ISOIEC TS 238842021 信息技术.计算机图形学 图像处理和环境数据表示法.虚拟 混合和增强现实（VRMAR）中物体基于模型的触觉模拟的材料特性和参数表示法标准立项发展报告

信息技术计算机图形学图像处理和环境数据表示法虚拟、混合和增强现实中物体基于模型的触觉模拟的材料特性和参数表示法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Informationtechnology—Computergraphics,imageprocessingandenvironmentaldatarepresentation—Materialpropertyandparameterrepresentationformodel-basedhapticsimulationofobjectsinvirtual,mixedandaugmentedreality(VR/MAR)摘要研究背景：随着虚拟现实（VR）、混合现实（MR）和增强现实（AR）技术的飞速发展，触觉反馈已成为提升用户沉浸感和交互真实感的关键技术瓶颈。当前，触觉模拟领域存在数据格式不统一、材料特性描述缺乏标准化、设备间互操作性差等问题，严重制约了跨平台触觉内容的重用和数字孪生技术的发展。主要内容：本标准（ISO/IECTS23884:2021）是国际标准化组织（ISO）颁布的一项技术规范，旨在为虚拟、混合和增强现实（VR/MAR）环境中的基于模型的触觉模拟建立统一的材料特性和参数表示框架。标准定义了触觉渲染中物体材料属性的数据结构，包括刚度、阻尼、摩擦系数、纹理粗糙度等核心参数，并规定了这些参数与视觉、声学模型耦合的接口规范，为触觉-视觉-声学一体化的多模态仿真奠定了数据基础。重要结论：本标准的发布标志着触觉模拟从“经验式开发”迈入“标准化定义”的新阶段。通过统一参数表示法，该标准能够显著降低触觉内容的开发成本，增强不同触觉设备（如力反馈手套、振动触觉笔）之间的兼容性，并为工业仿真、医疗培训、远程操控及虚拟试穿等高端应用场景提供了可复用的数据资产。标准的实施将加速VR/MAR技术在精密制造、康复医疗和教育培训领域的产业化落地。关键词虚拟现实；增强现实；触觉模拟；材料特性；数据表示；互操作性；多模态仿真；国际标准Keywords:VirtualReality;AugmentedReality;HapticSimulation;MaterialProperties;DataRepresentation;Interoperability;MultimodalSimulation;InternationalStandard正文1.引言：触觉模拟标准化的重要意义在信息技术的演进历程中，人机交互经历了从命令行界面（CLI）到图形用户界面（GUI），再到如今自然用户界面（NUI）的深刻变革。虚拟现实（VR）、混合现实（MR）与增强现实（AR）作为NUI的集大成者，正逐渐将视觉、听觉与触觉通道融合。然而，长期以来，触觉模拟技术的发展滞后于视听技术，其核心瓶颈在于触觉数据缺乏统一的描述语言。当前的触觉内容开发高度依赖于特定厂商的硬件和软件平台，存在严重的“数据孤岛”现象。例如，一个在实验室环境下精细调校的虚拟物体（如手术刀切分组织的触感）无法直接移植到另一品牌的触觉手套上。这种碎片化不仅增加了开发成本，更阻碍了数字孪生、远程医疗等关键应用的规模化推广。在此背景下，国际标准化组织（ISO）联合国际电工委员会（IEC）发布了ISO/IECTS23884:2021。该标准并非规定具体的硬件实现方式，而是聚焦于数据层面，定义了物体在虚拟空间中的“触觉基因”。通过对材料特性与参数进行抽象和标准化编码，本标准为构建一个开放、互通、可复用的全球触觉内容生态提供了顶层设计。2.标准核心内容与技术架构本标准（ISO/IECTS23884:2021）属于ISO/IECJTC1/SC24（计算机图形、图像处理和环境数据表示）的技术规范。其核心理念是“模型驱动”的触觉模拟，即不依赖传感器实时采集，而是通过预先定义的物理模型参数来计算触觉反馈。标准的主要内容可分为以下三个层次：2.1触觉基元参数的定义标准明确了构成物体触觉体验的最小单元参数集，确保了不同开发者在描述同一材质（如硅胶、木材、金属）时具有一致性。主要包括：-力学属性：包括刚度（Stiffness）、阻尼系数（DampingCoefficient）、弹性模量（Young’sModulus）等，用于描述物体受压时的变形与反作用力。-表面属性：包括静摩擦系数（StaticFriction）、动摩擦系数（DynamicFriction）以及表面粗糙度（SurfaceRoughness），用于描述手指或工具在物体表面滑动时的力反馈。-热力学属性：包括热导率（ThermalConductivity）和热容量（HeatCapacity），用于模拟触摸冷热物体时的温感变化。-振动力学属性：定义了物体受撞击或摩擦时产生的振动频率与振幅，常用于模拟纹理细节（如砂纸）或材料破裂感。2.2数据表示与编码规范为了确保数据的跨平台可读性，标准规定了参数的组织结构。它采用层级化数据模型，将物体分解为多个“触觉区域”（HapticRegion）。每个区域包含上述参数的数值及置信度。例如，一个虚拟茶杯模型可被分解为“杯身”（光滑、硬质、低温）、“把手”（粗糙、硬质、中温）和“液体表面”（流体动力学属性），每个部分均独立编码。2.3与视觉-声学模型的同步接口这是本标准的创新点之一。它定义了触觉参数与传统3D图形文件（如OBJ、FBX、glTF）及音频文件的关联机制。标准建议在三维场景树中挂载触觉数据节点，使得当视觉碰撞检测发生时，系统能自动调用对应的触觉参数进行渲染。这种“全局协调”机制避免了多模态感官间的体验撕裂感。3.技术演进与行业需求分析从技术演进的视角看，本标准的发布是对现有VR/MAR应用瓶颈的精准回应。在2021年之前，触觉模拟主要依赖两种方式：一种是基于物理引擎（如Havok、PhysX）的通用碰撞反馈，这种反馈往往粗糙且缺乏材质细节；另一种是基于特定硬件驱动的自定义API，开发者需要为每款设备编写底层驱动，生态封闭。随着全球数字化转型的加速，特别是“元宇宙”（Metaverse）和数字孪生概念的兴起，市场对高保真、可交互、可交易的虚拟资产提出了迫切需求。例如，在电子商务领域，用户不仅要“看到”一件衣服的款式，更希望“摸到”其面料（如真丝与棉麻的触感区别）。这种需求催生了标准化。根据行业报告（诸如ABIResearch），全球触觉技术市场预计在2025-2030年间将保持超过15%的年复合增长率。然而，增长速度受限于内容生态的匮乏。ISO/IECTS23884:2021的出台，相当于为开发者提供了一本“通用字典”，允许他们编写一次触觉内容，即可应用于多种终端设备（如触觉手套、力反馈摇杆、全身触觉衣）。这不仅降低了开发门槛，更触发了内容的资产化和交易化。4.标准对产业应用的重大促进作用本标准的应用价值不仅体现在技术层面，更深刻影响着多个垂直行业：-高端工业仿真与设计：在汽车、航空领域，工程师通过VR进行内饰装配检查时，标准可确保虚拟旋钮的阻尼感、按键的触底感与物理样机高度一致，极大减少实体样机迭代次数。-远程医疗与手术培训：在触觉模拟中，人体组织的弹性、韧性和切割阻力是训练的关键。标准的实施使得不同类型组织（如动脉壁、肌腱、骨骼）的触觉参数可以被精确录入，并利用力反馈设备向医学生进行教学，实现标准化的手术技能训练。-文化遗产保护：通过数字孪生技术，结合本标准，游客可在线上“触摸”脆弱的文物（如青铜器的纹路、丝绸的质感），既保护了实物，又提供了沉浸式观展体验。-虚拟试穿与C端消费：服装电商平台可利用标准化的触觉参数库，让消费者通过手机震动或专用笔感受不同布料的质感，提升线上购物决策的准确性和满意度。5.主要参与标准制修订的权威机构介绍本标准的制定工作主要由ISO/IECJTC1/SC24（计算机图形、图像处理和环境数据表示分技术委员会）主导。SC24是国际标准化组织与国际电工委员会第一联合技术委员会（JTC1）下的重要分支，是全球计算机图形、虚拟现实及环境数据表示领域内最权威的标准化组织。SC24致力于开发和维护支撑计算机图形学、虚拟现实、增强现实和混合现实交互的国际标准。其工作范围涵盖了从低阶的图形API（如已有广泛应用的OpenGL生态相关标准）到高阶的场景描述语言、几何数据交换格式，以及面向未来的多模态交互标准。该委员会汇集了来自全球顶级科技企业（如微软、索尼、西门子）、顶尖大学研究机构以及各国标准化机构（如中国的国标委）的专家。在推动ISO/IECTS23884:2021的进程中，SC24发挥了关键的统筹与协调作用。它组织了多次国际研讨会，解决了诸如“如何量化触觉中的‘粗糙感’使其具备跨文化普适性”等专业难题。SC24的专家团队不仅是本标准的撰写者，更是“触觉+图形+声学”一体化标准的引领者。未来，基于本标准的迭代，SC24将继续推动从“技术规范”（TS）向“国际标准”（IS）的升级，并探索与ISO11064（人机工程学）、ISO9241（人机交互）等标准的协同与融合，从而构建一个完整的数字化触觉生态法律与技术框架。结论ISO/IECTS23884:2021《信息技术.计算机图形学.图像处理和环境数据表示法.虚拟、混合和增强现实中物体基于模型的触觉模拟的材料特性和参数表示法》的发布，是虚拟现实技术从“视觉沉浸”迈向“全感官沉浸”里程碑式的技术基座。它不仅解决了长期以来困扰触觉行业的数据互操作性和内容复用性问题，更通过精确的参数化描述，为数