什么是XR？

扩展现实（Extended reality）简称XR，是指结合了实境及虚拟的环境以及人机互动设备与技术，通过计算机技术以及可穿戴型设备进行实时计算，其中的X是表示变数，可以是现在或是未来的空间计算技术。扩展现实（Extended reality）包括了增强现实（Augmented Reality-AR）、虚拟现实（Virtual Reality-VR）以及混合现实（Mixed Reality-MR）。

1994年，Paul Milgram和Fumio Kishino在论文[1]中提出了混合现实的定义，并利用虚拟连续体（Virtuality Continuum）坐标的形式阐述了三者关系，从真实世界向完全虚拟化环境的转变过程，即现实与虚拟的融合过程。

简而言之，扩展现实（XR）既是VR、AR、MR三者的集合，同时也是三者的融合，但VR、AR、MR就各有不同了。

01 虚拟现实技术（Virtual Reality-VR）

所谓虚拟现实（VR），从理论上来讲，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。因为这个环境不是我们直接所能看到的，而是通过计算机技术模拟出来的现实中的世界，故称为虚拟现实。

1957年，电影摄影师Morton Heiling发明了名为Sensorama的仿真模拟器，是通过三面显示屏来形成空间感，用户坐在椅子上将头探进设备内部就能体验到沉浸感[2]。

1968年美国计算机图形学之父、图灵奖获得者Ivan Sutherland开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器The Sword of Damocles（达摩克利斯之剑），它同时也是虚拟现实的雏形。

如今，VR已经发展成为一种更加多样化的技术，特别是随着技术变得更加成熟，应用领域也在迅速扩展。VR作为一种让游戏玩家沉浸在由游戏机驱动的独特体验的方式，VR游戏已经成为目前虚拟现实最大的应用领域。同时，基于VR逼真的视觉效果与优秀的沉浸感，在虚拟培训和虚拟展示领域，VR技术被广泛的应用。

02 增强现实（Augmented Reality-AR）

增强现实(Augmented Reality)技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，通过技术手段（显示器、眼镜等）在人眼所见的现实场景中融入虚拟内容，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。

AR概念是在1990年由波音公司的研究员 Tom Caudell提出的，而增强现实走进大众视野是通过平面显示器（电脑、电视、手机）将现实图像和虚拟物品叠加显示的方式达成的，1998年AR第一次用于直播展示橄榄球比赛进攻黄线，而带来革命的是第一个增强现实SDK ARToolkit作为第一个AR开源框架被发布。

现在AR支持手机应用的开发，使AR进入到我们的日常生活，同时人们并没有放弃沉浸感更高的穿戴设备的AR实现，Google在2012 年6月推出Google Glass，但是成熟度不高，近年来正逐步被MR设备所取代。

大多数人都熟悉的AR的案例之一是“Pokémon Go”，这是一款允许用户通过智能手机捕捉特定生物并在现实世界中看到它们的应用程序。自从Pokémon Go出现以来，AR更加频繁的出现在我们的生活之中。

03 混合现实（Mixed Reality-MR）

MR是AR的一种高级形式，融入VR的技术，将虚拟元素融入到物理场景中，目的是提供一种虚拟和现实结合的场景，即这些元素是真实场景的一部分。在 MR 场景下，大部分虚拟内容基于现实理解而产生，因此比纯虚拟化的场景更具有体验上的真实感。

微软是这样区分VR、AR、MR的关系的：在物理世界的视频流中叠加图形的体验是“增强现实（AR）”。遮挡视线以呈现数字图像的体验是“虚拟现实（VR）”。在增强现实和虚拟现实之间实现的体验形成了“混合现实（MR）”。

目前混合现实仍处于探索阶段，微软公司开发MR一体化头带设备Hololens 1代和2代产品，向我们MR在日常生活与工业领域应用的诸多可能性。借助Hololens设备，我们可以与同事进行实时互动交流，或与产品的数字孪生（Digital Twins）模型互动以实现快速诊断与分析。

04 XR关键技术

当前XR相关技术和产品还在发展期，中国信通院在其发布的《虚拟（增强）现实白皮书》中给出的“五横两纵”技术架构[3]。“五横”是指近眼显示、感知交互、网络传输、渲染处理与内容制作五大技术领域。“两纵”是指支撑虚拟现实发展的关键器件/设备与内容开发工具/平台。

横向技术维度可细分为三层体系，第一层为五类技术领域，每个领域可再细分子领域和技术点。

XR热门技术很多都处在爬坡期，技术供需面临多重挑战。据虚拟现实产业推进会（VRPC）产业分析与体验调优平台数据统计，用户体验痛点为高品质爆款内容缺乏；高性能终端存在一定价格门槛；外观形态吸引力不足，佩戴不够轻便；分辨率、视场角等方面的画面视觉质量有限；头动响应时延、辐辏调节冲突 [2]。

为了度量XR的发展阶段，参考国际上自动驾驶汽车智能化程度分级，中国信通院将XR技术发展划分为如下五个阶段。

XR的应用场景

（1）虚拟会展/会议

后疫情时代的未来会展新常态在商贸会展领域，国家大力倡导"云上会展"，以"云展示、云对接、云洽谈、云签约"实现远程多方协作，唤醒企业运营活力。2020年 11 月国务院《关于推进对外贸易创新发展的实施意见》中指出，利用 5G、VR/AR等现代信息技术开拓市场，推进展会模式创新，探索线上线下同步互动、有机融合的办展新模式。

（2）工业领域应用

在《中国制造2025》重点领域技术路线图重大政策文件中，虚拟现实被列为智能制造核心信息设备领域的关键技术之一。基于工业互联网/物联网平台，扩展现实（XR）成为实现数字孪生（Digital Twins）的核心技术之一。通过工业模拟软件对产品或流程进行数字化映射，形成数字孪生体镜像，在虚拟空间中构建出与物理世界完全对等的数字模型，成为将产品研发、生产制造、商业推广三个维度的数据全部汇集的基础，虚拟现实解决方案实现了数据信息与真实物理环境间的互动，成为进行阶段性数据验证、业务流程参考的重要支撑。

（3）军事应用

据报道美国陆军于2021年和微软签署了一份价值219亿美元的合同，根据这份订单，微软主要将在未来十年总共为美军提供12万套HoloLens头盔和相关的技术支持。这款MR头盔以微软Azure的云计算和人工智能为基础，将图像通过MR头盔叠加到佩戴者的现实视野中，提供3D地图显示，即时热成像夜间视野等信息，增强佩戴者的感知能力。

(4) 教育培训领域

XR在教育方面应用场景很多。一方面是培训类，如医疗培训，还有飞行员、驾驶员，宇航员仿真训练等。NASA一直热衷于尝试各种VR技术。在它的喷气推进实验室里，可以看到各个VR厂商最新款甚至是未发行的头显设备，包括 Valve、HTC、微软、索尼、Oculus、三星等。

（5）游戏娱乐领域

XR在游戏方面的应用将成为当前拉动产业发展的重要动力。尤其是VR视频游戏，基于Steam游戏平台的官方数据，2022年1月VR设备连接数量突破340万台（2021年5月为298万台）。

XR与元宇宙

2021年被称为元宇宙元年，元宇宙概念的火爆贯穿了整年。元宇宙一词最早由美国科幻小说家尼尔·斯蒂芬森在其1992年发表的作品《雪崩》一书中提出。在小说中，斯蒂芬森创造了一个不同于当时想象中的互联网——“Metaverse（元宇宙）”，它是和社会紧密联系的三维数字空间，与现实世界平行，在现实世界中地理位置彼此隔绝的人们可以通过各自的“化身”进行交流娱乐。

    按照“元宇宙第一公司”Roblox公司的说法，一个真正的元宇宙产品应该具备八大要素，分别是：身份、朋友、沉浸感、低延迟、多元化、随地、经济系统、文明。

可以说，XR是连接现实世界与虚拟世界的桥梁，通过XR技术，元宇宙的概念能够依托现实世界得以建立，同时对现实世界进行影响与反馈。XR将创造一个虚拟和现实完全交融的世界。XR技术即依托于现实又超脱现实，承载着更多想象力和创造力。在未来的元宇宙生态中，XR会带来更多技术积累和突破，实现虚拟世界与现实世界的高度融合。

参考文献：

[1]Milgram P, Kishino F. A taxonomy of mixed reality visual displays[J]. IEICE TRANSACTIONS on Information and Systems, 1994, 77(12): 1321-1329.

[2]VR/AR/MR/XR概念辨析,移动Labs官方号

 https://zhuanlan.zhihu.com/p/371432784

[3]虚拟（增强）现实白皮书（2021） CAICT中国信通院

[4]浅析 XR 关键技术, 移动Labs官方号

https://zhuanlan.zhihu.com/p/371432784

[5] 微软《混合现实文档》

https://docs.microsoft.com/zh-c

[6]The mobile future of extended reality XR, Qualcomm Technologies, Inc.

[7]虚与实的交汇，XR如何开启元宇宙？元宇宙见闻, https://zhuanlan.zhihu.com/p/456198537

本文来源：市场监管领域数字孪生重点实验室