计科0807章浪-计算机仿真技术

计算机仿真技术1.引言作为信息技术核心的计算机技术自其诞生之日起经历了50多年的发展，以广泛应用于国民经济和社会生活中。

而作为计算机技术重要组成部分的计算机三维视景仿真技术，因其有效性、经济性、安全性、直观性等特点而受到广泛的应用。

它是在计算机图形学基础上发展起来的一种仿真应用技术。

据最新统计资料表明，计算机仿真技术是当前应用最广泛的实用技术之一，虚拟现实(VR, Virtual Reality)是计算机世界最热门的一个词汇。

视景仿真技术是计算机仿真技术的重要分支，是计算机技术、图形图像处理与生成技术、多媒体技术、信息合成技术、显示技术等诸多高新技术的综合运用。

2.计算机仿真概述计算机仿真又称计算机模拟或计算机实验。

所谓计算机仿真就是建立系统模型的仿真模型进而在电子计算机上对该仿真模型进行模拟实验(仿真实验)研究的过程。

计算机仿真方法即以计算机仿真为手段，通过仿真模型模拟实际系统的运动来认识其规律的一种研究方法。

计算机仿真方法的产生是与电子计算机技术的发明和应用紧密相联的。

上世纪70年代以来，随着数字计算机运算速度的大大提高以及相应的仿真软件的不断完善，数字计算机仿真得到很快发展，其应用范围也由各种工程领域扩展到非工程领域。

进人上世纪90年代，计算机仿真技术又朝向智能化仿真(仿真技术与人工智能相结合)、分布式并行处理仿真、仿真支持系统等方向发展。

目前，无论在科学研究还是技术开发和工业设计中，计算机仿真技术者唤示出强大的威力，已成为人们研究复杂系统时不可缺少的一种手段，其成效十分显著。

然而，无论是什么样的仿真，都是以系统数学建模为基础，在一定假设条件下进行的信息处理过程，进而在仿真基础上进行实验研究。

3.仿真的发展进人20世纪90年代，计算机技术的各个方面都取得了异乎寻常的进展。

微处理器性能的增长使得利用微型计算机和工作站进行复杂系统的仿真分析成为可能，当然像中长期天气预报这样模型复杂、数据繁多、实时性要求高的问题的计算仍离不开巨型机。

在软件设计中广泛采用了面向对象的思想和方法，再加上计算机图形技术的进步，仿真过程中的人机交互越来越方便直观。

根据国际标准化组织(ISO)标准中得《数据处理词汇》部分的名次解释，“模拟”（Simulation）与“仿真”（Emulation）两词含义分别为：“模拟”即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一系统来表示它们的过程。

“仿真”即用另一数据处理系统,主要是用硬件来全部或部分地模仿某一处理系统，以至于模仿的系统能象被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。

目前“模拟”和“仿真”两者所包含的内容都归于“仿真”的范畴，用“Simulation”来代表。

仿真又称蒙特卡罗方法，它是一种通过用随机数做实验来求解随机问题的技术。

蒙特卡罗（Monte Carlo）方法，又称随机抽样或统计试验方法，属于计算数学的一个分支，它是在本世纪四十年代中期为了适应当时原子能事业的发展而发展起来的。

蒙特卡罗方法的基本思想是：当所要求解的问题是某种事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，它们可以通过某种“试验”的方法，得到这种事件出现的频率，或者这个随机变数的平均值，并用它们作为问题的解。

蒙特卡罗方法通过抓住事物运动的几何数量和几何特征，利用数学方法来加以模拟，即进行一种数字模拟实验。

它是以一个概率模型为基础，按照这个模型所描绘的过程，通过模拟实验的结果，作为问题的近似解。

可以把蒙特卡罗解题归结为三个主要步骤：构造或描述概率过程；实现从已知概率分布抽样；建立各种估计量。

蒙特卡罗方法起源于1876年，但是直到75年后才被命名，原因是直到数字计算机出现之前，这种方法在许多重要问题上都不能加以利用，从1946年到1952年，数字计算机在一些科研机构得到发展，使得冗长的计算成为可能，这种计算正是蒙特卡罗方法所要求的。

4.仿真技术的分类系统仿真仿真界的专家和学者对仿真下过不少定义，综合国内外仿真学界对系统仿真的定义，可做如下定义：系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而作出决策的一门综合性的和试验性的学科。

要进行仿真试验，系统和系统模型是两个主要因素，同时由于复杂系统的模型处理和模型求解离不开高性能的信息处理装置，计算机就责无旁贷地充当了这一角色，所以，系统仿真实质上应包括三个基本要素：系统、系统模型和计算机，基本活动则包括：模型建立、仿真模型建立和仿真实验。

物理仿真：按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验研究。

直观形象，逼真度高，但代价高，周期长。

在没有计算机以前，仿真都是利用实物或者它的模型来进行研究的。

半物理仿真：即物理数学仿真，一部分以数学模型描述，并把它仿真计算模型，一部分以实物方式引入仿真回路。

针对存在建立数学模型困难的子系统的情况，必须使用此类仿真，如航空航天、武器系统等研究领域。

数字仿真（计算机仿真）：首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化为仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到对系统运行的目的。

现代计算机仿真由仿真系统的软件/硬件环境，动画与图形显示、输入/输出等设备组成。

5. 虚拟现实与计算机仿真、视景仿真的关系VR虽是多学科的综合体，但它是以仿真技术为核心的，所以也可以把它看作一种类型的仿真系统，在仿真中VR可以看作三维仿真模型的高级界面。

仿真的目的是决策问题，决策分为宏观决策和微观决策，目前的VR系统的应用属于微观决策一类，虽然有些VR系统规模很大，但涉及的却都是局部决策。

（1）视景仿真是计算机仿真的重要分支，它着重于达到非常逼真的三维仿真效果；（2）视景仿真是VR的重要表现形式，使用了很多的VR技术，VR在某种意义上是视景仿真的延伸，是三维视景的高级阶段；（3）视景仿真目前更侧重于视觉和听觉的身临其境，VR向全方位的身临其境发展，有触觉、嗅觉等其它感官。

VR是更先进的计算机接口技术。

在仿真与VR之间的关系需要进一步研究，尽管同行之间看法不完全一致，这是各学科综合交叉的结果，但经过深入科学研究之后就会逐步统一起来，目前首要的任务是把先进技术利用到实际中去。

6. 仿真动画仿真动画是仿真技术和动画技术相结合，利用动画把仿真过程描述的更直观更形象。

是最为直接地表现模型行为的图形技术方法。

动画技术应用于仿真有两种方式：--非实时仿真动画：即后处理动画输出，先运行仿真程序，并存储仿真数据，结束后作为动画的驱动数据，不具备动画与仿真的交互能力（分离的），广泛应用于仿真不需要交互和处理的领域，如建筑设计、城市规划、影视制作等。

这时可以把模型做得更逼真一些。

-- 实时仿真动画：即与仿真同步的实时动画，成为实时仿真动画。

主要侧重仿真过程和结果的实时表现和交互，而把仿真动画的逼真性放在次要位置。

广泛应用于要求仿真实时处理和交互的领域，如航空航天、测绘、建筑、化学分子建模、军事训练等领域。

视景仿真视景仿真是仿真动画的高级阶段，也是虚拟现实技术的最重要的表现形式，它是使用户产生身临其境感觉的交互式仿真环境，实现了用户与该环境直接进行自然交互。

视景仿真采用计算机图形图像技术，根据的仿真的目的，构造仿真对象的三维模型或再现真实的环境，达到非常逼真的仿真效果。

视景仿真是计算机技术、图形处理与图像生成技术、立体影像和音响技术、信息合成技术、显示技术等高新技术的综合运用。

成为仿真系统软件的一个主要组成部分，是虚拟现实技术、分布式交互仿真技术主要的内容之一。

一个视景仿真系统由三部分组成：视景数据库、图像生成器和显示系统。

视景数据库包括几何定义数据、仿真环境需要的色彩和纹理；图像生成器绘制的内容是仿真器从视点定义的，这些数据存储在视景数据库中；显示系统可以是投影仪、CRT（阴极射线管）显示器或者头盔显示器。

应用于城市规划仿真、大型工程漫游、名胜古迹虚拟旅游、虚拟现实房产推销、作战训练和武器研制等领域。

目前视景仿真在军事领域应用，各国处于竞争状态。

美军是世界上运用计算机技术进行模拟训练最早的军队。

美军认为，运用计算机进行模拟训练，是一种可以最大限度贴近实战的训练方式。

据美军统计，从未参加过实战的飞行员，在首次执行任务时生存的概率只有60%，经过计算机模拟对抗训练后，生存的概率可以提高到90%。

1995年北约部队对波黑塞军进行大规模空中打击前，美国就利用计算机技术将高分辨率卫星图像与波黑战场数字地图结合生成逼真的战场模拟环境，让飞行员在这个模拟环境中实时演练，大大提高了空袭的成功率。

早在20世纪80年代初，美军就开始将计算机模拟技术引入训练领域。

进入90年代后，为了全面推广计算机模拟训练，美军成立了专门负责研制、开发、管理模拟训练系统(器材)以及支持美军模拟训练的执行部门———美军国家模拟中心，从而推动了计算机模拟训练的广泛开展，引发了美军训练观念、训练理论、训练手段、训练方式以及训练内容等一系列深刻变革。

美军于20世纪80年代提出了“分布式模拟”的模拟化训练新概念，其实质就是将分散于不同地点、相互独立的模拟系统或模拟器用计算机网络联接起来，组成高度一体化的模拟网络系统。

在这个模拟网络系统中，所有网内受训单位或个人既可单独进行模拟训练，又可与其他单位或个人配合进行一体化的协同模拟训练。

2002年7月美军举行的“千年挑战2002”演习中，美军就启用了这两套网络模拟系统，分散在全美26个指挥中心和训练基地的各军兵种指挥人员，在同一战争背景、同一战场态势、同一作战想定下同时同步进行了组织指挥大规模联合作战的模拟演练。

2003年1月18日，在伊拉克战争前，日本陆上自卫队北部方面队和驻日美国陆军在日本北海道东千岁驻地开始举行日美陆军联合指挥演习。

这是日美陆军使用电脑进行的一次模拟演习，日本自卫队约４５００人和美国陆军约１５００人参加演习。

演习持续到２月１日。

这次演习是在假想日本北海道周边发生事态的情况下举行的，综合演习应用卫星地图和电脑进行仿真模拟作战，目的是检查日美两军在实施联合作战时指挥系统和情报传送等效果，从而提高作战指挥能力。

从１９８１年以来，日美两国每年交互举行两次这种演习。

7.结束语综上所述，不难看出计算机仿真新技术发展的突飞猛进所表现的优越性及潜在效益。

尤其近年来在仿真方法研究、仿真技术研究、系统仿真应用等方面都取得了显著的成就。

因此，计算机仿真技术在国防建设和国民经济建设中将发挥越来越重要的作用。

参考文献：吕雁．计算机仿真与建模技术综述[J]．电子科技，2001(11)刘丽，贾荣珍，王行仁等．建模与仿真、VV&A、T＆E三者的关系[J]．系统仿真学报。