物理与虚拟空间的数字交互

若饴

全息教育效果图

混合现实头显设备

在5G、大数据、人工智能、元宇宙集成等高新技术的加持下，人类世界正在开启物理与虚拟空间相互作用的大门，而混合现实技术正是此扇大门锁芯的钥匙。2021年9月下旬，法国著名设备商 Lynx正式宣布，公司即将对正在研发的混合现实头显Lynx R-1进行众筹，价格为499美元起。Lynx R-1是一款多用途混合头显设备，它配备了高通公司的XR-2 VR/AR芯片，并搭载两个定制款摄像头用以识别真实空间，从而达到可以在“VR模式 ”和“AR模式 ”之间切换的目的，两种模式的摄像头会随之切换。与此同时，虚拟信息则被叠加在现实世界中。一时间，MR（混合现实）技术成为科技新热点。

在人类第一部探讨虚拟现实的科幻小说《皮格马利翁的眼镜》中，主人公戴上一副特殊眼镜后能看到、听到、闻到甚至触摸虚拟世界中的一切。这种奇妙的沉浸式体验在高新技术深度发展的当下，一切都变得可能。

据2021年世界物理与虚拟产业大会发布的《虚拟现实产业发展白皮书（2021）》，“2021年1月至9月，全球仅VR（Virtual Reality缩写，即虚拟现实）产业累计投融资金额已经高达207.09亿美元，投融资事件数量和融资金额已经超过以往历年的总额”。另据由中国信息通信研究院、华为和京东方联合发布的《虚拟（增强）现实白皮书》，“预计2020年至2024年5年期间，全球虚拟（增强）现实产业规模年均增长率约为54%。其中，VR增速约为45%;AR（Augmented Reality缩写，即增强现实）增速约为66%。2024年，两者将合计达到4800亿美元的产值”。再叠加MR（Mixed Reality缩写，即混合现实）、XR（Extended Reality缩写，即扩展现实）的快速发展，物理与虚拟空间的数字交互这一新兴产业正在孕育上万亿美元的市场空间，或将成为新一代信息技术的战略性行业。

在物理与虚拟空间的数字交互技术搅动下，未来科技行业涉及的VR与AR已经触及各行各业：比如，教育培训行业中的全息影像;主题乐园游戏中的现实幻影;微软Holoens的无人驾驶模拟体验。MR，还在医疗保健、房地产领域有了长足的发展：比如，全球首例混合现实技术引导下的脊柱畸形矫形手术在西安顺利完成;欧洲已经在房产中介领域全面推开运用混合现实技术提供客户网上全景式看房服务。XR（扩展现实）囊括了上述三项技术的优点，展现出物理与虚拟结合、可供人机交互的环境，最典型的案例就是央视2021年春节联欢晚会上呈现的“云舞台”。

细细看来，我们会发现，从政府层面（智慧城市、科普等），到企业层面（建筑业、房地产、会议会展等），再到消费层面（教育、医疗、游戏娱乐等），都存在物理与虚拟空间的数字交互技术运用前景。

实然，物理与虚拟空间的数字交互，严格意义上是一种综合应用计算机图形学、人机接口技术、传感器技术以及人工智能技术等，制造出逼真的人工模拟环境，并能有效地模拟人在自然环境中各种感知的人机交互技术。简言之，就是由计算机软件开发的模拟环境创造出的一种现实模拟、实时交互的沉浸式体验。

目前，广泛被提及的虚拟与物理世界的作用原理有两种。一种是将虚拟对象或者环境作用至现实环境中，从而增强用户对现实世界的感受;另一种则是将现实世界中的信息实时作用于虚拟环境中，从而提高虚拟环境的仿真性。这两种原理就是增强现实（AR）与虚拟现实（VR）的应用基础。

物理與虚拟结合的四种主流技术

以“超级英雄钢铁侠的头盔面板”为例：在电影作品中，我们可以看到，钢铁侠通过头盔面板预估周围楼宇爆炸后造成的严重后果，这就是“增强现实（AR）”;也能够看到，钢铁侠作出对应救济反应后，周围楼宇将会免遭毁坏，这便是“虚拟现实（VR）”。

当前处在研究和开发阶段的物理与虚拟结合的主流技术有四种，即VR，AR，MR以及XR。上述四种技术存在共性，均在视觉、听觉、触觉等层面影响用户，在物理世界、虚拟空间与用户之间架设信息交互的桥梁与通道。四者的不同点在于信息交互的程度。仔细辨析，会发现四者存在阶梯式的关系，即“虚拟现实与增强现实→混合现实→扩展现实”。

从交互的质量以及目前科研成果来看，VR（虚拟现实）与AR（增强现实）技术在产品应用方面已经趋向成熟。根据全球著名信息技术服务提供商IDC市场研究公司在《全球VR∕AR市场季度跟踪报告》中预计，“2021年全球VR∕AR头显出货量将达到7670万台，复合年增长率达到81.5%”。而MR（混合现实）头显无疑集合VR与AR的优势，更加侧重于物理与虚拟空间进行数字交互的质量，既包括输入数字交互，也包括输出数字交互。头戴设备已经成为混合现实深度应用的主载体。因此，法国著名设备商 Lynx才会将新款MR（混合现实）头显作为下一个十年最重要的拳头产品向公众亮相。可见，MR（混合现实）技术将成为未来数字交互领域攻坚的突破口！

当前数字交互正在经历从“由虚向实”到“由实至虚”再到“虚实结合”的发展路径，即“VR盛行，AR崛起，MR融合，XR突破”。然而，不可否认的是，除了头显设备这个重要路径外，网络游戏仍然是目前物理与虚拟空间的数字交互主战场。全球游戏迷热衷于把玩的“Pico neo3”“Qculus Quest2”“Half-Life：Alyx”等交互式游戏，就是集成运用了VR与AR技术，通过头显设备，将用户置身于场景化、情境式的游戏氛围中，带给他们身临其境的沉浸体验。国外主流的游戏平台也在积极拓展上述技术的深度应用，从而满足用户在物理与虚拟空间的相互切换体验。

目前，物理与虚拟空间数字交互技术存在的最大问题就是“数字交互的质量问题”。根据赛迪研究院发布的《虚拟现实产业发展白皮书2021》显示，“当前VR，AR，MR等终端设备的佩戴舒适度和视觉舒适度还有待提高，数字交互的质效也有待提升”。

不过，由于物理与虚拟空间的数字交互技术具备应用空间大、产业潜力大、技术跨度大等特性，因此世界各国均把该技术作为未来十年发展的重点攻坚项目。韩国政府提出，到2025年创造高达30万亿韩元的经济效益，并进入全球5大扩展现实（XR）先导国家的行列。我国“十四五”规划中，VR，AR，MR均被列为数字经济重点发展的方向之一。

未来，沉浸式3D环境的数字化交互将在5G、人工智能、大数据等高新技术支撑下，进一步打破物理与虚拟环境的隔阂与界限，进入人类全新的元宇宙时代，即通过数字化形态承载的与人类社会并行的平行宇宙。

编辑：黄灵  yeshzhwu@foxmail.com