、人工智能、網絡功能和用戶界面設計。

Unreal（UNREA