漫談混合現(xiàn)實(MR)技術(shù)之一 ——什么是混合現(xiàn)實(MR)技術(shù)
2018年，一部口碑炸裂的電影《頭號玩家》上映，國內(nèi)累計票房達到13.85億。而電影中的虛擬世界“綠洲”儼然已成為與現(xiàn)實世界平起平坐的另一個世界，在給觀眾視覺震撼的同時，也為觀眾們帶來了一次混合現(xiàn)實(MR)技術(shù)的科普和未來的遐想。
一、什么是混合現(xiàn)實（MR）
MR，是英文Mixed Reality兩個單詞的縮寫，中文翻譯為混合現(xiàn)實。混合現(xiàn)實技術(shù)通過在在現(xiàn)實環(huán)境中引入虛擬場景信息，在現(xiàn)實世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感，具有真實性、實時互動性以及構(gòu)想性等特點。
MR是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、教育培訓(xùn)、娛樂、地產(chǎn)、醫(yī)療等行業(yè)，并在營銷、運營、物流、服務(wù)等多個環(huán)節(jié)得到充分應(yīng)用。混合現(xiàn)實涵蓋計算機增強現(xiàn)實技術(shù)(AR)的范圍，與人工智能(AI)和量子計算(QC)被認為三大未來將顯著提高生產(chǎn)率和體驗的科技。隨著人類科技的迭代發(fā)展，尤其是5G網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的高速發(fā)展，各行各業(yè)都將大規(guī)模應(yīng)用MR技術(shù)。
二、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）及混合現(xiàn)實（MR）三者關(guān)系及區(qū)別
虛擬現(xiàn)實技術(shù)曾被認為是下一代通用技術(shù)平臺和下一代互聯(lián)網(wǎng)的入口，是引領(lǐng)全球新一輪產(chǎn)業(yè)變革的重要力量，是經(jīng)濟發(fā)展的新增長點，目前已經(jīng)在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、航天、教育、娛樂等領(lǐng)域形成較為成熟的應(yīng)用。據(jù)工信部消息，2021年我國虛擬現(xiàn)實市場規(guī)模預(yù)計將達544.5億元。國內(nèi)通稱的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)包括了VR虛擬現(xiàn)實、AR增強現(xiàn)實、MR混合現(xiàn)實等技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，但此處我們講虛擬現(xiàn)實時僅指VR虛擬顯示。
虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)是利用VR設(shè)備模擬產(chǎn)生一個三維的虛擬空間，提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般。簡而言之，就是“無中生有”。在VR中，用戶只能體驗到虛擬世界，無法看到真實環(huán)境。增強現(xiàn)實(Augmented Reality，AR)是VR技術(shù)的延伸，能夠把計算機生成的虛擬信息(物體、圖片、視頻、聲音、系統(tǒng)提示信息等)疊加到真實場景中并與人實現(xiàn)互動。簡而言之，就是“錦上添花”。在AR中，用戶既能看到真實世界，又能看到虛擬事物?；旌犀F(xiàn)實(Mixed Reality，MR)是AR技術(shù)的升級，將虛擬世界和真實世界合成一個無縫銜接的虛實融合世界，其中的物理實體和數(shù)字對象滿足真實的三維投影關(guān)系。簡而言之，就是“實幻交織”。在MR中，用戶難以分辨真實世界與虛擬世界的邊界。
三、MR技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
MR行業(yè)經(jīng)過這幾年的調(diào)整，跨過爆發(fā)期，進入調(diào)整期，存優(yōu)除劣，逐步完善。
在國際上，美國多部門部署VR研發(fā)計劃，美國政府一直非常重視VR技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，國家科學(xué)基金會、國防部、國家航空航天局、交通部等部門均部署了一系列虛擬現(xiàn)實研發(fā)計劃。在歐洲，歐盟H2020計劃也開展了多項虛擬現(xiàn)實研究，主要研究方向涵蓋虛擬現(xiàn)實硬件技術(shù)、虛擬現(xiàn)實軟件技術(shù)、虛擬現(xiàn)實行業(yè)應(yīng)用等，具體行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域包括軍事、國防、醫(yī)療、教育、房地產(chǎn)、體育、文化遺產(chǎn)等領(lǐng)域。
同時，MR技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域也在逐漸增加，MR技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)的結(jié)合，如MR+教育、MR+金融、MR+工業(yè)等等，也已經(jīng)擁有了諸多成功的落地場景。
而在國內(nèi)，經(jīng)過近十年發(fā)展，我國的AR/MR產(chǎn)業(yè)已經(jīng)日趨成熟，形成了包括江西地區(qū)在內(nèi)的五大AR/MR核心產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，產(chǎn)業(yè)生態(tài)初步形成。目前，全國共有VR/AR/MR企業(yè)3000余家，上海市目前直接從事VR/AR/MR業(yè)務(wù)的企業(yè)約200余家，1000萬以上的注冊資金在總比例當(dāng)中占比約33%，加上間接從事或相關(guān)企業(yè)超300家。近3年來，上海VR/AR/MR新增企業(yè)數(shù)量已經(jīng)超過歷史注冊的企業(yè)數(shù)量總和。
四、混合現(xiàn)實(MR)應(yīng)用場景
MR技術(shù)作為一種通用性技術(shù)，在很多行業(yè)內(nèi)都能找到應(yīng)用場景的結(jié)合點?；诨旌犀F(xiàn)實技術(shù)的全息展示和空間定位等特性，目前在工業(yè)、設(shè)計、展覽、建筑、醫(yī)療、教育等行業(yè)中都具有顯著的業(yè)務(wù)需求。在這些行業(yè)中，已經(jīng)涌現(xiàn)出了不少成功的混合現(xiàn)實應(yīng)用案例。
（一）工業(yè)應(yīng)用
工業(yè)是目前對于混合現(xiàn)實技術(shù)需求最強烈的行業(yè)。隨著工業(yè)4.0、智能制造等概念的推廣，越來越多的企業(yè)開始尋求智能化的工業(yè)升級技術(shù)，希望以技術(shù)賦能產(chǎn)業(yè)，為企業(yè)創(chuàng)造新的價值。在這個過程中，混合現(xiàn)實技術(shù)因其可以與真實環(huán)境、真實物體進行良好結(jié)合的特性，逐漸被大家所接受，并成為提升生產(chǎn)力的重要工具。
MR技術(shù)可以在日常工作的真實環(huán)境中為工人提供他們最為需要的信息，包括崗位操作培訓(xùn)、設(shè)備維護手冊、IoT數(shù)據(jù)展示，以及遠程專家指導(dǎo)等等。員工在使用頭戴式MR眼鏡的時候，完全不影響他們對身邊真實環(huán)境的觀察，并能解放出雙手進行操作。
以下是一個典型的工業(yè)應(yīng)用場景：
工作人員戴上MR眼鏡在生產(chǎn)環(huán)境中進行巡檢，其眼前的機器設(shè)備上會自動浮現(xiàn)出該設(shè)備當(dāng)前的運行數(shù)據(jù);
巡檢員如果發(fā)現(xiàn)異常，可以通過眼鏡進行情況記錄，并完成問題上報;
隨后，他可以根據(jù)故障信息調(diào)取相關(guān)問題的處置方案或全息維修指導(dǎo)手冊，設(shè)備的維修指導(dǎo)信息會一步一步地呈現(xiàn)在他的面前，并準確地指出每個步驟操作的具體位置。
如果全息維修指導(dǎo)手冊沒辦法幫他解決問題，他可以馬上通過眼鏡呼叫遠程的技術(shù)專家;
專家通過分析眼鏡端捕捉的畫面后，為現(xiàn)場員工提供精確的專業(yè)指導(dǎo)，協(xié)助完成問題的處置。
在整個流程中，生產(chǎn)環(huán)境現(xiàn)場的員工僅需一副MR眼鏡就可實現(xiàn)所有的功能。
（二）展覽應(yīng)用
在混合現(xiàn)實技術(shù)剛出現(xiàn)的時候，最多的應(yīng)用場景就是展覽和展示。在當(dāng)時，對于所有人來說，MR絕對是酷炫和黑科技的代名詞。用黑科技來展示自家的產(chǎn)品，或用來宣傳企業(yè)形象絕對是一個不錯的選擇。從功能上講，MR技術(shù)應(yīng)用于展覽行業(yè)的最大優(yōu)勢是交互式的全息可視化內(nèi)容所能帶給觀眾的沖擊，這是一種類似科幻影片走進現(xiàn)實的震撼感受。MR技術(shù)非常適合展示體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密昂貴的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品不便于攜帶和拆解，很難讓觀眾看到實物，或者了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過混合現(xiàn)實技術(shù)為這些產(chǎn)品制作3D全息化的內(nèi)容，就可以非常方便地在任何地方、任何場合展示產(chǎn)品的細節(jié)。
此外，在傳統(tǒng)展臺上經(jīng)常會使用各種實物沙盤，用于展示城市規(guī)劃、園區(qū)設(shè)計或建筑方案，但這些實物沙盤通常是靜態(tài)的，無法產(chǎn)生大量動態(tài)內(nèi)容?；?/span>MR的虛實結(jié)合功能，我們可以將實物沙盤升級為混合現(xiàn)實沙盤，參觀者通過混合現(xiàn)實眼鏡將能看到建筑的施工過程、3D交通工具的穿行效果、目標對象的詳細介紹等。各種各樣豐富有趣的可視化內(nèi)容可以讓靜態(tài)的沙盤動起來。
（三）建筑應(yīng)用
建筑業(yè)是由空間定義的。最近幾年從2D文檔到建筑信息模型(BIM)的過渡是一個自然的演變，BIM不僅能提供精確的建筑信息，還能在施工過程中提供有效的參考。但是大部分情況下，我們?nèi)匀恢荒茉?D的電腦屏幕上查看相關(guān)的內(nèi)容。MR技術(shù)將模型帶出屏幕，可以讓建筑的3D模型躍然紙上，并為用戶提供了透視、分層、局部放大等更直觀的觀看和交互的能力。通過全息3D化展示，讓我們可以通過更自然的方式去體驗和理解設(shè)計方案，使數(shù)據(jù)通俗化。
如果MR與BIM能夠進行完美的結(jié)合，把“虛”的BIM數(shù)據(jù)和“實”的施工場景進行疊加對比，那我們甚至可以在建筑施工現(xiàn)場評估工程進度和施工精確度，這也將為建筑工程行業(yè)的智能化推進帶來巨大的想象空間。
（四）醫(yī)療應(yīng)用
MR技術(shù)在醫(yī)療場景中也有著廣闊的發(fā)展空間，比如醫(yī)生們可以在手術(shù)的過程中，通過混合現(xiàn)實眼鏡方便地查閱病人影像資料、相關(guān)部位的3D模型等內(nèi)容;也可以將病人的全息骨骼模型準確地疊加在其身體上，輔助醫(yī)生完成手術(shù)定位;結(jié)合5G等遠程通訊技術(shù)，還可以對手術(shù)現(xiàn)場進行直播，并實現(xiàn)遠程多人會診;在術(shù)式培訓(xùn)、醫(yī)療設(shè)備操作培訓(xùn)等業(yè)務(wù)場景中，我們也同樣可以使用MR來達到優(yōu)異的培訓(xùn)效果。
醫(yī)療影像數(shù)據(jù)可以方便地轉(zhuǎn)化為3D模型，利用MR全息化地展示這些模型，可以將平面的影像立體化，并能給與醫(yī)生準確的空間位置判斷力。這種空間立體化的“讀片”技術(shù)可以顯著提升年輕醫(yī)生的讀片準確度，同時也方便醫(yī)生將相關(guān)病情與患者或家屬進行直觀的溝通。
（五）教育應(yīng)用
在教育行業(yè)，開發(fā)者可以根據(jù)不同的學(xué)習(xí)需求開發(fā)全息教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生們在新奇的全息互動式體驗中完成知識點的學(xué)習(xí)。這種新穎的教學(xué)方式一方面可以激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，另一方面可以把一些復(fù)雜的知識點通過交互式模型動畫形象地展示出來，可以加深學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的印象。目前來說，MR頭戴式設(shè)備比較適合中學(xué)及以上年齡段的學(xué)生，對于低齡學(xué)生或?qū)W齡前兒童并不完全適用。
相對與普通學(xué)校教育，職業(yè)教育的細分領(lǐng)域?qū)τ?/span>MR技術(shù)的需求更為明顯。職業(yè)教育主要關(guān)注在技能培訓(xùn)和操作能力的提高，但一些復(fù)雜操作技能，比如汽車維修，很難給與學(xué)生充足的實際上手時間。同時，在學(xué)生進行實際操作的時候也需要有人一直確保其操作準確性，以免發(fā)生人員傷害或設(shè)備毀損的情況。MR技術(shù)可以將培訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容虛擬化，并與教學(xué)現(xiàn)場的環(huán)境和實物疊加起來，通過虛實結(jié)合的方式輔助學(xué)生掌握操作方法。而且虛擬化的培訓(xùn)內(nèi)容可以反復(fù)播放，實現(xiàn)學(xué)生獨立學(xué)習(xí)的需求。
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