物理與虛擬空間的數(shù)字交互

若飴

全息教育效果圖

混合現(xiàn)實(shí)頭顯設(shè)備

在5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、元宇宙集成等高新技術(shù)的加持下，人類世界正在開啟物理與虛擬空間相互作用的大門，而混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)正是此扇大門鎖芯的鑰匙。2021年9月下旬，法國(guó)著名設(shè)備商 Lynx正式宣布，公司即將對(duì)正在研發(fā)的混合現(xiàn)實(shí)頭顯Lynx R-1進(jìn)行眾籌，價(jià)格為499美元起。Lynx R-1是一款多用途混合頭顯設(shè)備，它配備了高通公司的XR-2 VR/AR芯片，并搭載兩個(gè)定制款攝像頭用以識(shí)別真實(shí)空間，從而達(dá)到可以在“VR模式 ”和“AR模式 ”之間切換的目的，兩種模式的攝像頭會(huì)隨之切換。與此同時(shí)，虛擬信息則被疊加在現(xiàn)實(shí)世界中。一時(shí)間，MR（混合現(xiàn)實(shí)）技術(shù)成為科技新熱點(diǎn)。

在人類第一部探討虛擬現(xiàn)實(shí)的科幻小說《皮格馬利翁的眼鏡》中，主人公戴上一副特殊眼鏡后能看到、聽到、聞到甚至觸摸虛擬世界中的一切。這種奇妙的沉浸式體驗(yàn)在高新技術(shù)深度發(fā)展的當(dāng)下，一切都變得可能。

據(jù)2021年世界物理與虛擬產(chǎn)業(yè)大會(huì)發(fā)布的《虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書（2021）》，“2021年1月至9月，全球僅VR（Virtual Reality縮寫，即虛擬現(xiàn)實(shí)）產(chǎn)業(yè)累計(jì)投融資金額已經(jīng)高達(dá)207.09億美元，投融資事件數(shù)量和融資金額已經(jīng)超過以往歷年的總額”。另據(jù)由中國(guó)信息通信研究院、華為和京東方聯(lián)合發(fā)布的《虛擬（增強(qiáng)）現(xiàn)實(shí)白皮書》，“預(yù)計(jì)2020年至2024年5年期間，全球虛擬（增強(qiáng)）現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)規(guī)模年均增長(zhǎng)率約為54%。其中，VR增速約為45%;AR（Augmented Reality縮寫，即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）增速約為66%。2024年，兩者將合計(jì)達(dá)到4800億美元的產(chǎn)值”。再疊加MR（Mixed Reality縮寫，即混合現(xiàn)實(shí)）、XR（Extended Reality縮寫，即擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)）的快速發(fā)展，物理與虛擬空間的數(shù)字交互這一新興產(chǎn)業(yè)正在孕育上萬億美元的市場(chǎng)空間，或?qū)⒊蔀樾乱淮畔⒓夹g(shù)的戰(zhàn)略性行業(yè)。

在物理與虛擬空間的數(shù)字交互技術(shù)攪動(dòng)下，未來科技行業(yè)涉及的VR與AR已經(jīng)觸及各行各業(yè)：比如，教育培訓(xùn)行業(yè)中的全息影像;主題樂園游戲中的現(xiàn)實(shí)幻影;微軟Holoens的無人駕駛模擬體驗(yàn)。MR，還在醫(yī)療保健、房地產(chǎn)領(lǐng)域有了長(zhǎng)足的發(fā)展：比如，全球首例混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)引導(dǎo)下的脊柱畸形矯形手術(shù)在西安順利完成;歐洲已經(jīng)在房產(chǎn)中介領(lǐng)域全面推開運(yùn)用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供客戶網(wǎng)上全景式看房服務(wù)。XR（擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)）囊括了上述三項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)出物理與虛擬結(jié)合、可供人機(jī)交互的環(huán)境，最典型的案例就是央視2021年春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)上呈現(xiàn)的“云舞臺(tái)”。

細(xì)細(xì)看來，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，從政府層面（智慧城市、科普等），到企業(yè)層面（建筑業(yè)、房地產(chǎn)、會(huì)議會(huì)展等），再到消費(fèi)層面（教育、醫(yī)療、游戲娛樂等），都存在物理與虛擬空間的數(shù)字交互技術(shù)運(yùn)用前景。

實(shí)然，物理與虛擬空間的數(shù)字交互，嚴(yán)格意義上是一種綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)以及人工智能技術(shù)等，制造出逼真的人工模擬環(huán)境，并能有效地模擬人在自然環(huán)境中各種感知的人機(jī)交互技術(shù)。簡(jiǎn)言之，就是由計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)的模擬環(huán)境創(chuàng)造出的一種現(xiàn)實(shí)模擬、實(shí)時(shí)交互的沉浸式體驗(yàn)。

目前，廣泛被提及的虛擬與物理世界的作用原理有兩種。一種是將虛擬對(duì)象或者環(huán)境作用至現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，從而增強(qiáng)用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的感受;另一種則是將現(xiàn)實(shí)世界中的信息實(shí)時(shí)作用于虛擬環(huán)境中，從而提高虛擬環(huán)境的仿真性。這兩種原理就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的應(yīng)用基礎(chǔ)。

物理與虛擬結(jié)合的四種主流技術(shù)

以“超級(jí)英雄鋼鐵俠的頭盔面板”為例：在電影作品中，我們可以看到，鋼鐵俠通過頭盔面板預(yù)估周圍樓宇爆炸后造成的嚴(yán)重后果，這就是“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）”;也能夠看到，鋼鐵俠作出對(duì)應(yīng)救濟(jì)反應(yīng)后，周圍樓宇將會(huì)免遭毀壞，這便是“虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）”。

當(dāng)前處在研究和開發(fā)階段的物理與虛擬結(jié)合的主流技術(shù)有四種，即VR，AR，MR以及XR。上述四種技術(shù)存在共性，均在視覺、聽覺、觸覺等層面影響用戶，在物理世界、虛擬空間與用戶之間架設(shè)信息交互的橋梁與通道。四者的不同點(diǎn)在于信息交互的程度。仔細(xì)辨析，會(huì)發(fā)現(xiàn)四者存在階梯式的關(guān)系，即“虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)→混合現(xiàn)實(shí)→擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)”。

從交互的質(zhì)量以及目前科研成果來看，VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）與AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）技術(shù)在產(chǎn)品應(yīng)用方面已經(jīng)趨向成熟。根據(jù)全球著名信息技術(shù)服務(wù)提供商IDC市場(chǎng)研究公司在《全球VR∕AR市場(chǎng)季度跟蹤報(bào)告》中預(yù)計(jì)，“2021年全球VR∕AR頭顯出貨量將達(dá)到7670萬臺(tái)，復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)到81.5%”。而MR（混合現(xiàn)實(shí)）頭顯無疑集合VR與AR的優(yōu)勢(shì)，更加側(cè)重于物理與虛擬空間進(jìn)行數(shù)字交互的質(zhì)量，既包括輸入數(shù)字交互，也包括輸出數(shù)字交互。頭戴設(shè)備已經(jīng)成為混合現(xiàn)實(shí)深度應(yīng)用的主載體。因此，法國(guó)著名設(shè)備商 Lynx才會(huì)將新款MR（混合現(xiàn)實(shí)）頭顯作為下一個(gè)十年最重要的拳頭產(chǎn)品向公眾亮相?？梢姡琈R（混合現(xiàn)實(shí)）技術(shù)將成為未來數(shù)字交互領(lǐng)域攻堅(jiān)的突破口！

當(dāng)前數(shù)字交互正在經(jīng)歷從“由虛向?qū)崱钡健坝蓪?shí)至虛”再到“虛實(shí)結(jié)合”的發(fā)展路徑，即“VR盛行，AR崛起，MR融合，XR突破”。然而，不可否認(rèn)的是，除了頭顯設(shè)備這個(gè)重要路徑外，網(wǎng)絡(luò)游戲仍然是目前物理與虛擬空間的數(shù)字交互主戰(zhàn)場(chǎng)。全球游戲迷熱衷于把玩的“Pico neo3”“Qculus Quest2”“Half-Life：Alyx”等交互式游戲，就是集成運(yùn)用了VR與AR技術(shù)，通過頭顯設(shè)備，將用戶置身于場(chǎng)景化、情境式的游戲氛圍中，帶給他們身臨其境的沉浸體驗(yàn)。國(guó)外主流的游戲平臺(tái)也在積極拓展上述技術(shù)的深度應(yīng)用，從而滿足用戶在物理與虛擬空間的相互切換體驗(yàn)。

目前，物理與虛擬空間數(shù)字交互技術(shù)存在的最大問題就是“數(shù)字交互的質(zhì)量問題”。根據(jù)賽迪研究院發(fā)布的《虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書2021》顯示，“當(dāng)前VR，AR，MR等終端設(shè)備的佩戴舒適度和視覺舒適度還有待提高，數(shù)字交互的質(zhì)效也有待提升”。

不過，由于物理與虛擬空間的數(shù)字交互技術(shù)具備應(yīng)用空間大、產(chǎn)業(yè)潛力大、技術(shù)跨度大等特性，因此世界各國(guó)均把該技術(shù)作為未來十年發(fā)展的重點(diǎn)攻堅(jiān)項(xiàng)目。韓國(guó)政府提出，到2025年創(chuàng)造高達(dá)30萬億韓元的經(jīng)濟(jì)效益，并進(jìn)入全球5大擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）先導(dǎo)國(guó)家的行列。我國(guó)“十四五”規(guī)劃中，VR，AR，MR均被列為數(shù)字經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)發(fā)展的方向之一。

未來，沉浸式3D環(huán)境的數(shù)字化交互將在5G、人工智能、大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)支撐下，進(jìn)一步打破物理與虛擬環(huán)境的隔閡與界限，進(jìn)入人類全新的元宇宙時(shí)代，即通過數(shù)字化形態(tài)承載的與人類社會(huì)并行的平行宇宙。

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com