ISOIEC 211452023 信息技术计算机图形学、图像处理和环境数据表示混合和增强现实的风格表示标准立项发展报告

信息技术计算机图形学、图像处理和环境数据表示混合和增强现实的风格表示标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Informationtechnology—Computergraphics,imageprocessingandenvironmentaldatarepresentation—Stylerepresentationformixedandaugmentedreality摘要随着混合现实（MR）和增强现实（AR）技术在工业制造、医疗健康、教育培训、文化娱乐等领域的广泛应用，三维场景中物体风格的高效表示与统一交换已成为制约产业发展的关键共性技术问题。ISO/IEC21145:2023《信息技术计算机图形学、图像处理和环境数据表示混合和增强现实的风格表示》由国际标准化组织（ISO）与国际电工委员会（IEC）联合发布，旨在为MR/AR环境中的风格表示建立统一的国际标准框架。本标准基于MPEG架构体系，定义了风格表示的抽象层次模型、核心数据结构、渲染工作流及外部数据引用机制，解决了异构平台间风格数据互操作性不足、渲染一致性难以保障、三维资源跨平台复用效率低下等突出问题。本报告系统梳理了该标准的立项背景、技术框架、核心内容、产业应用现状及未来发展趋势，并结合国内标准体系建设现状提出了应用实施建议。分析表明，该标准的发布将有效推动三维内容生产管线的标准化进程，为数字孪生、元宇宙等新兴业态的底层技术生态构建提供重要支撑。关键词：混合现实；增强现实；风格表示；ISO/IEC21145；三维图形标准；互操作性Keywords:MixedReality;AugmentedReality;StyleRepresentation;ISO/IEC21145;3DGraphicsStandard;Interoperability一、引言1.1研究背景近年来，混合现实（MixedReality,MR）与增强现实（AugmentedReality,AR）技术经历了从实验室原型到规模化商用产品的关键转折。根据国际数据资讯（IDC）发布的市场追踪报告，全球AR/VR头显市场在2023年出货量持续增长，预计到2027年将以稳定的年复合增长率持续扩张，产业已进入快速成长通道。与此同时，数字孪生、元宇宙等新兴概念对三维场景的真实感渲染和实时交互提出了更高要求，推动三维图形技术从传统的几何建模与材质贴图向更加丰富的视觉风格表达演进。然而，标准化的滞后已成为制约产业进一步发展的瓶颈。在当前的MR/AR应用生态中，三维内容的风格信息（包括材质属性、着色器配置、光照模型参数、渲染管线设定等）往往以私有格式存储于各厂商的专有引擎和工具链中。不同平台（如Unity、UnrealEngine、OpenXR等）之间的风格数据交换需要大量人工适配和转换工作，不仅效率低下，而且极易导致视觉效果的失真和偏差。这一问题在跨平台内容发布、多设备协同渲染、三维资产长期保存等场景中表现得尤为突出。1.2标准立项的必要性在此背景下，国际标准化组织（ISO）与国际电工委员会（IEC）下属的联合技术委员会JTC1（信息技术委员会）下属的SC24分技术委员会（计算机图形、图像处理和环境数据表示）启动了ISO/IEC21145标准的制定工作。该标准旨在为MR/AR环境中的风格表示建立一套与国际标准接轨的统一框架，解决三维内容生产与交换中风格信息的标准化难题。本报告对该标准的立项背景、技术内容、产业影响及未来发展方向进行系统分析，以期为国内相关企事业单位和技术人员理解和应用该标准提供参考，同时为我国参与国际三维图形标准制定工作提供借鉴。1.3MR/AR风格表示的标准化需求三维场景中的“风格”（Style）是一个涵盖广泛的概念，从狭义的材质外观到广义的艺术风格。在图形学实践中，风格通常涉及以下几个层面：-表面外观层：包括漫反射、镜面反射、透明度、粗糙度等物理属性，以及基于物理渲染（PBR,PhysicallyBasedRendering）所需的参数集合；-着色与渲染层：包括着色器程序、渲染状态配置、混合模式、深度测试规则等技术参数；-场景光照层：包括光源类型、光照强度、阴影配置、全局光照与环境映射等；-后期处理层：包括色调映射、色彩分级、辉光效果、景深模拟等图像后处理效果；-程序化与自定义层：包括程序化纹理生成规则、自定义材质函数、可视化脚本等。在传统的三维图形标准化工作中（如VRML、X3D等），上述信息往往零散分布于各个节点定义中，缺乏统一的抽象模型和交换格式。ISO/IEC21145正是针对这一空白提出的解决方案，其核心理念是将风格表示为独立于几何数据的一等公民（first-classcitizen），从而实现风格数据的三维模型解耦、跨平台复用和动态切换。二、标准概述2.1标准基本信息ISO/IEC21145:2023由国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）联合技术委员会JTC1/SC24分技术委员会负责制定，于2023年9月22日正式发布。该标准属于“计算机图形、图像处理和环境数据表示”标准体系的重要组成部分。标准编号：ISO/IEC21145:2023中文名称：信息技术计算机图形学、图像处理和环境数据表示混合和增强现实的风格表示英文名称：Informationtechnology—Computergraphics,imageprocessingandenvironmentaldatarepresentation—Stylerepresentationformixedandaugmentedreality标准状态：现行（Published）发布机构：国际标准化组织（ISO）/国际电工委员会（IEC）ICS分类号：35.140（计算机图形技术）发布日期：2023年9月22日2.2标准体系定位ISO/IEC21145属于ISO/IECJTC1/SC24制定的系列标准之一。SC24是国际标准化组织中负责计算机图形、图像处理和环境数据表示标准化的专门机构，其标准体系涵盖了三��图形核心标准（如ISO/IEC14496系列，即MPEG-4）、虚拟现实建模语言（ISO/IEC14772，即VRML，VirtualRealityModelingLanguage）、可扩展三维图形标准（ISO/IEC19775，即X3D，eXtensible3D）、以及混合与增强现实相关标准（ISO/IEC18038等）。ISO/IEC21145的发布填补了SC24标准体系中针对MR/AR风格表示的空白，与以下标准形成了良好的互补关系：-ISO/IEC14496-11（MPEG-4Part11：场景描述和应用引擎）：提供场景结构与交互控制框架；-ISO/IEC19775（X3D）：提供三维场景图抽象定义；-ISO/IEC18038（AR参考模型）：定义AR系统的架构参考模型；-ISO/IEC23488（MR/AR物体与场景的可视化表示）：提供视觉表示方法。2.3标准适用范围该标准适用于以下应用场景：-跨平台三维内容发布：面向Web3D、移动AR、头戴式显示器（HMD）等多种终端设备的统一内容分发；-三维资产管理与交换：在内容生产管线中实现风格数据与几何模型的解耦管理与高效流转；-多设备协同渲染：在异构设备间保持视觉风格的一致性；-三维内容存档与复用：为三维数字化遗产、虚拟展示等内容提供长期可读的风格数据格式。三、标准核心内容分析3.1风格表示的抽象层次模型ISO/IEC21145规定了混合和增强现实场景中风格数据的标准化表示方法，涵盖材质纹理、光照属性、渲染状态等多个维度。标准的核心理念在于将风格信息从具体的渲染引擎和文件格式中解耦，形成一个独立于硬件和软件平台的通用数据表示。该标准采用分层的风格抽象模型，将风格数据划分为多个层次。通过这种方式，三维内容创作者可以仅定义风格属性一次，即可在不同引擎和平台上复用。这一设计理念显著降低了三维内容跨平台移植的成本，有效避免了因平台差异导致的视觉表现不一致问题。风格抽象模型的核心价值在于：第一，提高内容生产效率。在传统的三维内容生产流程中，针对不同目标平台往往需要制作多套材质和渲染配置。而基于统一的风格抽象模型，内容创作者只需维护一套风格定义，即可通过标准规定的映射机制适配到不同平台，将原本需要数天完成的跨平台适配工作压缩到数小时内完成。第二，保障视觉一致性。在多设备协同应用场景中（如多人协作MR体验），不同品牌的头戴显示设备由于GPU能力和渲染管线的差异，常常出现同一虚拟物体的外观在不同设备上明显不一致的问题。统一的风格抽象模型为视觉一致性提供了基准描述，设备制造商可以据此设计适配器，从底层保障用户体验的一致性。第三，促进资产长期保存与复用。风格数据与渲染引擎的解耦使得三维资产不因特定软件或硬件的淘汰而失效，这对于文化遗址数字化保存、工业产品数据归档等需要长期维护的应用场景具有重要意义。3.2同步与渲染工作流ISO/IEC21145规定了风格数据的独立更新机制和整体替换机制。风格数据可以在不修改三维几何模型的前提下独立更新或整体替换，这一特性为运行时动态风格切换提供了技术基础。在实际应用中，这一特性的价值体现在多个方面：-动态主题切换：在虚拟展厅中，策展方可以根据不同展览主题实时切换整体视觉风格，无需重新加载或修改三维模型数据；-多版本视觉呈现：在建筑设计评审场景中，评审人员可以在同一建筑模型上即时切换不同的材质方案（如石材、木材、金属等），直观对比设计效果；-渐进式内容加载：在带宽受限的移动AR场景中，可以优先传输几何数据完成基础渲染，再按需加载风格数据进行视觉增强，显著改善用户体验。此外，该标准与MPEG（MovingPictureExpertsGroup，动态图像专家组）体系下的相关标准形成了有效的协作。MPEG在三维场景表示和流媒体传输方面积累了丰富的标准化成果，ISO/IEC21145与这些标准的衔接，使得风格数据可以纳入多媒体内容分发管线进行流式传输和调度，推动了风格数据的网络化分发和跨平台交换。3.3外部数据引用机制在三维场景的实际构建过程中，纹理图像、环境光照贴图等外部资源通常以独立文件形式存在。为有效管理这些资源，ISO/IEC21145提供了标准化的外部数据引用机制，使风格定义能够灵活引用统一资源标识符（URI）定位的外部数据。该机制支持以下引用场景：-纹理贴图引用：引用漫反射贴图、法线贴图、粗糙度贴图等纹理资源；-光照环境引用：引用高动态范围（HDR）环境贴图、光照探针数据等；-着色器程序引用：引用可编程着色器源码或编译后二进制数据；-配置文件引用：引用渲染管线配置、色彩管理配置等辅助数据。外部数据引用机制的设计兼顾了灵活性与安全性：内容创作者可以根据实际需求选择嵌入数据或引用外部资源；标准同时规定了引用解析的规则和安全约束，防止恶意引用导致的代码注入和数据泄露风险。这一机制为大型场景的高效组织和增量更新提供了技术支撑。四、参与制定的企事业单位介绍ISO/IEC21145:2023的制定汇集了国际标准化组织框架下各成员国专家的共同努力。在中国，全国计算机图形标准化分技术委员会组织国内相关单位深度参与了该标准的制定工作。以下重点介绍该标准国内主要参与单位——中国电子技术标准化研究院。4.1中国电子技术标准化研究院中国电子技术标准化研究院（工业和信息化部电子工业标准化研究院，简称CESI，ChinaElectronicsStandardizationInstitute）创建于1963年，是工业和信息化部直属事业单位，也是中国电子信息技术领域最权威的国家级标准化专业机构之一。CESI长期承担全国信息技术标准化技术委员会的秘书处工作，在信息技术标准领域积累了六十余年的深厚经验。在计算机图形与虚拟现实标准化方向，CESI发挥了重要的组织与引领作用：-国内标准化组织建设：CESI牵头组建了全国信息技术标准化技术委员会计算机图形图像分技术委员会及虚拟现实标准工作组，系统规划并推动了中国虚拟现实和三维图形技术标准体系的建设；-国际标准制定参与：作为中国国家委员会的核心技术支撑单位，CESI长期派专家参与ISO/IECJTC1/SC24的工作，在三维图形、混合现实、增强现实等国际标准的制定中持续贡献中国方案和工程实践经验；-产业生态构建：CESI联合国内虚拟现实龙头企业、科研院所和高校，形成了覆盖标准制定、测试验证、产业推广的完整闭环，为ISO/IEC21145等国际标准在中国的落地应用提供了有力保障。在ISO/IEC21145的制定过程中，中国电子技术标准化研究院主要开展了以下工作：一是组织国内产业需求调研。依托国内虚拟现实标准化工作组的渠道，系统收集了国内MR/AR企业在三维内容生产、跨平台发布和设备兼容方面的实际需求，形成了具有产业代表性的中国意见。二是组织专家参与标准草案编制与评审。组织国内三维图形、虚拟现实和渲染技术领域的专家对标准各阶段草案（工作草案、委员会草案、国际标准草案）进行逐条审议，围绕风格抽象模型的设计、外部数据引用机制等技术议题提出了多项具有工程实践价值的技术建议。四是推动国际标准与国内标准体系的衔接。在参与国际标准制定的同时，同步研判国内相关标准与ISO/IEC21145的配套关系，为国内标准的制修订工作提供国际参考。CESI在推动国际标准与国内标准体系衔接方面的工作具有重要的战略性意义。通过将ISO/IEC21145的核心架构与国内现有三维图形标准进行映射分析，CESI为中国MR/AR产业的标准化工作提供了清晰的技术路径，避免了标准重复建设，提高了标准体系的整体效率。五、结论与展望5.1标准带来的核心价值ISO/IEC21145:2023的发布是混合现实和增强现实标准化进程中的一个重要里程碑。该标准针对MR/AR场景中风格表示缺乏统一规范这一长期存在的痛点，建立了涵盖抽象模型、同步机制和外部引用的完整技术框架，为三维内容的跨平台交换与共享扫清了关键障碍。从技术层面来看，该标准实现了三个重要突破：一是风格表示从三维场景描述中的从属地位提升为独立可交换的一等实体，实现了风格数据与几何数据的解耦管理；二是通过分层抽象模型兼容不同渲染引擎的技术差异，为异构平台的互联互通提供了公共语言；三是通过外部数据引用和更新机制，为运行时动态风格切换和增量内容更新提供了标准化通道。从产业层面来看，该标准的应用将直接降低三维内容生产的适配成本，提升跨平台发布的效率与质量，并为数字孪生、工业元宇宙、虚拟文化遗产保护等新兴应用场景提供标准化的技术支撑。5.2未来发展趋势展望未来，ISO/IEC21145的推广实施和后续演进将呈现以下趋势：标准体系化发展。随着MR/AR技术在行业中的深入渗透，ISO/IECJTC1/SC24将继续完善混合与增强现实标准体系，ISO/IEC21145有望与相关标准形成更加紧密的配套关系，共同构建覆盖场景描述、风格表示、交互协议、测试评估的完整标准工具箱。与新兴技术融合。人工智能生成内容（AIGC,ArtificialIntelligenceGeneratedContent）技术的快速发展正在深刻改变三维内容的生产方式。如何将AI生成的三维模型风格数据无缝接入ISO/IEC21145定义的标准化表示框架，将成为标准后续修订的重要方向。同时，实时全局光照、神经渲染等新型渲染技术的涌现也将推动标准内容的持续更新。产业应用深化。随着增强现实眼镜、混合现实头显等终端设备的成熟和普及，制造业、医疗、教育、文旅等行业对标准化三维内容的需求将快速增长。ISO/IEC21145有望成为这些行业数字化转型的关键技术标准之一，推动三维内容生产从“手工作坊”向“工业化流水线”的转变。5.3国内应用建议对于国内相关企事业单位，本标准具有重要的参考和借鉴价值：加快标准跟踪与转化。建议国内相关标准化技术机构密切跟踪ISO/IEC21145的国际应用反馈，根据中国产业发展实际需求，适时推动该国际标准向国内标准的转化或参考采用。推动产业实践验证。鼓励国内MR/AR内容开发工具厂商、头显设备制造商和行业应用集成商在技术研发中参考该标准，积累应用案例和实践经验，为标准的持续改进提供反馈。加强自主技术布局。在参考借鉴国际标准的同时，重点关注风格抽象模型扩展机制、风格数据压缩编码、多设备一致性渲染等关键技术的自主创新，在技术快速演进期争取更多话语权。加强标准化人才培养。鼓励更多青年技术人员参与国际标准制定工作，积累标准化工作经验，提升中国在国际三维图形标准化领域的影响力和贡献度。综上所述，ISO/IEC21145:2023作为混合现实与增强现实风格表示领域的重要国际标准，为三维内容的标准化生产、高效交换和跨平台应用奠定了技术基石。随着相关技术和产业生态的持续演进，该标准的价值将得到更充分的体现，并将深刻影响三维图形技术标准化的发展走向。参考文献[1]ISO/IEC21145:2023,Informationtechnology—Computer