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、智慧城市等领域的规模化应用，不同应用场景之间对三维场景视觉风格一致性、互操作性和可复用性的需求日益迫切。然而，由于缺乏统一的风格表示规范，各系统间在渲染风格、光照模型、材质表达和交互视觉反馈等方面存在显著差异，导致内容资产重复开发、跨平台移植困难、用户体验不一致等问题。在此背景下，国际标准化组织（ISO/IEC）于2023年9月22日正式发布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》标准。该标准定义了面向混合和增强现实应用的风格表示框架，涵盖风格属性分类、数据结构定义、语义表达规则及与现有三维图形标准的兼容机制，旨在为AR/MR系统中的视觉风格提供统一、可扩展的标准化描述方法。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制原则、核心技术内容及其行业应用价值，并对标准实施后的技术生态影响和未来演进方向进行了展望。报告指出，ISO/IEC21145:2023的发布填补了AR/MR领域风格表示国际标准的空白，对推动混合现实内容资产的跨平台复用、降低开发成本、提升用户体验一致性具有重要的基础性支撑作用。关键词：混合现实；增强现实；风格表示；ISO/IEC21145；计算机图形学；互操作性；三维内容标准化Keywords:MixedReality;AugmentedReality;StyleRepresentation;ISO/IEC21145;ComputerGraphics;Interoperability;3DContentStandardization一、引言1.1立项背景与行业需求近年来，增强现实（AugmentedReality,AR）与混合现实（MixedReality,MR）技术经历了从实验室原型到规模化产业应用的深刻转变。据国际数据公司（IDC）发布的全球AR/VR市场指南预测，2023年全球AR/VR市场规模已突破300亿美元，年复合增长率保持在25%以上。从工业领域的远程运维辅助、设计评审，到医疗领域的手术导航、解剖教学，再到教育领域的沉浸式课堂和文化遗产的数字化复原，AR/MR技术正以前所未有的深度和广度渗透至国民经济的各个领域。然而，产业高速发展的同时也暴露出一个长期被忽视却日趋严峻的基础性问题——风格表示的缺失与不统一。所谓风格表示（StyleRepresentation），是指对三维场景中视觉呈现方式的形式化描述，包括但不限于渲染风格（写实、卡通、线稿、水彩等）、光照环境（光源位置、强度、色温、阴影策略）、材质属性（粗糙度、金属度、透明度、自发光）、色彩映射方案、交互视觉反馈（选中高亮、状态变色、运动轨迹）以及界面元素的视觉语言等。在当前的AR/MR开发生态中，不同引擎（如Unity、UnrealEngine）、不同硬件平台（如MicrosoftHoloLens、MagicLeap、AppleVisionPro）和不同内容创作工具之间，风格定义的实现方式各不相同。同一份三维场景资产在不同平台上需要重新调整材质参数和渲染设置，才能达到接近一致的视觉呈现。这不仅导致大量的重复性劳动，增加了内容开发成本，更严重制约了跨平台内容分发和资产复用的效率。据行业调研数据显示，AR/MR应用开发中约有30%~40%的工作量耗费在跨平台视觉风格适配与调优环节。更为关键的是，在工业协同设计、远程医疗会诊和多人共享AR/MR协作场景中，不同参与方可能使用不同品牌、不同型号的终端设备。如果缺乏统一的风格表示标准，则每个参与者所看到的场景视觉呈现可能产生显著差异，直接影响协同决策的准确性和效率。例如，在远程工业维修场景中，指导端绘制的红色高亮标注区域，在执行端可能因色彩配置文件不同而显示为橙色甚至已淡出，造成安全隐患。1.2国际标准化需求的产生正是在上述产业背景下，ISO/IECJTC1（联合技术委员会）下属的SC24（计算机图形学、图像处理和环境数据表示分技术委员会）于2019年前后启动了针对AR/MR风格表示标准化需求的调研工作。SC24长期致力于计算机图形学和虚拟环境相关的国际标准制定，已发布包括ISO/IEC14496（MPEG-4）、ISO/IEC19774（H-Animation）、ISO/IEC19775（X3D）等一系列重要标准。然而，此前已发布的标准多集中于几何数据表示、动画定义和场景结构描述，尚无以风格表示为核心对象的专项标准。2020年起，由中国、韩国、德国等国国家成员体联合提议，SC24正式立项"Stylerepresentationformixedandaugmentedreality"研究课题，随后成立专项工作组（WG7）负责标准草案的起草工作。经过多轮国际研讨、草案修订和技术评审，该标准于2023年正式发布，标准编号为ISO/IEC21145:2023。二、标准编制原则与技术路线2.1编制原则ISO/IEC21145:2023的编制遵循了以下四项基本原则：（1）兼容性原则。该标准在设计之初即确立了与现有国际标准体系兼容的导向。风格表示的数据模型在设计上参考并复用了ISO/IEC19775（X3D）中的部分抽象数据结构和语义定义方式，同时为与ISO/IEC14496（MPEG系列）的交互场景描述预留了映射接口。这使得该标准不是孤立的技术规范，而是有机嵌入已有三维图形标准体系的重要组成部分。（2）可扩展性原则。AR/MR技术发展迅速，新的渲染算法、显示技术和交互模式不断涌现。为此，标准采用了分层架构设计，将风格表示划分为核心层和扩展层。核心层定义了所有实现必须支持的通用风格属性及其语义；扩展层则允许不同行业或应用领域根据自身需求定义专有风格属性，同时确保扩展属性与核心属性在描述框架内共存运作。（3）平台无关性原则。为避免标准被特定硬件或软件生态所绑定，所有风格属性的定义均采用抽象语义描述方式，不直接绑定任何特定渲染引擎的应用编程接口（API）或硬件描述语言。从抽象定义到具体实现之间的映射关系由各平台自行完成，从而确保标准在不同技术栈中的普适性。（4）可用性与可实施性原则。标准在起草过程中充分考虑了实际工程应用的可操作性。每个风格属性均包含明确的取值范围、缺省值和处理行为说明，提供了丰富的示例（例：典型风格配置文件的XML描述），以降低标准实现者的理解成本和技术门槛。2.2技术路线在技术路线上，ISO/IEC21145:2023采用了一种"基于属性分类的风格描述框架"。标准首先对AR/MR系统中的风格要素进行系统化分类，确立了风格属性的分类学体系；其次，针对每一类风格属性定义其数据结构和语义规则；最后，通过定义风格配置文件（StyleConfigurationProfile）的格式规范，将分散的风格属性整合为可整体应用、可跨系统交换的风格描述单元。该技术路线的核心创新之处在于，它将通常被认为"难以形式化"的视觉风格问题转化为结构化的数据描述问题。通过建立风格属性的分类体系和语义规则，实现了风格描述的精确性、完备性和可交换性。三、标准主要内容解析3.1风格属性分类体系ISO/IEC21145:2023将混合和增强现实中的风格表示划分为以下五大类属性：（1）渲染风格属性（RenderingStyleAttributes）。描述三维场景的整体视觉呈现方式，包括但不限于写实风格、卡通/非真实感渲染（NPR）风格、线稿风格、水彩/手绘风格、像素风格等。每个风格类型关联一组渲染参数模板，如描边宽度、色调映射曲线、饱和度调节范围等。（2）光照与阴影属性（LightingandShadowAttributes）。定义虚拟光源的类型（平行光、点光源、聚光灯、面光源等）、位置姿态、强度分布、色温、阴影生成策略（硬阴影/软阴影）、阴影贴图分辨率等，同时定义了虚拟光源与真实环境光照之间的融合策略，这是AR场景特有的风格要素。（3）材质与纹理属性（MaterialandTextureAttributes）。基于物理渲染（PBR）框架描述表面材质的光学属性，包括基础色、金属度、粗糙度、法线扰动、环境光遮蔽、自发光强度等参数。纹理属性部分则规定了纹理坐标映射方式、纹理滤波策略和贴图混合模式等。（4）交互语义风格属性（InteractionSemanticsStyleAttributes）。描述用户交互过程中的动态视觉反馈风格，例如对象选中状态的高亮方式（轮廓描边、发光脉冲、颜色翻转等）、拖拽操作中的运动轨迹显示风格、状态切换的过渡动画曲线等。（5）界面与空间UI风格属性（InterfaceandSpatialUIStyleAttributes）。面向AR/MR中空间用户界面元素的视觉风格描述，包括虚拟面板的尺寸比例体系、圆角曲率规范、字体家族与排版风格、图标线条风格、配色方案及色彩对比度约束等。3.2风格配置文件定义标准规定了一种基于XML语法的风格配置文件格式，用于将上述各类风格属性组合为一个完整的、可独立分发的风格描述单元。风格配置文件具有以下结构层级：-文件头信息：包含标准版本号、配置文件名称、创建者信息、适用的AR/MR应用类别等元数据；-风格属性主体：按照五大属性类别分组的具体风格属性定义节点，每个节点包含属性名、属性值、可选的取值范围约束和语义注释；-继承与覆盖机制：允许一个风格配置文件继承另一个配置文件的基础属性，并在局部进行覆盖调整，从而实现风格体系的层级化管理和细化定制。3.3与现有标准的映射关系为提升标准在实际系统中的可落地性，ISO/IEC21145:2023在附录中提供了风格属性与主流三维格式及引擎属性之间的映射建议。例如，渲染风格属性中的材质参数与glTF2.0的金属-粗糙度工作流之间的对应关系，以及风格配置文件与X3D中Viewport和Environment节点的映射建议。这些映射建议虽不具备强制约束力，但为不同平台实现标准提供了重要的技术参考。四、主要参与编制单位与贡献4.1标准编制组织架构ISO/IEC21145:2023由ISO/IECJTC1/SC24分技术委员会负责制定。SC24分技术委员会下设多个工作组，其中WG7承担了本标准的实质性编制工作。参与标准草案起草和评审工作的技术专家来自中国、韩国、德国、美国、日本、法国等多个国家的国家成员体，以及部分工业界和学术界的联络组织。4.2核心参与单位——北京航空航天大学在本标准的研制过程中，北京航空航天大学（BeihangUniversity）作为中国国家成员体的核心技术支撑单位，发挥了突出的引领性作用。北京航空航天大学在虚拟现实与增强现实领域拥有近三十年的研究积累，其虚拟现实技术与系统国家重点实验室是我国该领域唯一的国家重点实验室。（1）研究基础与技术贡献。北航团队长期从事虚拟环境中的真实感渲染、三维场景语义建模和人机交互技术研究，在视觉风格的形式化描述和场景呈现一致性方面积累了丰富的理论方法和工程实践经验。在标准编制过程中，北航专家团队牵头承担了风格属性分类体系的框架设计工作，特别是渲染风格属性和交互语义风格属性两大核心类别的语义定义与分类方案制定。北航团队还主导了标准中风格配置文件XML模式（XMLSchema）的设计工作，为该标准的可实施性提供了关键技术支持。（2）国际协调与标准化推动。自2019年立项调研阶段起，北航团队即代表中国国家成员体深度参与了SC24/WG7的历次国际工作会议和草案讨论，在风格分类框架、属性定义粒度、标准适用范围等关键议题上提出了多项具有建设性的技术提案。其中，关于交互语义风格属性作为独立属性类别的提案，是在北航团队的积极推动下获得国际专家的广泛认同并被纳入标准框架，这使该标准在全球范围内首次将交互反馈的视觉风格纳入规范化描述范畴，具有重要的开创性意义。（3）应用验证工作。在标准草案形成后，北航团队同步开展了标准验证工作，在自主研发的分布式协同MR系统上对标准草案中的风格配置文件和核心风格属性进行了实现和验证，确认了标准在真实AR/MR应用场景中的可行性和有效性，并将验证结果反馈至标准编制过程，促进了标准技术内容的进一步完善。除北京航空航天大学外，中国电子技术标准化研究院、中国标准化研究院等国内标准化专业机构也在标准的需求调研、国际沟通和专家组织协调方面提供了有力支撑，共同推动了中国在AR/MR领域国际标准化工作中的实质性参与和影响力提升。五、标准的意义与应用价值5.1填补标准空白，健全技术标准体系ISO/IEC21145:2023是国际上首个针对混合和增强现实场景风格表示制定的专项国际标准。它的发布弥补了现有ISO/IEC三维图形标准体系中"重几何、轻风格"的结构性不足。此前，无论是X3D、VRML还是MPEG系列标准，对场景的描述都侧重于几何结构、动画行为、交互逻辑等"功能性"要素，而视觉风格相关内容则零散地嵌入在各种渲染相关的扩展节点中，缺乏系统性的规范定义。本标准的发布，使得AR/MR系统的视觉风格也成为可描述、可交换、可验证的标准化对象，进一步完善了三维图形与虚拟环境领域的国际标准体系。5.2促进内容资产复用，降低产业成本在标准发布之前，AR/MR内容开发者如果想将一份三维场景从一个平台移植到另一个平台并保持一致的视觉风格，需要进行大量的手动参数调整和渲染效果调试。ISO/IEC21145:2023的标准风格配置文件为跨平台的内容交换提供了统一的风格描述格式。一次定义的风格配置可以直接或经过简单的适配转换后在多个引擎和硬件平台上复用，显著减少了重复劳动。据初步估算，标准的应用有望将跨平台风格适配环节的工作量降低40%~60%。5.3保障多用户协作的视觉一致性在多人共享的AR/MR协作场景中，标准的应用能够确保所有参与者无论使用何种品牌、何种性能等级的终端设备，都能获得一致的风格化视觉呈现。这对于工业协同设计评审、远程医疗手术指导、军事仿真训练等对视觉信息准确性要求极高的专业应用场景而言，具有尤其重要的实用价值。5.4支撑垂直行业解决方案的规模化部署六、结论与展望ISO/IEC21145:2023的正式发布，标志着混合现实和增强现实技术标准化进程中的一个重要里程碑。该标准以风格表示为切入点，解决了长期困扰AR/MR产业发展的基础性互操作问题，为三维内容资产的跨平台复用、多用户协作的视觉一致性以及垂直行业解决方案的标准化部署提供了关键的技术支撑。从长远来看，随着AppleVisionPro、MetaQuest3等新一代空间计算设备的陆续推出和空间互联网（SpatialInternet）概念的兴起，AR/MR技术将进入更加广泛的消费级应用阶段，这也对视觉风格描述的标准化提出了更高要求。未来，ISO/IEC21145标准可能向以下方向持续演进：-与空间计算平台深度集成：随着各主流空间计算平台逐步支持标准化的风格配置导入，风格配置文件有望成为类似CSS（层叠样式表）在Web领域那样通用的空间内容样式描述机制。-与AI生成内容（AIGC）技术协同发展：随着AI驱动的三维内容生成技术的兴起，标准化的风格描述框架可作为AIGC系统中控制生成内容视觉风格的语义接口，实现"自然语言——风格描述——三维内容"的高效生成管线。-行业专用风格配置规范的分层细化：预计未来将围绕医疗、工业、教育、军事等重点行业发布配套的风格配置规范或技术报告，为各行业提供更加精准的风格定义指导。综上所述，ISO/IEC21145:2023的发布不仅是一项具体技术标准的诞生，更是AR/MR产业从"功能可用"迈向"体验可控"的关