沉浸式技术打造全新的现实世界

April 12, 2022

Fanny Hu

如何定义现实？从表面上看，“现实”这个概念很容易理解。它就是我们周围的世界—我们在既定空间所看到、所感受到的一切。现实就是真实存在的东西。

至少，这个定义是我们过去对现实的理解。然而随着物联网 (IoT)、智能设备和5G的普及，现实的前提已经从恒定、可预测的环境转化为不断演变的真实和虚拟体验。我们看到并感受到物理现实，这只是其中的一部分。沉浸式/扩展现实 (XR) 弥补物理现实的不足，增加并创造了新的体验。

沉浸式现实有三种主要类型：

虚拟现实 (VR) — 一个完全模拟的环境，让用户觉得自己沉浸在一个纯数字世界中。
增强现实 (AR) — 通过增加数字图像和体验来增强物理环境。用户常常通过智能手机摄像头来体验AR。
混合现实 (MR) — 物理和数字对象之间的交互。MR同时利用AR和VR的强项和优势来优化用户体验。

随着智能手机的饱和，AR和MR正在迅速普及。关于沉浸式技术，横跨2018-2023年的2021 Statista市场报告给出了以下数字：

截至2020年，沉浸式技术行业的全球收入接近63亿美元，预计在未来五到十年内将继续呈指数级增长。
尽管增长率在2020-21年间接近42%，到2022-23年间将回落到10%，虚拟现实仍是最大的细分市场。
移动增强现实技术与增强/混合现实技术相结合，创造了37亿美元的收入，其中26亿美元来自虚拟现实。
增强现实和混合现实正以更高的速度增长，随着物联网的扩张，混合现实将出现指数级增长。

除了智能手机摄像头，提供沉浸式用户体验的主要技术是XR耳机。除其他组件外，XR设备内还包含计算和处理元件、执行器和传感器。这些组件将两个世界连在一起，打造出颠覆性应用来造福人类。XR应用的一些例子包括造福于人类和社会，例如，为儿童营造安全的模拟社交互动，以及辅助治疗从恐惧症到疼痛和焦虑的各种疾病。除了在医疗方面的明显用途外，XR还通过智能城市和联网路灯、太空旅行辅助设备以及成千上万种其他应用为人类增强了便利性。

虚拟世界和物理世界的交汇可以让人类社会变得更美好。下面介绍了每种类型的XR，并概述了支持这种颠覆性技术的相关信号链组件所发挥的作用。

沉浸式技术参考框架

自1957年该技术发明以来，扩展现实已经吸引了科学和消费领域的目光。虽然科学家们提出虚拟现实（1975年）和增强现实（1990年）这两个术语的时间较晚，但却早已有了利用计算机和技术来增强人类体验的愿望。

业界有必要定义沉浸式技术的参考框架，以帮助大家了解信号链以及相关处理组件如何帮助营造体验。

物理现实

物理现实是最容易理解的，它就像是一张画布，技术在这张画布上将各种数字特性付诸应用。利用所有五大感官，我们会收到关于周围世界的即时、准确的反馈。正是“反馈”这个概念为用户的期望设置了屏障。

物理现实示例：转过拐角

举个简单的例子，一辆购物车撞上了杂货店货架的一角。一个心不在焉的购物者试图转过过道转角，但却撞到了货架转角。但是，他会迅速倒回购物车，调整转弯半径，完成转弯。

货架提供的反馈是“半径不正确”。该信息为用户提供了成功转弯所需的即时、准确的响应。因为物理现实是恒定不变的，不受数字容差的影响，所以反馈是即时的。此外，货架是静止不动的，因此其位置在任何时间点都确定无疑。

物理对象的位置和大小是创建数字现实的关键输入和反馈，物理现实涉及到所有五大感官。在确定框架并定义了画布后，程序员就可以在物理环境中营造数字体验。

虚拟现实

虚拟现实也许是最广为人知的沉浸式体验。它有助于提升人类体验，让用户有机会做一些因现实、财务或时间限制而做不到的事情。此外，虚拟现实为操作者提供完全沉浸式的体验，尽可能充分刺激五大感官。

虚拟现实示例：Roman Rumble

因为虚拟现实营造了一种完全模拟的体验，所以人们可以花一天时间观看2000年前的角斗士在罗马竞技场的比赛。这项技术可以刺激人们的视觉、听觉、嗅觉和感觉体验。如果用户足够勇敢，他们还可以亲自参与到游戏中，充分还原昔日的真实历史。

虚拟现实和增强现实之间的主要区别之一是用户在环境中的位置。在增加数字功能之前，增强现实使用智能手机（或其他设备）的摄像头在物理环境中引导用户的视线。虚拟现实在数字环境中对视线进行完全数字定位，通常使用头戴式显示器 (HMD)。该技术响应用户的视觉运动，因此以合乎逻辑的方式快速接收、处理、分析和返回数据至关重要。技术越先进，体验越自然。

增强现实

这种形式的扩展现实正是互联技术进步大放异彩之处。增强现实已经渗入我们的日常生活，如谷歌地图、美国国家橄榄球联盟 (NFL) 的黄色首攻线和精灵宝可梦GO，以及许多其他应用，增强了用户所见，增加了更多功能或特性。

这项技术的关键在于满足了用户对数字功能所带来的体验差异的需求。在观看比赛时，首攻线应该是一项不易察觉的添加功能，因此该技术不会分散观众对运动员活动的注意力。用户希望地图上的精灵宝可梦或街道交叉口可见，因此需要更具颠覆性的数字功能。

增强现实示例：月亮有多高

天文学家在观察夜空中的星座和行星时可以使用增强现实。这项技术为用户提供关于他们所看到东西的信息，如物体的位置、距离、运动模式以及星星的起源和运动模式。增强现实让人们能够在家中舒适地参观天文馆，就像在现实生活中一样，并且它可以回答各种经验水平的太空爱好者所提出的许多常见问题。

增强现实提供有用且有趣的功能，并通过改善体验，随着每个新联网应用的推出而越来越受欢迎。图像捕获和映射对于增强现实的效果好坏至关重要。如果操作正确，多种数字功能会让人感觉就像在现实生活中一样，行为举止像实际存在的物体一样。

混合现实

即便是经验丰富的沉浸式技术开发人员和用户，也会交换使用或混用混合现实和增强现实。当结合物理和虚拟特性时，混合现实指的是两者之间的交互，而不是叠加在物理现实上的数字元素。根据Statista的报告，这种互动的利用正在年复一年地推动混合现实达到非常高的市场增长率。因此，以CAD设计工程为例说明混合现实与增强现实的主要区别将会有所助益。

混合现实示例：成功的品控

对于工业物联网，将混合现实应用于生产过程可以确定机器容差是否足够，从而验证其规格。质量工程师可以在已部分完成的物理零件上投影成品零件的几何图形，以预测组件的尺寸是否准确。在生产过程的早期达到这种水平的预测精度可以降低报废率，提高生产能力、运营效率并降低成本。混合现实还可以远程指导技工完成详细的维修过程。

混合现实有机会发挥巨大的颠覆作用，最终以前所未有的方式弥合人类与机器之间的鸿沟。与在虚拟现实和增强现实中一样，物理对象位置精度和数字功能响应时间对于混合现实能否实现预期效果至关重要。

技术信号链组件

沉浸式技术对人类有着深远的影响，但其优势只有在技术能够实现的情况下才能发挥作用。与采购材料的供应链类似，信号链由提供XR体验的网络和组件订单构成。要释放沉浸式技术的全部潜能，目前的限制技术包括处理能力/散热管理、视觉显示/照明、连接及运动跟踪技术。

处理能力/散热管理

显示屏的像素密度越大，提供数字功能所需的功率要求就越高。集成高功率密度的散热管理和处理器可确保该技术不会偏离沉浸式体验。此外，系统还必须充分冷却不断增加的处理负载，以保护用户免受设备故障的影响，尤其是对于医疗和人文关怀应用。数据中心散热市场正在推动处理和芯片冷却解决方案的发展，这些解决方案有助于实现XR。

视觉显示/照明

眼睛是沉浸式技术的第一感官，因此显示质量至关重要。嵌入照明策略的显示器可以让用户的视觉在现实和虚拟世界之间切换，从而提供用户寻求的颠覆性体验。分辨率日益提高的相机提供了更逼真的体验。在真实照明和数字照明之间进行平衡可以模糊两个世界的边界。智能手机和显示器制造商掌控着显示和照明组件的发展速度。

连接

在连接方面，5G将是最具颠覆性的技术。在访问数据进行快速分析时，不能出现连接问题。反映真实环境的数据量只会随着系统向用户传输更多数据而增加。5G的高速度和低延迟将推动XR进入一些必须实时响应用户行为的应用领域。5G的广泛部署使得数据分析可以独立于中央枢纽，并在设备级别（边缘）上处理更多数据。边缘处理减少了数据传输时间和距离。