计算机仿真技术介绍
一、视景仿真及其相关技术的概念1前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计算机图形学人认识自然首先是靠眼睛观察事物的外表形象，人脑擅长形象思维，而计算机擅长逻辑思维。例子：孩子认识妈妈和学会
1+1=2。让计算机观察、认识表达物体是比较困难的。计算机图形学是研究怎样用数字计算机生成、处理和显示图形的一门学科，它的发展、成长、普及滞后
于计算机发展很多年。但目前随着硬件(光栅扫描式显示器)和图形软件(如cad、3dmax等)的发展，使得计算机图形学进入了发展的广阔天地。计算机图形学的
任务：是用计算机从无到有生成景物的数字模型，并将它显示在计算机屏幕上，或者绘制成纸张和胶片上的图形。它所研究的主要对象是：景物的几何建模方法，数字模型的绘制技术，图形输入和控制的人机交互界面，以及计算机动画。3计算机图形学的应用计算机图形学的应用可以说无处不在，计算机动画和科
学计算可视化成为计算机图形学最为成功的两大应用领域。(1)科学计算可视化计算机的飞速发展，使得科学家与工程师们可以处理滚滚而来的信息洪流，每
天从地面、海上、空间传来大量数据，远远超过人脑分析解释这些数据的能力，由于缺乏对大量数据的有效分析手段，大约95%的信息被浪费掉，严重阻碍了
科学研究的进展，科学家们惊呼"我们能够做到的仅仅是收集部分数据。"，这样，一门全新的技术"可视化"(visualization)应运而生。可视化的本质是"用
图形与图象表征数据"。直观地讲，是研究：如何把科学数据，无论是通过计算还是从测量获得的数值，或是从卫星传回来的图象，或是医学CT(计算机层面X 射线照相)和MRI(核磁共振成像)转换成可视的、能帮助科学家理解的信息的计
算方法。简而言之，科学计算可视化是把计算机图形学与图象处理技术应用于
计算科学的学科。它研究两方面的内容：(a)如何把科学数据-数值与图像，转
变成可视的图形(图象)与可理解的信息的工具。(b)研究把可视化工具应用于科学和工程的各个学科。
天气数据可视化(2)计算机动画在计算机引入动画制作的初期，动画技术只是用于自动控制动画制作的机械设备，如摄像机和动画控制台。随着计算机图
形图象处理技术的迅速发展，计算机在动画制作中的应用范围越来越广，目前
应用分两类：计算机辅助动画(即二维动画)和计算机生成动画(即三维动画)。
三维动画其三维数据在计算机内部生成，其运动轨迹也是在计算机内部以三维
数据确定。动画技术作为一种表达第四维信息的技术，不仅可以用来表达时间
的变化，也可以用于表示其它参数的变化。计算机图形学中的三维图形知识应
用在可视化技术中，使得人们能够利用计算机在三维图形世界中直接对具有形
体的信息进行操作，并和它们直接交流，可视化技术赋予人们对物体进行仿真
并且实时交互的能力。把人和机器以一种直观自然的方式加以统一，可以在三
维图形世界里以前所未有的手段获取信息并发挥自己思维得创造性。如设计三
维机械零件模型。三维图形应用于动画技术，生成三维动画，可以使得设计师
随心所欲发挥自己得想象力。如设计高难度的影视片断和广告，电影《泰坦尼
克号》、《侏罗纪公园》、《终结者II》等精彩得电影镜头就是计算机动画和
实景无缝结合的产物。
侏罗纪公园4、仿真的发展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。5、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。如图：
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。6计算机仿真由分类表可见，计算机仿真已成为系统仿
真的一个重要分支，系统仿真很大程度上指的就是计算机仿真。计算机仿真技
术的发展与控制工程、系统工程及计算机工程的发展有着密切的联系。一方面，控制工程、系统工程的发展，促进了仿真技术的广泛应用；另一方面，计算机
的出现以及计算机技术的发展，又为仿真技术的发展提供了强大的支撑。计算
机仿真一直作为一种必不可少的工具，在减少损失、节约经费开支、缩短开发
周期、提高产品质量等方面发挥着重要的作用。从上面分析可以得出计算机仿
