空间计算综合指南-编程知识

空间计算（spatial computing）是指使人类能够在三维空间中与计算机交互的一组技术。该保护伞下的技术包括增强现实（AR）和虚拟现实（VR）。

这本综合指南将介绍有关空间计算所需了解的一切。你将了解 AR、VR、混合现实 (MR)、扩展现实 (XR)、沉浸式技术和元宇宙等行业术语之间的差异。你还将通过各种案例研究来了解该技术如何为多个行业增加价值。此外，你还将了解空间计算的工作原理，并熟悉开拓该领域的领先公司。

随着这项技术正在迅速成为未来计算的支柱，提高你的专业知识将使你在驾驭这个令人兴奋的未来时处于有利地位。

1、什么是空间计算？

空间计算，也称为沉浸式技术、扩展现实 (XR) 或简称 AR/VR，是一种使用物理空间作为与数字内容交互的媒介的技术。它没有将数字体验限制在二维屏幕上，而是带来了更加身临其境的计算机界面和与技术交互的新方式。

空间计算允许用户将数字内容无缝地融入到他们的物理环境中。此外，它还可以通过模拟物理体验的交互，让你完全沉浸在数字现实中。

“空间计算”一词由 Simon Greenwold 于 2003 年创造，现已成为 AR/VR 技术的流行描述。随着 Vision Pro 的推出，Apple 采用“空间计算”作为其混合现实耳机的首选术语。

2、空间计算、AR、VR、MR 和 XR 之间的区别

现代空间计算的起源可以追溯到 Kickstarter 上最成功的项目之一：Oculus Rift。创始人 Palmer Luckey 推出了被视为第一代当代空间计算的产品。 2014 年，即该公司成立不到两年，Facebook 以 20 亿美元收购了该公司。

大约在这个时候，大型科技公司开始在这一领域进行大量投资。 Facebook 和谷歌等公司专注于虚拟现实，而苹果和微软等公司则将注意力集中在增强现实上。

该技术行业面临的挑战之一是缺乏一个普遍接受的涵盖增强现实 (AR) 和虚拟现实 (VR) 的总括术语。相比之下，在人工智能技术领域，人工智能一词有效地涵盖了广泛的技术，包括机器学习、计算机视觉和自然语言处理。

在 AR/VR 领域，虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR) 是密切相关的技术。然而，在引入空间计算这个术语之前，没有一个普遍采用的术语能够正确涵盖除 AR/VR 之外的两个领域，这对于日常对话来说听起来太技术性了。

那么让我们深入探讨主要的支柱技术。

3、虚拟现实 vs. 增强现实

虚拟现实 (VR) 是一种让用户完全沉浸在数字三维环境中的技术，使他们能够以看似物理的方式与周围环境进行交互。

增强现实 (AR) 是一种通过将数字内容叠加到物理世界来增强我们现有现实的技术。

虚拟现实提供了完全身临其境的体验，将用户与物理环境隔离开来，而增强现实则通过将数字组件集成到现实世界中来放大现实世界，增强用户与现实世界的交互。

4、混合现实怎么样？

混合现实 (MR) 是一种融合物理和虚拟世界的技术，可创建物理和数字对象实时共存和交互的新环境。

混合现实通常被描述为增强现实和虚拟现实之间的连续体，代表物理世界和虚拟世界的融合。它与简单的增强现实应用程序（例如叠加数据）不同，它提供了与现实世界环境中的虚拟内容更加身临其境的交互。因此，混合现实一词涵盖了从几乎完全虚拟的体验（类似于虚拟现实）到提供简单数字叠加（类似于增强现实）的体验。

混合现实始终与物理世界保持联系，融合了增强现实的元素，同时还允许提供接近虚拟现实水平的沉浸式体验。

5、空间计算、扩展现实和沉浸式技术的区别？

没有任何。这些定义略有不同，但所有三个术语都可以互换使用来描述 AR/VR 技术：

空间计算：一组使人类能够在三维空间中与计算机交互的技术。
扩展现实 (XR)：包含虚拟现实 (VR)、增强现实 (AR) 和混合现实 (MR) 的技术术语。
沉浸式技术：一组将数字内容与物理环境无缝集成以创造沉浸式体验的技术。

出于实际目的，这三个术语是描述 AR/VR 技术的同义词。

6、元宇宙到底是什么？

元宇宙（metaverse）一词虽然是在 1992 年的科幻小说《雪崩》中创造的，但在 Facebook (Meta) 2021 年品牌重塑期间得以普及。如今，元宇宙一词被不同的技术领域用来指代不具有独立性的独立概念。必然具有直接关系。这些独立的概念是：

Meta 对沉浸式互联网的愿景：Meta 对技术未来的主要愿景将 Metaverse 呈现为 AR/VR 的抽象概念，设想了人类以临场感与互联网互动的未来。
NFT 虚拟土地和数字资产：加密货币和 NFT 行业采用 Metaverse 术语来指代“Other Side”和“The Sandbox”等去中心化虚拟土地项目。这些项目与空间计算没有联系。
多人视频游戏：Roblox 和 Fortnite 等多人游戏平台也使用 Metaverse 一词来描述其虚拟社交世界。这些本质上是多人视频游戏，通过标准 2D 屏幕进行交互。

当“元宇宙”一词在这三个独立的技术领域使用时，会导致歧义和混乱。一些专家将技术的未来设想为这些不同愿景的不同方面的融合。然而，在讨论我们的主要主题——空间计算时——最好避开“元宇宙”这个术语。

7、空间计算听起来不错

随着 Vision Pro 的推出，Apple 采用空间计算作为 AR/VR 的总称。 Apple 在定义行业术语和标准方面享有盛誉并拥有悠久的历史。

正如苹果公司普及了“App”一词而不是软件应用程序一样，科技巨头在消费技术领域的影响力和领导地位使其有能力将空间计算确立为 AR/VR 技术的官方行业术语。

我们需要一个新的官方行业术语，而“空间计算”确实有一个很好的听起来。

8、空间计算如何工作？

近年来，我们看到空间计算硬件功能取得了显着进步，带来了更加身临其境和交互式的数字体验。这项技术允许用户戴上耳机，将物理环境与游戏、应用程序和 3D 模拟等数字内容融合在一起。这是通过使用先进的显示技术、摄像头和传感器来扫描环境、不同类型的用户输入以及图形渲染功能来实现的。

让我们介绍一下定义该技术如何工作的关键组件。

8.1 显示器

有两种主要的显示方法可以使空间计算发挥作用：透视玻璃技术和屏幕直通技术。

透明玻璃技术

适用于 Magic Leap 和 Microsoft Hololens 等产品。这种显示技术可以让用户通过玻璃看到他们的物理环境和 3D 全息图。这些眼镜配备了先进的技术，使设备能够渲染叠加在环境上的 3D 全息图，从而将数字内容真实地叠加到用户的物理环境上。

屏幕直通技术

适用于 Apple Vision Pro 和 Meta Quest 等设备。这种硬件方法通过高分辨率摄像头和屏幕呈现用户的环境。在足够的分辨率下，这种方法可以实现高真实感，将现实世界与数字内容无缝结合。

透视玻璃技术提供了更多的物理存在感，但渲染视野较小。它与物理对象和活动更好地结合，提供更真实的存在。

另一方面，屏幕直通技术，提供了更加身临其境的数字体验。它还支持完全虚拟现实体验，扩展了这些设备的用例。

每种显示技术都有其优点和缺点，确定哪一种“更好”最终取决于具体的用例。

8.2 设备空间跟踪

空间计算的一个不可或缺的功能是设备能够了解其在给定环境中的确切位置。此功能也称为空间感知或设备跟踪，通常通过摄像头计算机视觉或激光雷达技术来实现。这些传感器使设备能够实时扫描周围环境，从而计算出它们在空间中的位置。

空间跟踪是通过生成唯一参考点的点云来完成的。这些点被连续跟踪，提供的数据允许设备根据其与这些参考点的关系确定其位置。

从空间定位能力来看，空间跟踪可以分为3Dof（三自由度）和6Dof（六自由度）。具有 3Dof 的设备只能跟踪其旋转，而具有 6Dof 的设备可以跟踪其旋转和位置。

让设备高精度地跟踪其位置可以将虚拟对象空间锚定在精确的位置。这确保了虚拟对象在虚拟空间中保持其位置，从而在用户和虚拟环境之间提供无缝交互。

8.3 互动机制

为了实现数字内容中的沉浸式自然交互，空间计算利用了各种输入系统。其中包括：控制器输入、手部跟踪输入和眼动跟踪输入。

控制器输入

控制器模拟我们手中物体的物理存在，例如白板笔或光剑，提供用于交互的物理界面。此外，这些控制器还具有自我跟踪功能，可确保精确的虚拟跟踪。

手部追踪输入

手部跟踪提供了一种与空间计算环境交互的自然方式。然而，它的主要挑战在于与虚拟对象交互时缺乏物理反馈。

眼动追踪输入

眼动追踪一度被认为是一项必备功能，但现在已成为 Apple Vision Pro 等设备的关键输入机制。眼动追踪允许用户的眼睛控制虚拟光标，从而创建比传统输入设备更直观的交互。

8.4 3D 渲染能力

空间计算的基础在于这些设备能够使用实时 3D 渲染在三维空间内生成虚拟对象。这要求设备每秒重绘所有可见对象高达 60 次，这需要很高的计算能力。随着行业向更小、更轻的设备发展，为这种计算能力寻找空间是一个挑战。空间计算开发人员需要不断优化其视觉效果，以实现高水平的真实感。

空间计算设备的渲染能力从高端游戏电脑延伸到独立耳机，每种设备都具有独特的渲染能力。高端 PCVR 系统虽然提供卓越的图形和渲染性能，但通常需要通过电缆连接到功能强大的游戏 PC。另一方面，独立耳机将所有处理组件集成在设备本身内，不需要外部电缆系统，使设备无忧无虑。

然而，远程渲染出现了一种新的解决方案，它允许渲染的繁重处理在云端进行处理，然后流式传输到设备。这种方法提供了将 PCVR 系统的高端图形与独立耳机的便携性相结合的潜力。在这一领域提供解决方案的知名企业包括 Nvidia 的 Cloud XR 解决方案、微软的 Azure 远程渲染以及 Holo-Light 的 ISAR SDK。

借助更高的互联网速度和 5G 等网络技术，远程渲染为空间计算设备的硬件渲染能力提供了可扩展性，从而实现更真实的沉浸式体验。

9、空间计算有什么用？

空间计算正在各个部门和行业的广泛应用中积极部署。以下是现实世界示例的汇编，展示了当今空间计算的使用。

远程协作

在 COVID-19 大流行期间，随着公司迅速采用工具和最佳实践来实现远程工作，远程协作猛增。远程工作为以前与传统办公室生活不相容的新生活方式打开了大门，例如数字游牧和积极育儿。然而，这也表明 Zoom 等视频聊天平台并不能完全满足远程环境中创造性和有效协作的需求。

这就是空间计算发挥作用的地方，通过引入数字世界的存在，在传统视频会议和完全呈现的物理办公室交互之间架起一座桥梁。

培训

通过虚拟培训的部署，各行业正在经历深刻的变革。在多个行业进行的研究表明，与传统培训方法相比，虚拟培训的绩效显着提高。

例如，你是否知道在一项就业前培训研究中，接受 VR 培训的参与者 100% 获得了工作，而接受非 VR 培训的参与者只有 69% 获得了这份工作？或者使用虚拟环境进行学习的学员比同龄人快 20%、成功率高 230%？行业结果表明，使用 VR 培训在所有方面都优于传统方法：知识、技能、满意度、信心和表现时间。

利用空间计算的力量来增强学习体验，从而实现更有效、更高效和更具成本效益的结果，培训行业从中受益匪浅。