ISOIEC 37212023 信息技术.计算机制图、图像处理和环境数据表示.混合和增强现实内容的信息模型.核心对象和属性标准立项发展报告

ISO/IEC3721:2023《信息技术计算机制图、图像处理和环境数据表示混合和增强现实内容的信息模型核心对象和属性》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:InformationTechnology-ComputerGraphics,ImageProcessingandEnvironmentalDataRepresentation-InformationModelforMixedandAugmentedRealityContent-CoreObjectsandAttributes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、智慧城市等领域的快速普及，跨平台、跨系统、跨设备的内容互操作性问题日益凸显，亟需统一的信息模型标准来规范混合与增强现实内容的描述、组织和交换方式。ISO/IEC3721:2023《信息技术计算机制图、图像处理和环境数据表示混合和增强现实内容的信息模型核心对象和属性》正是在此背景下由国际电工委员会（IEC）正式发布的国际标准。该标准定义了混合与增强现实内容信息模型的核心对象类别及其属性集合，涵盖场景图结构、空间锚点、虚拟对象、参考框架、交互行为等关键要素，为混合与增强现实应用开发、内容创作与分发、系统集成提供了统一的数据描述框架。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制过程、核心技术内容及其行业应用价值，分析了其与现有国际标准体系的关系，并对标准实施路径及未来发展趋势进行了展望，旨在为标准使用者提供全面的参考和指引。关键词：混合现实；增强现实；信息模型；核心对象；属性定义；互操作性；ISO/IEC3721Keywords:MixedReality;AugmentedReality;InformationModel;CoreObjects;AttributeDefinition;Interoperability;ISO/IEC3721一、引言1.1标准化背景混合现实（MixedReality,MR）与增强现实（AugmentedReality,AR）作为新一代信息技术的代表性方向，正处于从技术验证向规模化应用过渡的关键阶段。根据国际数据公司（IDC）发布的全球增强与虚拟现实支出指南预测，到2026年全球AR/VR市场支出规模将突破500亿美元，年均复合增长率超过30%。中国工业和信息化部等五部门于2022年联合印发的《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》明确提出，到2026年我国虚拟现实产业总体规模超过3500亿元，虚拟现实终端销量超过2500万台，培育100家具有较强创新能力和行业影响力的骨干企业。然而，在产业高速增长的背后，一个基础性瓶颈始终制约着行业的深度发展——即混合与增强现实内容缺乏统一的信息模型标准。当前市场上主流的AR/MR开发平台（如微软HoloLens、苹果ARKit、谷歌ARCore、UnityMARS等）各自采用私有的数据格式和场景描述规范，导致以下突出问题：1.内容移植困难：在不同平台之间迁移混合现实内容时，需要大量的人工适配工作，效率低下且容易引入错误；2.系统集成复杂：在智能制造、智慧医疗等企业级应用场景中，AR/MR系统需要与企业现有信息系统（如MES、CMMS、PACS等）深度集成，但缺乏统一的信息模型使得数据对接成本居高不下；3.生态碎片化：内容创作工具、分发平台和终端设备之间缺乏有效的互联互通机制，难以形成良性循环的产业生态。在此背景下，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）启动了ISO/IEC3721标准的制定工作，旨在建立一套独立于具体硬件平台和软件实现的中立信息模型，为混合与增强现实内容的核心对象和属性提供统一的描述规范。1.2标准定位与意义ISO/IEC3721:2023是国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）联合技术委员会JTC1下属SC24分技术委员会发布的国际标准。该标准属于计算机图形、图像处理和环境数据表示领域的核心标准之一，其定位在于为混合与增强现实内容提供中立的、与具体实现无关的信息描述框架。该标准的发布具有以下重要意义：-统一概念体系：首次在国际层面系统定义了混合与增强现实内容的核心对象类别和属性体系，为行业交流提供了统一的术语和概念框架。-促进互操作性：通过标准化内容描述格式，打通不同平台、不同设备之间的数据壁垒，实现内容资产的高效流转和复用。-支撑产业生态：为内容创作工具、应用开发平台、终端设备和行业解决方案供应商提供了共同的"数据契约"，有助于构建健康有序的产业生态。-衔接国际标准体系：与ISO/IEC19775（X3D）、ISO/IEC18038（AR参考模型）等已有标准形成互补，共同构成完整的计算机图形和环境数据表示标准体系。二、标准制定背景与需求分析2.1产业发展现状与趋势混合与增强现实产业在过去五年间经历了从概念验证到初步商用化的演进。当前产业发展呈现以下鲜明特征：技术维度：SLAM（即时定位与地图构建）技术日趋成熟，使得设备能够实时理解物理环境；光波导、Micro-LED等新型显示技术不断提升视觉体验；5G网络的规模化部署为云端渲染和实时交互提供了低时延网络保障；人工智能技术的融入则显著增强了场景理解和内容生成能力。应用维度：工业制造领域，AR技术被广泛用于远程专家指导、装配引导、质量检测等场景；医疗健康领域，AR辅助手术导航、医学教学和康复训练等应用不断涌现；教育培训领域，沉浸式学习体验成为教育数字化转型的重要方向；智慧城市与文旅领域，AR导航、文物复原、互动展示等创新应用层出不穷。产业格局维度：头部企业纷纷布局AR/MR生态——苹果公司于2023年发布VisionPro头显设备并推出visionOS操作系统；Meta持续投入Quest系列产品线；微软更新其HoloLens产品线并聚焦企业市场；国内方面，华为、字节跳动、OPPO等企业也在积极布局AR生态。尽管产业热度持续攀升，但业界已形成共识：硬件设备的迭代速度远快于内容生态的建设速度，"内容荒漠"正成为制约产业进一步发展的核心瓶颈。而内容生态的繁荣，有赖于一套完善的信息模型标准来降低内容开发和流转的成本。2.2现有标准体系的不足在ISO/IEC3721发布之前，与混合和增强现实相关的标准工作虽已有一定基础，但存在明显的缺口：ISO/IEC19775（X3D）主要面向三维虚拟场景的描述，虽然提供了丰富的几何和场景图节点定义，但并未充分覆盖混合现实场景中"虚实融合"的独特需求，如空间锚定、环境感知、遮挡处理等。ISO/IEC18038（信息技术增强现实参考模型）从系统架构层面描述了增强现实系统的组成部分和交互关系，但未深入到内容数据层面的信息建模。ISO/IEC18039（混合与增强现实参考模型）提供了更高层次的框架性描述，同样未定义具体的内容对象和属性规范。KhronosGroup的OpenXR标准侧重于API层面的运行时接口统一，不涉及内容资产的描述和交换格式。上述标准的共同不足在于：均未从"内容数据"的视角出发，系统性地定义混合与增强现实内容的核心对象及其属性结构。这导致不同工具和平台之间缺乏可供交换的"共同语言"。ISO/IEC3721的制定恰好填补了这一关键空白。三、标准内容概述3.1标准范围与定位ISO/IEC3721:2023规定了混合与增强现实内容信息模型的核心对象和属性，适用于混合与增强现实内容的创建、存储、交换和呈现。该标准主要解决以下核心问题：-场景的空间结构如何描述：如何统一表达虚实内容共享的三维空间坐标系和空间关系。-虚拟对象如何建模：如何描述虚拟物体的外观属性、物理属性和语义信息。-空间锚定如何实现：如何定义虚拟内容与现实空间位置的绑定关系。-交互行为如何定义：如何描述用户与混合现实内容之间的交互方式和行为逻辑。-内容资产如何组织：如何对混合现实内容资源进行结构化的组织和封装。3.2核心技术内容3.2.1核心对象体系标准定义了一套层次化的核心对象体系，主要包括以下类别：-SceneObject（场景对象）：场景中的基本组成单元，可以是虚拟物体、标记物、信息面板或其他类型的可感知实体。场景对象支持嵌套和组合，形成层次化的场景图结构。-SpatialAnchor（空间锚点）：用于将虚拟内容与现实世界坐标进行绑定的关键对象。空间锚点定义了虚拟内容在物理空间中的位置、朝向和尺度信息，是实现虚实融合体验的基础。-ReferenceFrame（参考坐标系）：定义了对象空间位置和朝向的参照系统。标准支持全局坐标系、局部坐标系以及基于环境感知的动态坐标系等多种参考模式。-Material（材质对象）：描述虚拟物体表面光学特性的对象集合，包括颜色、反射率、透明度、发光属性等参数，支持基于物理的渲染（PBR）材质定义。-Animation（动画对象）：描述虚拟对象随时间变化的动态信息，包括关键帧动画、骨骼动画、参数驱动动画等多种动画类型。-Interaction（交互对象）：定义用户与虚拟内容之间交互行为的对象，涵盖手势识别、视线追踪、语音指令、控制器输入等多种交互模态。3.2.2属性定义对于每一类核心对象，标准系统定义了其属性集合，包括：-标识属性：对象的唯一标识符（ID）、名称、类型、版本等基础属性。-空间属性：位置（Position）、朝向（Rotation/Orientation）、缩放（Scale）等变换属性，以及边界体积（BoundingVolume）等几何描述属性。-外观属性：颜色（Color）、纹理（Texture）、透明度（Opacity）、发光强度（Emission）等视觉渲染属性。-时间属性：对象的生命周期（Lifespan）、时间戳（Timestamp）、动画时间线（Timeline）等。-语义属性：对象的类别标签（Category）、语义注释（SemanticAnnotation）、关联知识图谱信息等。-交互属性：可交互性（Interactivity）、交互范围（InteractionRange）、行为逻辑（BehaviorLogic）等。-环境约束属性：光照条件要求、遮挡处理策略、物理碰撞属性等。3.2.3关系与约束除了对象和属性的定义外，标准还规定了对象之间的关联关系和约束条件，包括：-组成关系（Composition）：定义父对象与子对象之间的包含与被包含关系。-锚定关系（Anchoring）：定义虚拟内容与空间锚点之间的绑定关系。-引用关系（Reference）：定义对象与外部资源（如模型文件、纹理图片、音频素材等）之间的引用关联。-约束规则（Constraint）：定义对象之间需要满足的空间约束、时间约束和逻辑约束。四、主要参与机构介绍4.1ISO/IECJTC1/SC24分技术委员会ISO/IEC3721:2023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）承担。SC24是国际标准化体系中专门负责计算机图形和环境数据表示领域的标准化技术组织，其工作范围涵盖：-计算机图形学相关的标准化工作，包括三维图形描述、渲染、交互等；-图像处理相关的标准化工作；-环境数据表示与虚拟/增强现实相关的标准化工作。SC24的成员单位包括中国、美国、德国、日本、韩国、英国、法国等主要工业国家的国家标准化机构，以及相关国际组织和行业联盟的代表。中国作为SC24的积极成员（P成员），深度参与了ISO/IEC3721标准的制定工作。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（SAC/TC28/SC24）负责对口SC24的国际标准化工作，组织国内相关科研机构和企业积极参与国际标准的研制。4.2主要起草单位：北京航空航天大学北京航空航天大学（以下简称"北航"）是ISO/IEC3721:2023标准制定的核心参与单位之一。北航在计算机图形学、虚拟现实与增强现实领域拥有三十余年的研究积累，其虚拟现实技术与系统国家重点实验室是国内该领域唯一的国家重点实验室。科研实力：北航虚拟现实技术与系统国家重点实验室是国内最早开展虚拟现实技术研究的机构之一，在三维场景建模、实时绘制、人机交互、分布式虚拟环境等方向取得了系列标志性成果。实验室先后承担了国家"863"计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金重大项目等国家级科研课题数十项，在混合现实信息建模、空间感知计算等方向形成了深厚的理论和技术积累。标准化贡献：北航是国内虚拟现实标准化工作的主要技术支撑单位之一。长期以来，北航专家团队积极参与ISO/IECJTC1/SC24的国际标准化活动，深度参与了ISO/IEC3721标准的需求调研、草案编制、技术论证和意见处理等各阶段工作。北航团队在混合现实内容的空间锚定信息建模、场景对象层次化描述、多模态交互行为建模等方面提出了多项核心技术方案，被标准文本采纳。此外，北航还牵头或参与制定了多项虚拟现实相关的国家标准和行业标准，构建了从国际标准到国家标准的技术转化通道。产学研协同：北航联合国内主要虚拟现实企业和科研机构建立了产学研协同创新机制，通过组织技术研讨会、标准宣贯会、应用示范项目等形式，推动ISO/IEC3721等国际标准在国内的实施应用。特别是在工业仿真、航空航天、智慧教育等行业，北航团队直接参与了基于该标准的应用系统开发和示范验证工作，为标准的技术验证和推广应用积累了丰富经验。五、标准应用价值与实施路径5.1行业应用价值制造业领域：在智能制造场景中，AR/MR技术被用于设备维护、装配指导、质量检验等环节。ISO/IEC3721提供的内容信息模型能够实现作业指导内容与三维模型数据、设备运行数据的统一描述和高效集成，为跨系统的数据互通奠定了基础。医疗健康领域：在手术导航、医学教学、康复训练等应用中，精确的空间配准和稳定锚定是核心需求。该标准定义了规范的空间锚定和参考坐标体系，有助于实现医学影像数据、手术规划数据与AR/MR呈现内容的精确融合。教育培训领域：该标准为开发跨平台、可复用的沉浸式教学资源提供了统一的内容描述框架，有助于降低教学资源的开发成本，推动优质教育资源的共建共享。智慧城市与文旅领域：在城市规划展示、文化遗产复原、智慧导览等场景中，标准支持的多源内容整合能力能够有效支撑大范围、多尺度的空间信息叠加和呈现。5.2与相关标准体系的协调ISO/IEC3721在设计过程中充分考虑了与已有国际标准的协调兼容：-与ISO/IEC19775（X3D）在场景图结构和几何描述层面保持兼容，支持X3D场景内容向混合现实内容的延伸扩展。-与ISO/IEC18038、ISO/IEC18039在系统参考模型层面相互衔接，形成从系统架构到内容数据层面的完整标准链条。-与ISO/IEC14496（MPEG-4）等多媒体编码标准在媒体资源封装层面实现互补。-与ISO9241（人机交互人因工程）系列标准在交互设计评估方面形成对应。5.3实施路径建议组织层面：相关企事业单位应成立标准化实施工作小组，由技术负责人牵头，将标准实施纳入信息化建设和技术研发的常规流程。技术层面：建议采用"先工具链适配、再系统改造、后生态对接"的三步走策略推进标准落地。首先在内容创作工具中实现标准定义的对象和属性导出功能；随后在应用系统中增加对标准格式的内容导入和解析能力；最终实现与行业上下游合作伙伴之间的标准化数据交换。人才层面：加强标准化人才队伍建设，通过参加标准宣贯培训、技术研讨和国际标准会议，提升技术人员对标准的理解和应用能力。机制层面：建立标准实施的持续跟踪和反馈机制，及时向标准化技术组织反馈标准应用中发现的问题和修订建议，形成标准"制定—实施—反馈—修订"的良性循环。六、结论与展望ISO/IEC3721:2023的正式发布是混合与增强现实领域标准化工作的重要里程碑。该标准首次在国际层面系统定义了混合与增强现实内容的核心对象体系和属性规范，有效填补了该领域内容数据标准化方面的关键空白，为跨平台、跨系统的内容互操作提供了统一的技术基础。从产业发展的宏观视角来看，混合与增强现实正处于从"可用"向"好用"迈进的关键阶段，标准化将在其中扮演越来越重要的角色。展望未来，ISO/IEC3721标准预计将向以下方向持续演进：一是标准的持续修订完善。随着空间计算、AI生成内容（AIGC）、实时云渲染等新技术的不断涌现，混合与增强现实内容的形式和交互方式将持续丰富和演变，标准内容需要根据技术发展和产业需求进行及时修订和增补。SC24已启动了后续扩展项目的讨论，重点关注语义信息增强、多用户协同场景和动态环境适配等方向。二是与AI技术的深度融合。人工智能特别是大模型