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（VR/MAR）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)摘要随着虚拟现实（VR）、混合现实（MR）和增强现实（AR）技术的迅猛发展，触觉模拟作为提升沉浸式用户体验的关键技术环节，正日益受到学术界与工业界的广泛关注。在基于模型的触觉模拟中，物体材料特性和参数的标准化表示是确保跨平台兼容性、数据互操作性和模拟真实性的核心基础。ISO/IECTS23884:2021作为该领域首项国际技术规范，系统定义了虚拟、混合和增强现实环境中物体基于模型的触觉模拟所需的材料属性参数体系及其表示方法。本报告全面梳理了该标准的立项背景、技术内容、核心架构和应用价值，深入分析了其在促进触觉数据标准化、推动多行业应用落地方面的重要意义，并对标准未来发展方向做出展望。该标准的发布填补了国际标准在触觉模拟数据表示领域的空白，为各行业VR/MAR应用的触觉交互提供了统一的技术框架和数据交换基础。关键词：触觉模拟；虚拟现实；材料属性表示；ISO/IECTS23884；标准化；人机交互Keywords:HapticSimulation;VirtualReality;MaterialPropertyRepresentation;ISO/IECTS23884;Standardization;Human-ComputerInteraction1.引言1.1技术背景虚拟现实、混合现实和增强现实技术在过去十年间经历了跨越式发展，其应用领域已从最初的娱乐游戏产业迅速拓展至医疗培训、工业设计、远程操作、教育训练、文化保护等众多专业领域。然而，在追求高保真沉浸体验的过程中，视觉和听觉通道的仿真技术已相对成熟，而触觉通道的模拟技术则因涉及复杂的物理建模、感知心理学和实时计算等问题，长期处于相对滞后的状态。触觉模拟（HapticSimulation）旨在通过力反馈和触觉反馈设备，使用户能够感知和操作虚拟物体，获得接近真实的触感体验。在基于模型的触觉模拟（Model-basedHapticSimulation）方法中，虚拟物体所展现的触觉特性取决于其底层物理模型的材料属性参数，包括但不限于刚度、阻尼、摩擦系数、粗糙度、粘弹性等。这些参数的准确表示和有效传递，直接决定了触觉模拟的真实感和不同系统之间的数据互操作性。1.2标准化需求分析当前，不同触觉模拟系统、不同VR/MAR平台之间在材料属性数据的表示格式、参数定义、数值范围和数据交换方式等方面存在显著差异。这种碎片化的现状带来了以下核心问题：-数据互操作性不足：同一虚拟物体的触觉模型数据无法在不同的模拟系统间自由转换和共享；-开发效率低下：开发者需要针对不同平台重复构建和调试触觉模型数据；-质量评估缺乏依据：缺少统一的标准来衡量触觉模拟的真实性和质量。ISO/IECTS23884:2021正是在此背景下应运而生，旨在建立一套统一的、基于物理模型的材料属性参数表示框架，从而解决上述问题，推动VR/MAR触觉模拟技术的规范化发展。2.标准概述2.1标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|ISO/IECTS23884:2021||标准名称|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（VR/MAR）中物体基于模型的触觉模拟的材料特性和参数表示法||英文名称|Informationtechnology-Computergraphics,imageprocessingandenvironmentaldatarepresentation-Materialpropertyandparameterrepresentationformodel-basedhapticsimulationofobjectsinvirtual,mixedandaugmentedreality(VR/MAR)||标准状态|现行||发布机构|国际电工委员会（IEC）/国际标准化组织（ISO）联合技术委员会||分类号|计算机图形技术||发布日期|2021年12月1日||发布年份|2021年||国别|国际组织||语言|英语||ICS分类号|35.140（计算机图形技术）|2.2标准定位与适用范围ISO/IECTS23884:2021属于ISO/IECJTC1（信息技术联合技术委员会）下SC24（计算机图形、图像处理和环境数据表示分技术委员会）的工作范围。该标准作为技术规范（TechnicalSpecification，TS），定位为为VR/MAR环境中基于模型的触觉模拟提供材料属性和参数的标准化表示框架。该标准主要适用于以下对象和场景：-触觉模拟软件的开发者和提供者；-VR/MAR内容创建工具和引擎的开发者；-触觉设备制造商；-需要跨平台共享触觉数据的组织和机构；-从事触觉交互技术研究的科研机构和高等级院校。3.标准技术内容分析3.1标准核心架构ISO/IECTS23884:2021构建了一个系统化的材料属性参数表示框架，其核心架构可分解为四个层次：（1）对象层（ObjectLevel）该层次定义了需要模拟触觉的虚拟物体的基本信息和分类方式。每个虚拟物体可以被赋予一组或多组材料属性，具体取决于模拟场景的复杂程度和精确度要求。对象层还包括物体的几何表示信息与材料属性之间的关联方式。（2）材料属性层（MaterialPropertyLevel）该层次是标准的核心内容，系统定义了描述材料触觉行为所需的各类属性参数。标准将材料属性分为以下几大类：-力学属性（MechanicalProperties）：包括刚度（Stiffness）、弹性模量（ElasticModulus）、硬度（Hardness）等，这些参数决定了物体在受力时的变形行为；-表面属性（SurfaceProperties）：包括静摩擦系数（StaticFrictionCoefficient）、动摩擦系数（KineticFrictionCoefficient）、表面粗糙度（SurfaceRoughness）等，这些参数影响手指或工具在物体表面滑动的触觉感受；-粘弹性属性（ViscoelasticProperties）：包括阻尼系数（DampingCoefficient）、松弛时间（RelaxationTime）、蠕变特性（CreepCharacteristics）等，用于描述物体在持续载荷下的时间依赖性响应；-热属性（ThermalProperties）：包括热导率（ThermalConductivity）、热容量（HeatCapacity）等，用于模拟物体温度感知相关的触觉体验；-纹理属性（TextureProperties）：包括空间频率（SpatialFrequency）、纹理幅值（TextureAmplitude）等，用于描述物体表面的微观几何特性。（3）参数表示层（ParameterRepresentationLevel）该层次定义了上述各类材料属性的具体数据表示方式，包括：-数据类型与格式：各参数所使用的数据类型（浮点数、整数、枚举值等）和存储格式；-度量单位：各参数的推荐度量单位，以确保数据的一致性和可解释性；-数值取值范围：各参数的推荐数值范围，以及超出范围时的处理策略；-默认值设定：当某一参数未明确指定时使用的默认值；-置信度与来源标注：标注参数数据的置信等级和数据来源（实测、估算、经验值等）。（4）数据交换层（DataExchangeLevel）该层次规定材料属性数据的封装格式和交换机制，包括基于XML的标记语言表示方案和基于JSON的轻量级表示方案，确保数据可以在不同平台和系统之间有效传输和解析。3.2关键概念与模型（1）多分辨率表示模型标准提出了材料属性的多分辨率（Multi-resolution）表示模型，允许同一物体在不同模拟精度需求下使用不同粒度的材料参数集。在实时交互场景中可以使用简化参数集以保证计算效率，而在高保真离线模拟中则可以使用完整的参数集。（2）频率依赖性模型考虑到真实材料的力学响应往往与加载频率相关，标准引入了频率依赖性的参数表示方法，允许材料属性随激励频率变化而动态调整，为精确模拟粘弹性材料行为提供了基础框架。（3）多模态关联机制标准建立了材料属性参数与视觉表示（颜色、光泽度）和听觉表示（碰撞声音特征）之间的关联机制，为多模态一致的VR/MAR体验提供了数据基础。4.标准的行业应用与价值分析4.1医疗培训领域在手术模拟训练系统中，不同人体组织的触觉特性模拟（如皮肤弹性、组织硬度、病变组织与正常组织的触感差异）是训练效果的关键。ISO/IECTS23884:2021为医疗模拟中的人体组织材料属性提供了一致的表示框架，使得不同厂商开发的手术模拟器可以使用统一的组织材料数据，提升培训的系统性和标准化水平。4.2工业设计与虚拟制造在工业产品的虚拟原型评估中，设计人员需要通过触觉反馈感知产品表面的质地、按键操作的力反馈特性等。该标准使得材料属性数据能够在CAD系统、虚拟原型工具和触觉评估平台间无缝流动，有效缩短产品设计迭代周期。4.3文化遗产保护与虚拟展示在虚拟博物馆和文化遗产数字化展示中，标准支持对文物表面材质（如青铜的冰冷感、陶瓷的光滑感、纺织品的粗糙感）进行标准化的触觉建模，为远程观众提供更真实的观赏体验。4.4教育与职业培训在虚拟实训教学场景中（如汽车维修、机械装配、电子焊接等），标准确保了各类虚拟教学资源中的触觉数据具有一致的质量和兼容性，为大规模推广VR职业技能培训提供了技术保障。4.5游戏娱乐产业在VR游戏中，标准化材料属性表示有助于游戏引擎开发商更高效地实现丰富的触觉反馈效果，同时促进了可下载内容（DLC）和用户生成内容（UGC）中触觉数据的标准化交换。5.标准实施技术要求ISO/IECTS23884:2021的实施涉及以下几个层面的技术要求：-数据文件格式要求：标准推荐使用XMLSchema或JSONSchema定义材料属性数据文件结构，文件应包含版本信息、数据来源说明和参数值集合；-API接口要求：建议系统实现基于标准定义的参数查询和设置接口；-兼容性要求：实现应支持标准定义的全部核心参数，对于扩展参数应予以标注；-测试验证要求：应对材料属性参数的数值输出进行系统测试和校准。6.主要参与单位介绍6.1国际电工委员会（IEC）与ISO/IECJTC1/SC24ISO/IECTS23884:2021由ISO/IECJTC1联合技术委员会下设的SC24分技术委员会（计算机图形、图像处理和环境数据表示）负责制定。ISO/IECJTC1/SC24是国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）联合设立的第一联合技术委员会（JTC1）下属的第24分技术委员会，其工作范围涵盖计算机图形学、图像处理、虚拟现实和增强现实等领域的标准化工作。SC24致力于制定和支持计算机图形、环境数据表示、VR/AR/MR相关的国际标准，为全球范围内的虚拟环境数据交换和互操作提供技术框架。SC24的核心工作方向包括：-计算机图形参考模型和标准；-环境数据表示与交互接口；-虚拟和增强现实应用的通用框架；-混合现实及触觉交互的标准化。ISO/IECTS23884:2021的制定过程中，SC24组织了来自全球各成员体的专家成立了专门工作组（WG6，负责虚拟和增强现实相关标准化工作），对触觉模拟技术中的数据表示、参数定义和交互需求进行了系统研究。来自法国、德国、日本、韩国、中国、美国等国家的标准化专家和行业代表共同参与了该标准文本的起草、讨论和评审工作。中国作为ISO/IECJTC1/SC24的积极参与国，在该标准的制定过程中贡献了来自触觉交互技术研究机构和虚拟现实产业界的实践经验和技术建议，为标准的完善和国际化推广发挥了积极作用。7.结论与展望ISO/IECTS23884:2021是实现触觉模拟领域数据互操作的关键基础标准。该标准的制定和发布标志着VR/MAR环境下基于模型的触觉模拟从无标准可依的碎片化状态迈向了规范化发展的新阶段。通过统一各类材料属性和参数的表示方法，该标准为不同触觉模拟系统和VR/MAR平台之间的数据交换建立了桥梁，显著降低了跨系统数据整合的技术门槛，并为未来触觉云平台和多人共享触觉交互应用的发展奠定了基础。从未来发展来看，以下几个方面值得关注：-对触觉渲染算法与标准化数据接口之间融合的探索；-面向柔性物体变形模拟的材料参数表示扩展；-人工智能驱动下的材料属性自动识别与标准化转换；-移动端VR/MAR平台的触觉数据轻量化表示需求；-与IEEE、3GPP等其他标准化组织在相关领域的协同