虛擬技術

虛擬技術

在電腦科學中,虛擬技術是一種通過組合或分區現有的電腦資源(CPU、記憶體、磁碟空間等),使得這些資源表現為一個或多個操作環境,從而提供優于原有資源配置的訪問方式的技術。虛擬化就是把物理資源轉變為邏輯上可以管理的資源,以打破物理結構之間的壁壘。未來,所有的資源都是透明的,虛擬世界運行在各種各樣的物理平台上,資源的管理都將按邏輯方式進行,完全實現資源的自動化分配,而虛擬化技術就是實現它的理想工具。虛擬化環境需要多種技術的協調配合:伺服器和作業系統的虛擬化、存儲虛擬化、以及系統管理、資源管理和軟體提交,與非虛擬化環境一致的套用環境。因為有了虛擬化,企業不再需要建立耗資巨大的資料中心就能夠實現異地備份。這對使用者來說極富吸引力。

  • 中文名稱
    虛擬技術
  • 虛擬技術
    在電腦圖形學、電腦仿真技術、人機接口技術、多媒體技術以及感測技術的基礎上發展起來的交虛擬技術亦真亦假虛擬技術叉學科
  • 虛擬現實
    通過電腦對復雜資料進行可視化操作與互動的一種全新方式,與傳統的人機介面以及流行的視窗操作相比,虛擬現實在技術思想上有了質的飛躍。

簡介

虛擬現實技術是在電腦圖形學電腦仿真技術、人機接口技術、多媒體技術以及感測技術的基礎上發展起來的虛擬技術交叉學科,對該技術的研究始于20世紀60年代。直到90年代初,虛擬現實技術才開始作為一門較完整的體系而受到人們極大的關註。虛擬現實是人們通過電腦對復雜資料進行可視化操作與互動的一種全新方式,與傳統的人機介面以及流行的視窗操作相比,虛擬現實在技術思想上有了質的飛躍。虛擬現實中的"現實"是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環境,它可以是實際上可實現的,也可以是實際上難以實現的或根本無法實現的。而"虛擬"是指用電腦生成的意思。因此,虛擬現實是指用電腦生成的一種特殊環境,人可以通過使用各種特殊裝置將自己"投射"到這個環境中,並操作、控製環境,實現特殊的目的,即人是這種環境的主宰。虛擬現實的本質是人與電腦的通信技術,它幾乎可以支持任何人類活動,適用于任何領域。

虛擬儀器

National Instruments-虛擬儀器創始人過去的三十多年裏,NI通過虛擬儀器技術為測試測量和自動化領域帶來了一 場革新:虛擬儀器技術把現成即用的商業技術與創新的軟硬體平台相集成,從而為嵌入式設計、工業控製以及測試和測量提供了一種獨特的解決方案。使用虛擬儀器技術,工程師們可以利用圖形化開發軟體方便高效地建立完全自定義的解決方案,以滿足靈活多變的需求趨勢--這完全不同于專門的、隻有固定功能的傳統儀器。如今,財富500強中85%的製造型企業已經選擇了虛擬儀器技術,大幅度減少了自動化測試設備(ATE)的尺寸,使工作效率提升了十倍之多,而成本卻隻有傳統儀器解決方案的一小部分。與此同時,虛擬儀器技術本身也在不斷發展和創新,由于建立在商業可用技術的基礎之上,使得正蓬勃發展著的新興技術也成為推動虛擬儀器技術發展的新動力。

亦真亦假亦真亦假

虛擬顯示

構建虛擬現實系統的目的是為了開發虛擬現實套用,所以任何一個完整的虛擬現實系統都需要有一套功能完

看著迷糊備的虛擬現實套用開發平台,一般包括兩個部分,一是硬體開發平台,即高性能圖像生成及處理系統,通常為高性能的圖形電腦或虛擬現實工作站;另一部分為軟體開發平台,即面向套用對象的虛擬現實套用軟體開發平台。這其中面向套用對象的虛擬現實套用軟體開發平台是最主要的,它在虛擬現實套用開發過程中承擔著三維圖形場景驅動的建立和套用功能的二次開發,是虛擬現實套用開發的高層API,同時也是連線VR外設、建立數學模型和套用資料庫的基礎平台,沒有它將無法開發出功能完善的虛擬現實應用程式。因此,開發平台部分是整個虛擬現實系統的核心部分,負責整個VR場景的開發、運算、生成,是整個虛擬現實系統最基本的物理平台,同時連線和協調整個系統的其它各個子系統的工作和運轉,與他們共同組成一個完整的虛擬現實系統。因此,虛擬現實系統開發平台部分在任何一個虛擬現實系統中都不可缺少,而且至關重要。虛擬現實顯示系統。虛擬三維投影顯示系統是整個虛擬現實系統中最重要的3D/VR圖形顯示輸出系統,其核心部分是立體版的高亮度投影機及相關組件,它將VR工作站生成的高解析度3D/VR場景以大幅立體投影的方式顯示出來,讓要互動的三維虛擬世界高度逼真地浮現于參與者的眼前,從而為VR使用者提供一個團體式參與,集體觀看,具有高度臨場感的投入型虛擬現實環境,並結合必要的虛擬外設(如資料手套、6自由度位置跟蹤系統或其他互動設備),參與者可從不同的角度和方位自由地進行互動、操縱,實現三維虛擬世界的即時互動和即時漫遊。在虛擬現實套用系統中,通常有多種顯示系統或設備,比如:大螢幕監視器、頭盔顯示器、立體顯示器和虛擬三維投影顯示系統,而虛擬三維投影顯示系統則是目前套用最為廣泛的系統,因為虛擬現實技術要求套用系統具備沉浸性,而在這些所有的顯示系統或設備中,虛擬三維投影顯示系統是最能滿足這項功能要求的系統,因此,該種系統也最受廣大專業仿真使用者的歡迎。虛擬三維投影顯示系統是現今國際上普遍採用的虛擬現實和視景仿真實現手段和方式,也是一種最典型、最實用、最高級別的投入型虛擬現實顯示系統。高度逼真的三維虛擬世界的高度臨場感和高度參與性最終使參與者真正實現與虛擬空間的信息交流與現實構想。非常適合于軍事模擬訓練、CAD/CAM(虛擬製造、虛擬裝配)、建築設計與城市規劃、虛擬生物醫學工程、科學可視化、教學演示等等諸多領域……虛擬現實互動系統,6自由度即時互動是虛擬現實技術最本質的特征和要求之一,也是虛擬現實技術的精髓,離開即時互動,虛擬現實套用將失去其存在的價值和意義,這也是虛擬現實技術與三維動畫和多媒體套用的最根本的區別。在虛擬現實互動套用中通常會借助于一些面向特定套用的特殊虛擬外設,它們主要是6自由度虛擬互動系統,比如:力或觸覺反饋系統、資料手套、位置跟蹤器或6自由度空間滑鼠、操縱桿等等。

虛擬技術虛擬技術

虛擬機

虛擬機技術是國際反病毒領域的前沿技術。這種技術更接近于人工分析,智慧型化極高,查毒的準確性也極高。首先我們描述一下一個病毒分析者的工作:當拿到一個樣本時,我們並不敢直接運行它,因為它可能是帶毒的,而且極可能是未知的,誰也無法查殺的新病毒。要分析它,我們必須做的是跟蹤它的執行,查看它是否有傳染模組,是否有破壞模組。如果一個樣本中有用于傳染的模組,我們就無可爭辯的認定它是病毒,如果它還有破壞模組,我們就會將它歸人惡性病毒。有些病毒是戲濾性的、學術性的,不會破壞系統。但,這也就如讓您穿了一雙泡水的鞋一樣,腳上不會有大問題,卻終歸是心裏不舒服的。這裏涉及到一個重要問題,判定樣本是否是病毒的重要問題:傳染性。我們可以想象,如果能讓程式判定一個"樣本"是否有傳染性,也就解決了反病毒領域中的一個重要難題"預警"。傳統的程式員分析病毒會使用DOS的DEBUG程式,如今更多的人選擇SOFT-ICE一類功能更強大的軟體。但終歸一點這類動態調試軟體的核心就是單步跟蹤執行被調程式的每一個語句。事實上,更為具體的做法可以是這樣:用程式代碼虛擬一個CPU來,同樣也虛擬CPU的各個暫存器,甚至將硬體連線埠也虛擬出來,用調試程式調人被調的"樣本",將每一個語句放到虛擬環境中執行,這樣我們就可以通過記憶體和暫存器以及連線埠的變化來了解程式的執行。這樣的一個虛擬環境就是一個虛擬機。未來的虛擬現實技術在系統底層級上是有借鏡于虛擬機技術的。既然虛擬中可以反映程式的任何動態,那麽,將病毒放到虛擬機中執行,則病毒的傳染動作一定會被反映出來。如果這樣,未知病毒的查出概率將是100%!如今個別反病毒軟體選擇了樣本代碼段的前幾K位元組虛擬執行,其查出概率已高達95%左右。虛擬機用來偵測已知病毒速度更為驚人,誤報率可降到一個千分點以下!這項技術在1997年被認為是國際反病毒領域的前沿技術,至今仍有許多人在研究和完善它。因為它的未來可能是一台用于Internet上的龐大的人工智慧化的反病毒機器人。當然,也是一個軟體機器人。

看著迷糊看著迷糊

CPU

CPU的虛擬化技術是一種硬體方案,支持虛擬技術的CPU帶有特別最佳化過的指令集來控製虛擬過程,通過這些指令集,VMM(VirtualMachineMonitor,虛擬機監視器)會很容易提高性能,相比軟體的虛擬實現方式會很大程度上提高性能。虛擬化技術可提供基于晶片的功能,借助兼容VMM軟體能夠改進純軟體解決方案。由于虛擬化硬體可提供全新的架構,支持作業系統直接在上面運行,從而無需進行二進位轉換,減少了相關的性能開銷,極大簡化了VMM設計,進而使VMM能夠按通用標準進行編寫,性能更加強大。另外,在純軟體VMM中,現缺少對64位客戶作業系統的支持,而隨著64位處理器的不斷普及,這一嚴重缺點也日益突出。而CPU的虛擬化技術除支持廣泛的傳統作業系統之外,還支持64位客戶作業系統。

虛擬誘惑虛擬誘惑

檔案

檔案虛擬化(FileVirtualization)是在檔案伺服器和訪問這些檔案伺服器的客戶機之間建立一個抽象層。一旦套用,檔案虛擬化層管理跨伺服器的檔案和檔案系統,允許管理員向客戶機提供一個所有伺服器的邏輯檔案掛接。這台伺服器繼續托管檔案資料和元資料。

雖然這種安排好想象不必要地增加了IT開銷,但是,檔案虛擬化提供了一些關鍵的優勢,包括一個全局命名空間用來給網路檔案伺服器上的檔案加索引。此外,這種虛擬檔案存儲整合允許檔案伺服器之間共享訪問存儲容量。檔案伺服器之間實施的資料遷移對于最終使用者和應用程式都是透明的。這在分層次的存儲基礎設施中是理想的。簡言之,檔案虛擬化允許企業訪問網路檔案伺服器上隔離的存儲容量並且在上面進行無縫的檔案遷移。

虛擬機虛擬機

檔案虛擬化可以部署為一台設備或者一台運行檔案虛擬化軟體的現成的伺服器。這種選擇基本上是根據成本以及有關的管理和破壞水準確定的。最常用的部署選擇是設備。這種設備有四種不同的架構:帶外、帶內、這兩者的結合和分離路徑(Split-Path)。

並為所有的檔案虛擬化部署從長遠看是成功的。有些機構也許會退回(復原)他們的部署。這對于檔案伺服器和網路附加存儲平台來說是一個破壞性非常大的過程。在極端的情況下,退回可能需要機構卸載資料、移除檔案虛擬化層,然後重新格式化和重新裝載全部資料。經銷商通常能夠幫助識別潛在的退回問題,提供減輕破壞的建議。使用者在一般部署之前通常要測試其退回的程式。

檔案虛擬化受到可伸縮性的限製。可伸縮性包括檔案系統、檔案、伺服器或者輸入/輸出性能。檔案虛擬化平台還必須要兼容當前的基礎設施。這樣,它就能夠與現有的存儲系統和交換機一起工作。要防止出現潛在的問題,檔案虛擬化平台應該經常進行適當的可伸縮性和兼容性測試。

桌面

桌面虛擬化可以生成現有作業系統的全新虛擬鏡像,它具有真實windows系統完全一樣的功能。進入虛擬系統後,所有操作都是在這個全新的獨立的虛擬系統裏面進行,可以獨立安裝運行軟體,儲存資料,擁有自己的獨立桌面。不會對真正的系統產生任何影響。也不會因為真正的系統出問題而影響在虛擬系統裏面軟體和資料。

國外的產品主要有MOJOPAC,它可以讓你的iPod、外置硬碟、U 盤,或者別的什麽奢華存儲硬體搖身變為一台"私人便攜 PC"的軟體。MojoPac可以把你的XP桌面、設定、賬號、甚至程式和習慣設定都塞進一個便攜存儲設備中,可以帶著你的各種私人資料和習慣設定去不同機器上自由工作,真正即插即設即用。

國內的產品主要是prayaya v3,可以實現在任何非windows系統分區包括移動存儲上安裝大量的應用程式,當你還在為每次使用其它電腦但沒有自己想用的軟體而苦惱的時候,V3已經解決你的問題!我們可以在裝有V3的移動存儲裏面裝上自己常用軟體,以後無論是你在公司還是在外面出差,隻要帶上裝有V3的隨身碟或者移動硬碟,就可以即插即用,並且所有的操作記錄全部保留在移動存儲上,不會在主機留下任何痕跡。

技術分類

主流虛擬技術,主流的x86虛擬機技術主要有這樣幾類:

硬體模式

虛擬硬體模型將電腦、存儲和網路硬體間建立了一個抽象的虛擬化平台,使得所有的硬體被統一到一個虛擬化層中。現今,此類虛擬機的典型產品有Vmware 的Workstation、GSX Server、ESX Server和Microsoft的Virtual PC、Virtual Server以及Parallels Workstation等。

虛擬硬體模式特點:虛擬了Intel x86平台,可以同時運行多個作業系統和應用程式。通過使用虛擬化層,提供了硬體級的虛擬,即虛擬機為運行于虛擬機的作業系統映像提供了一整套虛擬的Intel x86兼容硬體。這套虛擬硬體虛擬了真正伺服器所擁有的全部設備:主機板晶片、CPU、記憶體、SCSI和IDE磁碟設備、各種接口、顯示和其他輸入輸出設備。並且,每個虛擬機都可以被獨立的封裝到一個檔案中,可以實現虛擬機的靈活遷移。

操作模式

虛擬作業系統模型是基于虛擬機運行的主機作業系統建立了一個虛擬層,用來虛擬機主機的作業系統。在這個虛擬層之上,可以建立多個相互隔離的虛擬專用伺服器(Virtual Private Server, VPS)。這些VPS可以最大化的效率共享硬體、軟體許可證以及管理資源。對其使用者和應用程式來講,每一個VPS平台的運行和管理都與一台獨立主機完全相同,因為每一個VPS均可獨立進行重啓並擁有自己的root訪問許可權、使用者、IP地址、記憶體、過程、檔案、應用程式、系統函式館以及配置檔案。對于運行著多個應用程式和擁有實際資料的產品伺服器來說,虛擬作業系統的虛擬機可以降低成本消耗和提高系統效率。現今,swsoft的virtuozzo是這一領域的成熟產品。

虛擬技術虛擬技術

半虛擬技術

在不斷增加的虛擬化技術列表中,Xen是近來最引人註目的技術之一。Xen 是在劍橋大學作為一個研究項目被開發出來的,它已經在開源社區中得到了極大的推動。Xen 是一款半虛擬化(paravirtualizing)VMM(虛擬機監視器,Virtual Machine Monitor),這表示,為了調用系統管理程式,要有選擇地修改作業系統,然而卻不需要修改作業系統上運行的應用程式。Xen是一種特殊的虛擬硬體虛擬機,具有虛擬硬體虛擬機的大部分特徵,其最大的不同點在于,Xen需要修改作業系統核心

如今,Xen隻支持在Linux系統之上實現的Linux虛擬機。不過,其新的版本將支持Intel公司的硬體虛擬技術Intel-VT,這一個關鍵技術將可以用以解決Xen在虛擬化Windows系統方面的困難。

VMware仍然是虛擬技術領域的領袖,在產品的成熟度方面它比XenSource公司還是有著很明顯的優勢。但是很多的業內人士認為,由于開源的原因,Xen的實力將會越來越強。如今,開源領域的巨頭Red Hat公司以及Novell公司都已經開始將該技術整合進入它們于Red Hat Enterprise Linux 5系統以及Novell、SuSE Linux Enterprise Server 10系統。

弊端

成本高

兼容性差

可用性

缺乏可管理性

優勢

在虛擬架構中,使用者可以把資源看成是專屬于他們的,而管理員則可在企業範圍內管理和最佳化整個資源。VMware的虛擬架構可以通過增加效率、彈性和回響能力來降低企業的IT花費。管理一個虛擬架構可以讓IT部門更快的連線和管理資源,以滿足商業所需。其優勢主要包括以下幾個方面:

TCO 節省

提高服務水準

提高運營效率

套用

虛擬技術早在20世紀70年代便開始將其用于培訓宇航員。由于這是一種省錢、安全、有效的培訓方法,現今已被推廣到各行各業的培訓中。如今,虛擬現實已被推廣到不同領域中,得到廣泛套用。虛擬現實是使用者可以和一個由電腦產生的三維立體空間中的對象互動,除觀看外還可以在空間中隨使用者的意志自由操縱其中的對象,進而產生相當的融入感及參與感。

虛擬技術如今被運用到科技、商業、醫療、娛樂等多個領域中。美國波音747的研製就是套用虛擬技術的典型例子。

科技開發

比如在科技館中,利用虛擬現實技術,我們可以真實再現外星球星體表面的地況,演示其結構和運動過程;還可以深入到天體內部,把天體內部的情況通過模擬圖像展示出來,太陽內部的結構通過其他手段是很難展示的,但通過虛擬現實技術,卻可以逼真地表現出來。再比如在實驗教育中,隻有公眾親自動手進行探索與實踐,通過實踐培養創造性思維,傳播科學思想和科學方法才能更好的達到實驗教育的目的。以往由于科技館各種軟硬條件的限製下,這一點往往是最難實現或者代價最大的。而虛擬現實技術進行的虛擬實驗,不但能產生視覺效果,還能夠處理即時互動圖形,具有圖形以外的聲間和觸感。公眾通過立體頭盔、資料服和資料手套或三維滑鼠操作感測裝置,完全可以在虛擬世界充分感知信息,並做出選擇或相應的動作。而且在不同的實驗間切換,隻需輸入不同的處置方案即可。不需大量的置換外部元件。

商業

虛擬技術常被用于推銷。例如建築工程投標時,把設計的方案用虛擬現實技術表現出來,便可把業主帶入未來的建築物裏參觀,如門的高度、窗戶朝向、採光多少、屋內裝飾等,都可以感同身受。它同樣可用于旅遊景點以及功能眾多、用途多樣的商品推銷。因為用虛擬現實技術展現這類商品的魅力,比單用文字或圖片宣傳更加有吸引力。

醫療業

虛擬技術套用到醫療業一般有一下幾個方向。

1、手術培訓

未來的手術醫生在真正走向手術台前,需進行大量精細的訓練。而虛擬現實系統可提供理想的培訓平台,受訓醫生觀察高解析度三維人體圖像,並通過觸覺工作台摸擬觸覺,讓受訓者在切割組織時感受到器械的壓力,使手術者操作的感覺就像在真實的人體上手術一樣。既不會對病人造成生命危險,又可以重現高風險、低概率的手術病例,可供培訓對象反復練習。

2、手術預演

虛擬現實技術可用病人的實際資料產生虛擬圖像,在電腦中建立一個模擬環境,醫生借助虛擬環境中的信息進行手術預演,以合理、定量製的製定手術方案,對于選擇最佳手術路徑、減小手術損傷、減少對臨近組織損害、提高腫瘤定位精度、執行復雜外科手術和提達人術成功率等具有十分重要的意義。

3、臨床診斷

利用三維重構技術開發的純軟體醫學虛擬現實已經開發出許多虛擬內窺鏡的軟體,可以使醫生的視線在病人體內甚至毛細血管中自由航行。這種動態的現實顯示對臨床診斷具有無比珍貴的價值。

娛樂行業

娛樂行業是虛擬技術最廣闊的用途。英國出售的一種滑雪模擬器。使用者身穿滑雪服、腳踩滑雪板、手拄滑雪棍、頭上傳著頭盔顯示器,手腳上都裝著感測器。雖然在鬥室裏,隻要做著各種各樣的滑雪動作,便可通過頭盔式顯示器,看到堆滿皚皚白雪的高山、峽谷、懸崖陡壁,一一從身邊掠過,其情景就和在滑雪場裏進行真的滑雪所感覺的一樣。虛擬現實技術不僅創造出虛擬場景,而且還創造出虛擬主持人、虛擬歌星、虛擬演員。日本電視台推出的歌星DiKi,不僅歌聲迷人而且風採翩翩,引得無數歌迷紛紛傾倒,許多追星族欲親睹其芳容,迫使電視台隻好說明她不過是虛擬的歌星。美國迪斯尼公司還準備推出虛擬演員。這將使"演員"藝術青春常在、活力永存。明星片酬走向天價是導致使用虛擬演員的另一個原因。虛擬演員成為電影主角後,電影將成為軟體產業的一個分支。各軟體公司將開發數不勝數的虛擬演員軟體供人選購。固然,在幽默和人情味上,虛擬演員在很長一段時間內甚至永遠都無法同真演員相比,但它的確能成為優秀演員。不久前由電腦拍成的遊戲節目《古墓麗影》片中的女主角入選全球知名人物,預示著虛擬演員時代即將來臨。

城市規劃

城市規劃一直是對全新的可視化技術需求最為迫切的領域之一,虛擬現實技術可以廣泛的套用在城市規劃的各個方面,並帶來切實且可觀的利益:展現規劃方案虛擬現實系統的沉浸感和互動性不但能夠給使用者帶來強烈、逼真的感官沖擊,獲得身臨其境的體驗,還可以通過其資料接口在即時的虛擬環境中隨時獲取項目的資料資料,方便大型復雜工程項目的規劃、設計、投標、報批、管理,有利于設計與管理人員對各種規劃設計方案進行輔助設計與方案評審。規避設計風險虛擬現實所建立的虛擬環境是由基于真實資料建立的數位模型組合而成,嚴格遵循工程項目設計的標準和要求建立逼真的三維場景,對規劃項目進行真實的"再現"。

教育領域

隨著虛擬技術的發展和教育教學要求手段的不斷提高,虛擬技術也開始走入教育領域,並且將成為未來的一種發展趨勢。例如現今一些網路公司已經開發出"防災減災網上模擬體驗館",利用遊戲的方式讓使用者(玩家)在歡樂之餘學習防災減災的知識,該網上體驗館設定了"觸電後如何自救?""地震來臨如何自救、逃生?"等問題,提高了安全教育的效果。未來虛擬技術將更深入、更全面的走進教育領域。使人們在虛擬的現實狀況中學會生存、發展的技能。虛擬技術也將利用逼真的效果來虛擬教育場景中的方方面面,使教育更加直觀,效果更好。

防災減災網上模擬體驗館防災減災網上模擬體驗館

軍事領域

如今美國、俄羅斯等國家已經在利用虛擬的網路遊戲來練兵,這使得新兵能夠在日常遊戲訓練中接觸到模擬的真實場景,使得新兵能夠迅速掌握新式武器,隨著軍事技術的提高,虛擬技術將在軍事領域發揮更大的作用。

據美國媒體報道,美軍從"紅色風暴娛樂"、"互動魔力"和"時間線"等著名電腦遊戲公司聘請了大批業內專家和達人,專為陸軍和政府有關部門開發用于人員培訓的電腦遊戲,並套用于軍事訓練。

自《美國陸軍》遊戲推出後,美國防部對第一個數位化師第4機步師的新兵培訓情況進行了調查。結果約40%的新兵僅用兩個月時間就熟練掌握了復雜的數位化主戰裝備。當問及原因時,新兵們回答:操作這些武器裝備跟他們入伍前玩的遊戲差不多。

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