物理與虛擬空間的數字交互

若飴

全息教育效果圖

混合現實頭顯設備

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

在人類第一部探討虛擬現實的科幻小說《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在高新技術深度發展的當下，一切都變得可能。

據2021年世界物理與虛擬產業大會發布的《虛擬現實產業發展白皮書（2021）》，“2021年1月至9月，全球僅VR（Virtual Reality縮寫，即虛擬現實）產業累計投融資金額已經高達207.09億美元，投融資事件數量和融資金額已經超過以往歷年的總額”。另據由中國信息通信研究院、華為和京東方聯合發布的《虛擬（增強）現實白皮書》，“預計2020年至2024年5年期間，全球虛擬（增強）現實產業規模年均增長率約為54%。其中，VR增速約為45%;AR（Augmented Reality縮寫，即增強現實）增速約為66%。2024年，兩者將合計達到4800億美元的產值”。再疊加MR（Mixed Reality縮寫，即混合現實）、XR（Extended Reality縮寫，即擴展現實）的快速發展，物理與虛擬空間的數字交互這一新興產業正在孕育上萬億美元的市場空間，或將成為新一代信息技術的戰略性行業。

在物理與虛擬空間的數字交互技術攪動下，未來科技行業涉及的VR與AR已經觸及各行各業：比如，教育培訓行業中的全息影像;主題樂園游戲中的現實幻影;微軟Holoens的無人駕駛模擬體驗。MR，還在醫療保健、房地產領域有了長足的發展：比如，全球首例混合現實技術引導下的脊柱畸形矯形手術在西安順利完成;歐洲已經在房產中介領域全面推開運用混合現實技術提供客戶網上全景式看房服務。XR（擴展現實）囊括了上述三項技術的優點，展現出物理與虛擬結合、可供人機交互的環境，最典型的案例就是央視2021年春節聯歡晚會上呈現的“云舞臺”。

細細看來，我們會發現，從政府層面（智慧城市、科普等），到企業層面（建筑業、房地產、會議會展等），再到消費層面（教育、醫療、游戲娛樂等），都存在物理與虛擬空間的數字交互技術運用前景。

實然，物理與虛擬空間的數字交互，嚴格意義上是一種綜合應用計算機圖形學、人機接口技術、傳感器技術以及人工智能技術等，制造出逼真的人工模擬環境，并能有效地模擬人在自然環境中各種感知的人機交互技術。簡言之，就是由計算機軟件開發的模擬環境創造出的一種現實模擬、實時交互的沉浸式體驗。

目前，廣泛被提及的虛擬與物理世界的作用原理有兩種。一種是將虛擬對象或者環境作用至現實環境中，從而增強用戶對現實世界的感受;另一種則是將現實世界中的信息實時作用于虛擬環境中，從而提高虛擬環境的仿真性。這兩種原理就是增強現實（AR）與虛擬現實（VR）的應用基礎。

物理與虛擬結合的四種主流技術

以“超級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估周圍樓宇爆炸后造成的嚴重后果，這就是“增強現實（AR）”;也能夠看到，鋼鐵俠作出對應救濟反應后，周圍樓宇將會免遭毀壞，這便是“虛擬現實（VR）”。

當前處在研究和開發階段的物理與虛擬結合的主流技術有四種，即VR，AR，MR以及XR。上述四種技術存在共性，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信息交互的橋梁與通道。四者的不同點在于信息交互的程度。仔細辨析，會發現四者存在階梯式的關系，即“虛擬現實與增強現實→混合現實→擴展現實”。

從交互的質量以及目前科研成果來看，VR（虛擬現實）與AR（增強現實）技術在產品應用方面已經趨向成熟。根據全球著名信息技術服務提供商IDC市場研究公司在《全球VR∕AR市場季度跟蹤報告》中預計，“2021年全球VR∕AR頭顯出貨量將達到7670萬臺，復合年增長率達到81.5%”。而MR（混合現實）頭顯無疑集合VR與AR的優勢，更加側重于物理與虛擬空間進行數字交互的質量，既包括輸入數字交互，也包括輸出數字交互。頭戴設備已經成為混合現實深度應用的主載體。因此，法國著名設備商 Lynx才會將新款MR（混合現實）頭顯作為下一個十年最重要的拳頭產品向公眾亮相。可見，MR（混合現實）技術將成為未來數字交互領域攻堅的突破口！

當前數字交互正在經歷從“由虛向實”到“由實至虛”再到“虛實結合”的發展路徑，即“VR盛行，AR崛起，MR融合，XR突破”。然而，不可否認的是，除了頭顯設備這個重要路徑外，網絡游戲仍然是目前物理與虛擬空間的數字交互主戰場。全球游戲迷熱衷于把玩的“Pico neo3”“Qculus Quest2”“Half-Life：Alyx”等交互式游戲，就是集成運用了VR與AR技術，通過頭顯設備，將用戶置身于場景化、情境式的游戲氛圍中，帶給他們身臨其境的沉浸體驗。國外主流的游戲平臺也在積極拓展上述技術的深度應用，從而滿足用戶在物理與虛擬空間的相互切換體驗。

目前，物理與虛擬空間數字交互技術存在的最大問題就是“數字交互的質量問題”。根據賽迪研究院發布的《虛擬現實產業發展白皮書2021》顯示，“當前VR，AR，MR等終端設備的佩戴舒適度和視覺舒適度還有待提高，數字交互的質效也有待提升”。

不過，由于物理與虛擬空間的數字交互技術具備應用空間大、產業潛力大、技術跨度大等特性，因此世界各國均把該技術作為未來十年發展的重點攻堅項目。韓國政府提出，到2025年創造高達30萬億韓元的經濟效益，并進入全球5大擴展現實（XR）先導國家的行列。我國“十四五”規劃中，VR，AR，MR均被列為數字經濟重點發展的方向之一。

未來，沉浸式3D環境的數字化交互將在5G、人工智能、大數據等高新技術支撐下，進一步打破物理與虛擬環境的隔閡與界限，進入人類全新的元宇宙時代，即通過數字化形態承載的與人類社會并行的平行宇宙。

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com