（北京理工大学软件学院，北京100081）
摘要：在信息时代，网络交流无论在深度还是在广度上都颠覆了传统意义上的交流，成为人们生活的重要组成部分，它不但满足了人们的内在需要，扩大了人们的社交范围，而且改变了人们的生活方式。计算机仿真技术作为一门专门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术，为促进网络社会的交流提供了较好的技术基础。本文通过对计算机仿真技术和网络虚拟交流平台的研究，对仿真技术在促进网络交流方面的技术突破点进行了详细的介绍。
关键词：仿真技术；网络交流；虚拟；关键突破
DOI：10.16083/j.cnki.-1296/G4.2015.02.066
中图分类号：O245文献标识码：A文章编号：1671—1580（2015）02—0151—02
本文受国家科技支撑计划项目（2012BAH38F01-05）资助。
收稿日期：2014—09—12
作者简介：张福泉（1975—），男，福建福州人。北京理工大学软件学院在读博士，闽江学院计算机科学系，副教授，研究方向：流媒体智能存取技术，智能化数字表演与仿真技术。
一、虚拟网络交流的重要平台及其发展趋势
随着网络技术的发展，人们的交流方式发生了巨大的变化，低效率的传统交流方式逐渐被网络交流方式所取代。网络交流以网络作为信息的载体，将互联网作为交流分享的平台，极大地提升了交流的即时性和效率。
当前，网络交流平台主要包括即时通信交流平台、信息互动平台、网络商品交易平台和在线交流平台。无论人们在哪一个平台进行网络交流，对交流过程的快速、真实、便利的追求都永无止境，这极大地推动了仿真技术等计算机网络技术的进一步发展，也为仿真技术的发展指明了方向。首先，虽然网络交流平台的种类越来越多，网络交流的方式越来越繁杂，但是，单一的网络交流平台无法满足人们的需要，未来网络交流平台不仅能实现“现实人”与“虚拟人”的交流，还将实现“现实人”、“虚拟人”以及“虚拟物”之间的交流。其次，网络交流平台毕竟都是虚拟环境下的交流，无法满足人们相互之间真实的精神情感交流的需要。随着计算机网络技术的发展，网络交流的可视化、智慧化以及无障碍交流必将成为新的发展趋势，追求虚拟现实世界成为计算机仿真技术的发展方向。
二、可视化仿真技术在虚拟网络交流中的技术突破
可视化仿真技术指的是将仿真中的数字信息变为直观的、以图形图像形式表示的、随时间和空间变化的仿真过程呈现的技术手段。可视化仿真技术是仿真领域的重要研究分支，包括了可视化算法、实时绘制、图像生成、多通道及多视点显示、人机交互、分布式与并行计算、软件工程学、效果评估等理论技术以及各行业相关的建模技术，等等。
（一）可视化仿真软件的智能化、自动化。随着网络交流的不断深化和发展，实体动态、智能视点选取成为可视化软件的发展潮流。1.实体动态生成。在仿真开始前先在想定仿真节点编制好态势变化的想定文件，在仿真过程中通过节点的仿真软件对想定文件进行动态解析，从而实现对不同仿真节点的动态匹配。实体动态生成技术的优点在于将网络交流的不同需求进行分散化建模，简化了仿真建模的复杂性。2.视点智能选取。Vega是可视化视点选取使用较为广泛的工具，带有静止、运动模式等多种视点方式，但是，Vega等工具的固定观看模式无法充分体现复杂系统仿真过程中各个实体、事件、环境、场景、系统的实时运动变化情况，要实现对虚拟环境的实时、动态的视点管理，就需要全局漫游、俯视以及智能眼视点等模式。
（二）可视化仿真建模的三维实体柔性技术。智能视点实现了对具有固定实体的动态实时仿真，对于没有固定形状，并且随着时间和过程不断变化的实体，例如云、风、烟雾弹等柔性体，则需要采用柔性仿真技术，通过对物体的运动特性、机理以及作用建立起这些柔性体特殊的动力学和运动学模型，进行可视化绘制，实现对柔性体的三维仿真。
（三）可视化仿真实时性和逼真度的技术实现。实时和逼真是虚拟网络交流追求的两个重点，在技术进步的基础上实现两者的最大突破成为可视化仿真技术不断进步的动力。在硬件方面，通过提升计算机运行芯片的计算性能和处理模式来实现快速绘制；在软件方面，借助网络技术以及网格技术的并行计算、分布式计算，可以逐步优化软件结构和代码，减少计算量，从而提升绘制速度。
（四）非视觉物理量的可视化技术。在现实社会中不仅存在看得见、摸得到的实体，还存在不可见的非视觉物理量
（例如磁场、温度场、水声场、电场等）
。要实现虚拟社会交流的真实性，非视觉物理量的可视化技术也是非常重要的突破。非视觉物理量可视化仿真的关键技术是三维数据场仿真，一般通过两个途径来实现：1.对三维数据生成的等值面进行绘制，这是基于面的可视化，主要方法有切片技术、几何变形曲面法以及网格划分法等。2.将三维数据投影到计算机，再通过体绘制技术进行绘制，这是基于投影的可视化。
三、虚拟现实技术在促进虚拟网络交流中的关键突破
虚拟现实（VR）技术通过虚拟的“现实人”体验来表达、获取信息，集合了多种计算机技术，例如人工智能、控制论、数据库、计算机图形学、实时计算技术、人机接口技术、电子传感技术、机器人、多媒体以及遥现技术，等等，是一种最有效模拟“现实人”在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。通过VR技术，创造出一个“现实人”可以与虚拟世界进行对话、虚拟世界对“现实人”的行为作出反应的人机交互环境，同时，表现出虚拟世界的自律、临场感，使得“现实人”具有身临其境的感觉，这也正是人们在进行虚拟网络社会交流时所极力追求的体验。
（一）VR的视觉表现技术。真实感以及图形图像实时绘制是实现VR视觉感知的重要手段之一，也是构造虚拟环境的核心，更高、更强的真实感和实时性不但保证了VR系统的沉浸感和交互性，而且也是VR视觉表现技术所追逐的重要目标。图形图像绘制是VR视觉表现的基础，一般可以分为：1.图形绘制技术，主要研究真实感光照计算、自然景物绘制以及纹理映射等；2.场景绘制技术，包括全光函数、光场计算、同心拼图、全景拼图等研究内容；3.图像与图像相结合的绘制技术，包括几何一致性以及光照一致性等方面的内容。
（二）VR的听觉表现技术。听觉是人类感知世界的重要信息来源，虚拟社会中的每一个发声体都是“现实人”感知虚拟社会信息的一个重要来源。事实上，我们在网络上感知的声音素材大部分都是数字化音频，由于不具有空间信息，无法体现虚拟社会听觉空间的真实感和立体感，而通过描述人的听觉系统对不同方位声音的不同频谱特性（头部相关传输函数：HRTF），例如双耳时间差、声级差等，可以建立起虚拟听觉空间（VAS），其中的声音定位技术是实现三维逼真音效的关键技术。
（三）VR的力/触觉表现技术。VR通过力/触觉设备对力/触觉信息（主要包括碰撞检测和碰撞响应）进行高效处理，在客户操作力/触觉设备时，碰撞检测算法对“现实人”与虚拟对象的碰撞情况进行检测，并在发生碰撞后运行碰撞响应策略。
（四）VR的嗅/味觉表现技术。在现实社会，人的嗅觉是由化学刺激产生的，而且气味间细微的差别都会引发不同人的不同反应，显然，要对虚拟社会的嗅/味觉进行高仿真，现在还存在一定的困难，这也将成为未来VR技术研究的重要方向，现阶段有许多科学家进行了有益的探索。例如：AmooreJ.E就曾想用基本的七种气味来进行合成，但真实度不高。
虽然仿真技术为促进虚拟网络交流进行了各种关键技术的突破，实现了虚拟社会的可视化和可交流，但离现实社会中人与人的真实交往还存在一定的差距，而且虚拟社会中“现实人”、“虚拟人”以及“虚拟物”的相互交流还存在一定的障碍，需要进行进一步的仿真技术研究才能更好地实现。
［
参考文献］
［1］穆雪.可视化交互性虚拟电梯的设计与实现［J］.黑龙江科技信息，2013（18）.
［2］王平，陈智刚，郭光全，孙玉振，李益强.基于Vega的爆炸毁伤视景仿真技术研究［J］.爆破器材，2013（4）.
［3］王涛.基于UDK的数字校园虚拟现实引擎关键技术的研究［J］.软件工程师，2014（4）.
关键词：虚拟仿真；实验室建设；采矿工程
中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2016）10-0141-03
东北大学采矿工程专业，根据学科发展需要及培养卓越性人才的需求，适应教育部开展部级虚拟仿真实验教学中心建设要求，从2010年开始建设部级虚拟仿真实验教学中心。
采矿工程专业的课程应用实践性强、紧密结合生产实际，教学大纲要求学生深刻理解采矿工艺、岩石力学等理论并能够联系实际解释实际工程施工过程中的岩土体失稳、破坏问题及其防护原理。野外考察和现场实例无疑是弥补这一缺陷的重要内容，但遗憾的是，由于受到现场条件、人力、物力和财力的限制，很难在教学中实际操作。现场和物理试验虽直观，但由于各学校实验室观测手段、经费等条件的限制，传统的教学内容已经不适应新形势对创新人才能力培养的要求，不能体现时代特色和新的教育观念，缺乏理论联系实际的有效方法。因此，需要对传统的教学内容进行改革，实现“教与学的互动、理论与实践的结合、能力与兴趣的共增”这一教学目标。
一、东北大学采矿工程部级虚拟仿真实验教学中心建设
随着数值计算方法、虚拟仿真技术与计算机技术的发展，这些方法和技术为采矿、岩土及其岩石力学实验提供新的辅助教学手段。利用现代计算力学新理论、新方法和计算机可视化技术，对岩石的变形与破裂过程进行数值仿真和试验，不仅可以达到采矿、岩土工程设计及岩石力学实验辅助教学的目的，而且可以突破传统现场工程实践周期长、危险性大以及岩石实验观测难、分析难、重复难等多种弊端，是采矿、岩土工程实验教学改革的一条新路。
数值试验和虚拟仿真技术注重于对一些由于经费、时间、难度等因素的制约而难以在实验室再现的现象进行虚拟显现，更强调运用数值实验的结果加深对未知现象的探索，具有通用性强、方便灵活、可重复性等特点。所以，针对采矿、岩土工程实践周期长、危险性大以及岩石实验观测难、分析难、重复难等多种弊端，通过建立虚拟仿真教学实验室开展实践教学，帮助学生深刻理解工程设计原理，掌握理论知识，提高学习兴趣和创新能力，理论联系实际，提高实验教学效果，对于产学研有机结合具有重要意义。东北大学采矿工程专业为解决采矿工艺优化设计、岩土力学实验、采矿围岩岩体失稳数值仿真模拟等大型复杂实验中物理实验设备昂贵、维护费用高以及采矿现场安全性差等缺点成立综合性虚拟仿真实验教学中心。
本虚拟仿真教学实验中心在发展的过程中遵循“物理实验与虚拟实验并重”、“科学研究指导教学实践”的实验教学理念。中心的建设主要依托于国家采矿工程重点学科、教育部金属矿山深部开采重点实验室、辽宁省岩土力学实验教学示范中心、东北大学―东北建筑设计院合办的辽宁省岩土工程研究中心、长江学者创新团队、招金集团东北大黄金学院。经过快速发展的4年，中心至2013年已形成了系统性的虚拟仿真实验教学平台，虚拟仿真成为教学的重要内容。2013年，建立东北大学-山东招金集团有限公司部级工程实践教育中心。2014年，中心所授课程《采矿学》获部级教学成果奖。2015年，东北大学采矿与岩土工程虚拟仿真实验教学中心获批省级虚拟仿真教学中心，为中心今后的发展提供了更好的契机。
二、东北大学采矿工程部级虚拟仿真实验教学中心实践
东北大学虚拟仿真教学实验中心主要承担采矿工程、资源勘查工程、测绘工程、安全工程、工程力学5个本科专业及其他相关专业的虚拟优化设计、数值仿真计算、数字矿山、地质测量、虚拟安全工程训练等实验、实训课程。此外，还服务于全校本科生各类创新竞赛和研究生的课题研究。中心目前设有4个实验室：矿山测量与数字矿山虚拟仿真实验室，采矿优化设计虚拟仿真实验室，岩石破裂过程与大规模并行计算数值实验室，安全环境及装备虚拟仿真实验室。
以上4个虚拟仿真实验室，开设各类虚拟仿真实验。中心面向全校相关专业承担课程实验教学、设计实践教学、工程训练实践教学。根据不同专业的教学需要，在虚拟仿真实验教学中实施了分类教学，对采矿、岩土、安全、资源勘查、测绘、力学专业学生开设基础型实验、设计型实验、综合型实验，部分同学选作创新型实验。另外，中心作为大学生课外科技创新设计与制作的主要支撑单位，为其提供设备仪器、场所和指导。
以下以采矿优化设计虚拟仿真实验室的露天矿境界与开采计划优化设计虚拟仿真实验，全面介绍本实验教学中心的教学实践过程。
关键词：虚拟仿真技术；计算机网络基础课程；应用
一、虚拟仿真技术的概述
虚拟仿真技术是将虚拟现实技术和系统仿真技术有机结合的一种新的实验研究技术，人类、战略性技术。借助该技术可认识和改造世界，因而它有望成为继数学推理、科学实验之后又一虚拟仿真技术以多媒体技术、虚拟现实技术、网络通信技术等信息技术为基础，构建一个与现实世界的物体和环境相同或相似的虚拟环境，如模拟器、仿真软件、数学模型、仿真实验等。其中虚拟仿真实验在我国高职院校的教学中广泛应用，已逐渐成为一种新的教学模式。
1.国内外虚拟仿真技术在教学中的应用
目前，国外虚拟仿真软件主要包括多功能电路模拟实验平台PSPICE、模拟和数字电路的TinaPro、用于电路描述和仿真的语言与仿真软件CircuitMaker、仿真单片机Proteus、Cisco路由器和自定义网络拓扑结构及连接的BosonNetSim。在我国，北京邮电大学的电子信息虚拟仿真实验教学中心有“开放式虚拟仿真实验教学管理平台”、PacketTrace软件、北京航天大学的分布式虚拟环境、GMDSS模拟训练实验室、导航雷达模拟训练中心等。
2.虚拟仿真技术应用于计算机基础课程的优势
通过实例操作演示非常抽象的概念，将抽象的网络概念具体化、形象化，为学生提供逼真生动的学习环境，加强老师与学生的互动，实现教与学双向互动，提高学生的学习热情和主动性。通过仿真实例的展示，为学生创造更多的实践机会，不仅可以激发学生的求知欲望，帮助学生充分吸收和掌握教学内容，更能激发他们的创造动机和创造性思维。
二、虚拟仿真技术在高职院校计算机网络基础课程的应用
1.虚拟仿真技术的应用，优化了网络课程实验教学环境
目前，很多高职院校计算机硬件设备与软件更新滞后，教师无法正常地开展实验教学，只能通过视频和文字等辅助资料来补充实际实验的不足。虚拟化技术可以有效解决上述问题，通过虚拟多种不同的计算机环境，学生可在一台计算机上完成服务器与终端机之间的切换，并能使用不同的操作系统与应用程序来开展网络实验。虚拟技术实现了改善高职计算机网络课程的实验教学中教学环境、提高教育教学实效的目标。
2.虚拟仿真技术的应用，更新了实验教学手段
高职教师们利用虚拟仿真技术实现了“一机多用”，有利于顺利开展计算机网络基础课程这一实践性较强的课程，学生可以通过精确地操作某些系统或者软件，了解其运行特征和过程，并以此进一步加深对理论知识的理解，近距离观察和分析实验现象。
3.虚拟仿真技术的应用，缓解了实训设备不足的难题
目前，在高职教育计算机网络课程的实训设备严重短缺，而虚拟仿真技术让虚拟实验室成为现实，尽管不能从根本上替代实际上的物理设备，但是学生可在虚拟机上做所有的操作实验，将理论与实践相结合，使学习更直观，教学更真实，既保证了教学质量，又促进了学生实践能力的培养。因此，虚拟仿真技术的应用，不仅解决了实验实训设备短缺的难题，又能更好地为高职教育培养更多的实用性人才助力。
三、结束语
综上所述，现阶段的高职院校计算机网络基础课程的教学中仍存在着一些问题，将虚拟仿真技术与真实实验相结合，可有效解决学校设备和场所短缺等问题，使学生通过虚拟仿真实验教学掌握网络技术，提高学生的实践能力和创新能力，提高学生的综合运用计算机网络知识解决分析实际问题的能力，为社会培养出高水平高素质的复合型网络工程专业人才。
参考文献：
