空间计算：与 3D 环境交互

空间计算正在迅速改变我们与技术的交互方式，超越传统的 2D 屏幕和界面，进入沉浸式 3D 环境。这种范式转变使我们能够以更直观、自然和情境感知的方式与数字内容互动。本文深入探讨了空间计算的核心概念、各种应用、底层技术及其对不同行业和我们日常生活的潜在未来影响。

什么是空间计算？

从根本上说，空间计算是指机器在三个维度上理解并与物理世界交互的能力。它涉及捕获、处理和表示空间信息，以创建与现实无缝融合或取代现实的数字环境。这包括：

• 理解物理空间：使用传感器、摄像头和其他技术感知和映射环境。
• 创建数字表示：生成 3D 模型、数字孪生和虚拟环境。
• 实现 3D 交互：允许用户使用手势、语音和其他输入方式以自然直观的方式与数字内容交互。
• 情境感知：了解用户的位置、方向和周围环境，以提供相关和个性化的体验。

空间计算涵盖各种技术，包括增强现实 (AR)、虚拟现实 (VR) 和混合现实 (MR)，统称为扩展现实 (XR)。这些技术中的每一种都提供了不同程度的沉浸感和与数字世界的交互。

增强现实 (AR)

AR 将数字信息叠加到现实世界之上，增强我们对现实的感知。想想 Pokémon GO，数字生物出现在您的物理环境中，或者 IKEA Place，它允许您在购买之前在您的家中虚拟放置家具。AR 应用程序通常使用智能手机或平板电脑的摄像头来捕捉现实世界，然后在其之上叠加数字内容。

示例：

• 零售：服装和配饰的虚拟试穿体验。
• 制造业：通过在设备上叠加的视觉指令指导工人完成复杂的组装任务。
• 教育：通过 3D 模型和模拟使教科书栩栩如生的互动学习体验。例如，日本的学生可以使用 AR 在博物馆中观看历史文物的 3D 模型。
• 导航：将方向叠加到现实世界之上，使导航不熟悉的位置更容易，这在新加坡的公共交通应用程序中得到了有效实施。

虚拟现实 (VR)

VR 创建一个完全沉浸式的数字环境，取代现实世界。用户通常佩戴头显，遮挡周围环境并在眼前显示虚拟世界。VR 允许用户体验模拟环境，玩沉浸式游戏并参与虚拟会议。

示例：

• 游戏：将玩家带入奇幻世界的沉浸式游戏体验。
• 培训和模拟：在逼真的模拟环境中训练飞行员、外科医生和其他专业人员。澳大利亚皇家海军使用 VR 训练水手进行舰载消防。
• 医疗保健：治疗恐惧症、管理疼痛和康复患者。VR 用于帮助中风患者在瑞士恢复运动技能。
• 娱乐：虚拟音乐会、电影和主题公园游乐设施。

混合现实 (MR)

MR 融合了真实世界和虚拟世界，允许数字对象与物理环境交互。与仅叠加数字内容的 AR 不同，MR 允许数字对象看起来像它们在现实世界中实际存在。用户可以使用手势和其他输入方式与这些对象交互并对其进行操作。

示例：

• 设计和工程：在共享的物理空间中协作设计和可视化 3D 模型。宝马使用 MR 允许德国和中国的设计师同时协作设计汽车。
• 远程协作：使远程团队能够在共享的虚拟环境中共同处理物理项目。
• 教育：互动学习体验，让学生可以在现实世界中操作虚拟对象。
• 手术计划：巴西的外科医生正在使用 MR 可视化肿瘤并计划复杂的手术。

实现空间计算的关键技术

几项关键技术支撑着空间计算的开发和进步。这些包括：

传感器和摄像头

传感器和摄像头用于捕获有关物理环境的信息，包括深度、运动和视觉数据。然后，这些数据用于创建世界的数字表示。

• 深度传感器：捕获深度信息以创建环境的 3D 模型。
• 摄像头：捕获视觉数据以识别物体、跟踪运动并创建增强现实体验。
• 惯性测量单元 (IMU)：测量方向和运动以跟踪用户的头部和身体运动。

计算机视觉

计算机视觉算法用于分析传感器和摄像头捕获的图像和视频。这允许设备识别物体、跟踪运动并了解周围环境。

• 物体识别：识别图像和视频中的物体。
• 运动跟踪：跟踪物体和人的运动。
• 场景理解：了解环境的布局和结构。

空间音频

空间音频通过模拟声音在现实世界中的传播方式来创造更身临其境和逼真的音频体验。这允许用户听到来自虚拟环境中特定位置的声音。

• 头部相关传输函数 (HRTF)：模拟声音被头部和耳朵过滤的方式。
• Ambisonics：从所有方向捕获和再现声音。
• 基于对象的音频：允许声音设计师将单个声音对象放置在虚拟环境中。

触觉反馈

触觉反馈为用户提供触摸感，使他们能够感受到虚拟物体并以更逼真的方式与虚拟环境交互。这可以通过各种技术来实现，包括：

• 振动：通过振动提供简单的触觉反馈。
• 力反馈：向用户的手或身体施加力，以模拟虚拟物体的重量和阻力。
• 触觉反馈：使用小型执行器模拟虚拟物体的纹理和形状。

3D 建模和渲染

3D 建模和渲染用于创建和显示虚拟对象和环境。这涉及创建对象的 3D 模型、应用纹理和材质，并实时渲染它们。

• 3D 建模软件：用于创建对象和环境的 3D 模型。
• 渲染引擎：用于实时渲染 3D 模型。
• 着色器：用于控制表面和材料的外观。

空间计算的应用

空间计算有可能改变广泛的行业和应用。以下是一些关键示例：

游戏和娱乐

空间计算正在彻底改变游戏和娱乐行业，创造更身临其境和更具吸引力的体验。VR 游戏将玩家带入奇幻世界，而 AR 游戏则将数字内容叠加到现实世界之上。空间音频和触觉反馈进一步增强了沉浸式体验，使游戏感觉更逼真和更具吸引力。

教育和培训

空间计算正在通过提供更具互动性和吸引力的学习体验来改变教育和培训。VR 模拟允许学生在安全可控的环境中练习复杂的操作，而 AR 应用程序通过 3D 模型和模拟使教科书栩栩如生。例如，尼日利亚的医学生可以使用 VR 在对真实患者进行手术之前练习手术程序。

医疗保健

空间计算正被用于医疗保健，以治疗恐惧症、管理疼痛和康复患者。VR 疗法可以帮助患者在安全可控的环境中克服恐惧症，而 AR 应用程序可以帮助外科医生规划和执行复杂的手术。VR 用于疼痛管理在烧伤患者中特别有效，减少了他们在全球医院对止痛药的依赖。

制造业和工程

空间计算正在提高制造业和工程领域的效率和生产力。AR 应用程序指导工人完成复杂的组装任务，而 MR 允许设计师在共享的物理空间中协作 3D 模型。数字孪生，物理资产的虚拟副本，越来越多地用于监控和优化工业流程。例如，劳斯莱斯使用数字孪生实时监控其喷气发动机的性能，从而预测和防止故障。

零售和电子商务

空间计算正在改变零售和电子商务行业，为客户提供更具吸引力和个性化的购物体验。AR 应用程序允许客户虚拟试穿衣服，将家具放在家中，并在现实世界环境中可视化产品。这可以增加销售额、减少退货并提高客户满意度。许多在线零售商现在提供 AR 工具，让世界各地的消费者可以在自己的家中可视化产品。

房地产

空间计算允许潜在买家从世界任何地方虚拟参观房产。这对于国际买家或无法亲自参观房产的人特别有用。AR 应用程序还可以用于可视化现有房产的翻新和改进。

挑战和机遇

虽然空间计算蕴藏着巨大的潜力，但要充分实现其收益，需要解决几个挑战。这些包括：

• 技术限制：当前的 AR 和 VR 头显可能笨重、昂贵且电池寿命有限。
• 内容创建：创建高质量的 3D 内容可能耗时且昂贵。
• 用户体验：设计直观且引人入胜的空间界面可能具有挑战性。
• 隐私和安全：保护用户数据并确保空间环境的安全至关重要。
• 伦理考量：解决空间计算的伦理影响，例如成瘾和社会孤立的可能性。

尽管存在这些挑战，但空间计算的机会是巨大的。随着技术的不断发展，我们可以期待在未来看到更多创新和变革性的空间计算应用。

空间计算的未来

空间计算的未来是光明的，它有可能彻底改变我们与技术和周围世界的互动方式。一些需要关注的关键趋势包括：

• 硬件的进步：更轻、更强大、更实惠的 AR 和 VR 头显。
• 改进的软件和算法：更复杂的计算机视觉、空间音频和触觉反馈技术。
• 元宇宙的兴起：开发共享的虚拟世界，用户可以在其中相互交互和使用数字内容。
• 在企业中的广泛采用：空间计算在制造业、工程、医疗保健和其他行业中的更广泛应用。
• 内容创作的民主化：用于创建 3D 内容和空间体验的更易于使用的工具。

空间计算不仅仅是一种技术趋势；它是一种范式转变，将从根本上改变我们的生活、工作和娱乐方式。随着我们走向一个更加身临其境和相互关联的世界，空间计算将在塑造我们的未来方面发挥越来越重要的作用。

结论

空间计算正在改变我们与数字世界的交互方式，从传统的 2D 界面转向沉浸式 3D 环境。通过在三个维度上理解和交互物理世界，空间计算为不同行业和我们日常生活的创新和变革打开了广阔的可能性。虽然挑战依然存在，但空间计算的未来是光明的，它承诺为每个人创造一个更身临其境、更直观、更相互关联的世界。