今年2月，美國(guó)白宮科技政策辦公室首次將空間計(jì)算納入科技創(chuàng)新戰(zhàn)略布局，以維護(hù)其國(guó)家安全和科技競(jìng)爭(zhēng)力�？臻g計(jì)算定義人機(jī)交互新范式，正處于產(chǎn)品升級(jí)和融合應(yīng)用的關(guān)鍵階段。美國(guó)在XR、數(shù)字孿生、AI等領(lǐng)域長(zhǎng)期處于國(guó)際領(lǐng)先地位，其戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)布局、創(chuàng)新發(fā)展模式具有非常大的借鑒意義。結(jié)合我國(guó)空間計(jì)算行業(yè)發(fā)展面臨技術(shù)、生態(tài)及安全挑戰(zhàn)，啟示我國(guó)應(yīng)進(jìn)一步完善產(chǎn)業(yè)和技術(shù)布局，打造空間計(jì)算+AI的聯(lián)合產(chǎn)業(yè)生態(tài)應(yīng)用，并強(qiáng)化相關(guān)數(shù)據(jù)安全監(jiān)管。

　　什么是空間計(jì)算？

　　空間計(jì)算定義了一種更自然、更直觀、更原生的人機(jī)交互新范式。空間計(jì)算可理解為以三維物理空間和環(huán)境為基礎(chǔ)的計(jì)算方法1，其核心是利用AI、計(jì)算機(jī)視覺、GIS、三維重建、數(shù)字孿生、XR、5G/云網(wǎng)等技術(shù)，將人與機(jī)器的虛擬交互體驗(yàn)融入物理世界，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互方式從二維升級(jí)到三維，擺脫實(shí)體屏幕的束縛，從而為遠(yuǎn)程機(jī)器操作、遠(yuǎn)程技術(shù)協(xié)助、虛擬培訓(xùn)、虛擬商場(chǎng)、工業(yè)設(shè)計(jì)、模擬軍事訓(xùn)練等應(yīng)用提供更好的解決方案�？臻g計(jì)算通過手勢(shì)識(shí)別、眼球追蹤等技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作操控，結(jié)合視覺、聽覺等多模態(tài)交互，使得人機(jī)交互過程更自然和直觀。同時(shí)，通過理解用戶所處的物理環(huán)境和上下文信息，分析用戶的行為和環(huán)境變化，空間計(jì)算也能提供更個(gè)性化、更原生的交互體驗(yàn)。

　　空間計(jì)算和數(shù)字孿生都是構(gòu)建元宇宙的關(guān)鍵技術(shù)，二者互有交叉、各有側(cè)重。空間計(jì)算是一種新的計(jì)算范式，側(cè)重提供數(shù)字信息和物理空間融合、交互的能力。而數(shù)字孿生側(cè)重提供模擬和管理物理世界的能力，主要通過收集、整合現(xiàn)實(shí)世界或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，構(gòu)建高度仿真的數(shù)字副本，實(shí)時(shí)反映其狀態(tài)、行為和性能，并對(duì)其未來趨勢(shì)進(jìn)行推演和預(yù)測(cè)�？臻g計(jì)算技術(shù)能為數(shù)字孿生系統(tǒng)提供更加沉浸、自然的虛實(shí)交互體驗(yàn)，而數(shù)字孿生模型也能為空間計(jì)算系統(tǒng)提供更加全面、詳實(shí)的數(shù)字信息。

　　空間計(jì)算技術(shù)不斷升級(jí)，應(yīng)用場(chǎng)景不斷豐富，產(chǎn)業(yè)鏈基本形成。隨著芯片和傳感器小型化持續(xù)迭代，以及以光學(xué)識(shí)別(OptiTrack等)、空間音頻(iamf等)、三維圖像處理(NeRF、3D GS等)、AI大模型(ChatGPT、Sora)等為代表的關(guān)鍵技術(shù)快速發(fā)展，空間計(jì)算已被廣泛應(yīng)用于零售業(yè)、遠(yuǎn)程教育、廣告、游戲、醫(yī)療、軍事、演示、培訓(xùn)、旅游等領(lǐng)域2。目前，空間計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈已基本形成，涉及芯片、傳感器、光學(xué)器件、顯示屏、終端、操作系統(tǒng)、開發(fā)工具、AI算法、通信網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)容及應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)。

　　圖2 空間計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈圖譜示意圖

　　(根據(jù)公開數(shù)據(jù)整理)

　　美國(guó)空間計(jì)算行業(yè)布局現(xiàn)狀和特點(diǎn)

　　1.將空間計(jì)算納入“先進(jìn)計(jì)算”國(guó)家戰(zhàn)略，鞏固科技領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

　　美國(guó)政府高度重視先進(jìn)計(jì)算技術(shù)發(fā)展，近年來更是將先進(jìn)計(jì)算置于國(guó)家戰(zhàn)略高度，為美國(guó)在基礎(chǔ)科學(xué)研究和前沿應(yīng)用突破奠定基礎(chǔ)。2024年2月，美國(guó)國(guó)家安全委員會(huì)將空間計(jì)算列入先進(jìn)計(jì)算領(lǐng)域《關(guān)鍵和新興技術(shù)清單》以強(qiáng)調(diào)其對(duì)維系美國(guó)國(guó)家安全優(yōu)勢(shì)的重要性，并與先進(jìn)超級(jí)計(jì)算(含AI)、先進(jìn)云服務(wù)、邊緣計(jì)算等核心技術(shù)并列。

　　2.全產(chǎn)業(yè)鏈布局空間計(jì)算，確保核心環(huán)節(jié)自主掌控。

　　美國(guó)多年積累已形成硬件、軟件、算法三輪驅(qū)動(dòng)的核心環(huán)節(jié)自主掌控。硬件側(cè)，英偉達(dá)、高通、英特爾分別在GPU、XR SoC、CPU芯片方面，長(zhǎng)期占據(jù)全球領(lǐng)先地位;Meta、蘋果、谷歌等企業(yè)在感知交互終端方面，共占據(jù)全球八成以上市場(chǎng)份額。軟件側(cè)，Meta、蘋果、谷歌等企業(yè)均自研操作系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的軟硬件架構(gòu);Unity、微軟、Epic Games等企業(yè)已成全球空間計(jì)算應(yīng)用軟件及開發(fā)工具的主要提供商。算法側(cè)，主要包括空間定位、手勢(shì)交互、語音交互、機(jī)器視覺、AI大模型等算法，Open AI、谷歌、蘋果等企業(yè)走在國(guó)際前列。

　　3.多措并舉大力扶持技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，并重視生態(tài)培育。

　　財(cái)政補(bǔ)貼方面，聯(lián)邦政府通過美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)資助探索空間計(jì)算在醫(yī)療、教育和勞動(dòng)力培訓(xùn)等領(lǐng)域應(yīng)用的項(xiàng)目;加利福尼亞、紐約和華盛頓等地方政府積極提供贈(zèng)款、稅收優(yōu)惠服務(wù)，并創(chuàng)建創(chuàng)新研究中心。國(guó)防驅(qū)動(dòng)方面，美國(guó)國(guó)防部一直是空間計(jì)算技術(shù)的重要驅(qū)動(dòng)力，國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)長(zhǎng)期投資其在軍事行動(dòng)的訓(xùn)練模擬、態(tài)勢(shì)感知和人機(jī)界面等領(lǐng)域的研究和落地。標(biāo)準(zhǔn)方面，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)參與制定空間計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和指南，以確保安全性、互操作性和可用性。生態(tài)培育方面，鼓勵(lì)學(xué)術(shù)、產(chǎn)業(yè)和政府機(jī)構(gòu)合作，如2023年4月，美國(guó)退伍軍人管理局(VA)與Penumbra公司合作，共同測(cè)試和開發(fā)康復(fù)護(hù)理領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)解決方案;頭部企業(yè)間也強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、積極開展跨國(guó)合作，如英偉達(dá)與微軟聯(lián)合推出Omniverse空間計(jì)算平臺(tái)，谷歌與三星、高通合作研究MR/VR等。

　　我國(guó)空間計(jì)算行業(yè)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)

　　1.產(chǎn)業(yè)鏈上游部分關(guān)鍵技術(shù)自主掌控力不足。

　　硬件側(cè)，SoC、存儲(chǔ)、音頻、射頻、電源管理等芯片主要依賴日本索尼、美國(guó)高通、韓國(guó)三星等進(jìn)口;高端傳感器制造落后，如慣性等傳感器依賴德國(guó)博世、意法半導(dǎo)體ST等進(jìn)口。軟件側(cè)，國(guó)內(nèi)企業(yè)使用的3D建模軟件、3D引擎等開發(fā)工具及用戶界面仍以Unity、UE等國(guó)外軟件為主。其他，眼動(dòng)追蹤、手勢(shì)交互等感知交互技術(shù)在識(shí)別精確度、時(shí)延等方面仍與國(guó)際領(lǐng)先水平存在差距。

　　2.產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)協(xié)同不夠，限制融合應(yīng)用和生態(tài)培育。

　　一方面，產(chǎn)品性能和用戶體驗(yàn)等核心問題需要產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)協(xié)同解決，如佩戴XR頭顯設(shè)備接打電話，需手機(jī)和XR等廠商協(xié)同更改芯片和底層操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多屏協(xié)同，提升打字、搜索等操作的便捷性。另一方面，當(dāng)前空間計(jì)算技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，且缺乏統(tǒng)一的軟件生態(tài)系統(tǒng)，不同設(shè)備之間無法兼容，導(dǎo)致創(chuàng)作內(nèi)容無法在app等應(yīng)用市場(chǎng)流通，限制應(yīng)用的市場(chǎng)普及。

　　3.實(shí)際使用存在隱私泄露與數(shù)據(jù)濫用風(fēng)險(xiǎn)。

　　空間計(jì)算涉及的數(shù)據(jù)維度與類型增加，個(gè)人隱私數(shù)據(jù)與周邊環(huán)境信息被全方位收集�？臻g計(jì)算實(shí)際使用需要收集包括位置定位、生物特征、生理信息等敏感個(gè)人數(shù)據(jù)，并通過攝像頭、傳感器等設(shè)備追蹤用戶行為及所處環(huán)境信息。同時(shí)云、終端以及其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸與共享，使得數(shù)據(jù)及信息的安全與管控更為復(fù)雜，面臨數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　相關(guān)啟示

　　1.完善產(chǎn)業(yè)及關(guān)鍵技術(shù)布局。

　　一是通過研究課題、政策傾斜、資金補(bǔ)貼等手段鼓勵(lì)科研機(jī)構(gòu)、央國(guó)企與科技企業(yè)協(xié)同布局空間計(jì)算軟硬件研發(fā)及突破創(chuàng)新。二是加大關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)投入，進(jìn)一步推進(jìn)中高端傳感器、芯片、3D引擎、動(dòng)作追蹤等關(guān)鍵軟硬件技術(shù)攻關(guān)，鼓勵(lì)終端設(shè)備商與芯片廠商聯(lián)合設(shè)計(jì)SoC芯片，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)及技術(shù)自主掌控。

　　2.打造空間計(jì)算+AI的聯(lián)合產(chǎn)業(yè)生態(tài)應(yīng)用。

　　一是建立空間計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游共同制定和完善統(tǒng)一的空間計(jì)算框架、軟件生態(tài)、硬件等標(biāo)準(zhǔn)體系，并推進(jìn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)融通互促及跨領(lǐng)域行業(yè)應(yīng)用合作。二是聚焦AI+空間計(jì)算的集成應(yīng)用，打造空間計(jì)算智能體商店等創(chuàng)新商業(yè)模式，通過創(chuàng)新大賽等形式鼓勵(lì)開發(fā)者基于大模型構(gòu)建空間計(jì)算原生應(yīng)用，推動(dòng)在汽車制造業(yè)等實(shí)體經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和規(guī)模應(yīng)用。

　　3.強(qiáng)化相關(guān)數(shù)據(jù)安全監(jiān)管。

　　一是將空間計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景納入監(jiān)管范圍，細(xì)化終端與應(yīng)用對(duì)用戶行為及環(huán)境數(shù)據(jù)收集的監(jiān)管力度。二是監(jiān)督企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行脫敏與匿名處理，針對(duì)個(gè)人身份、生物識(shí)別、環(huán)境采集等數(shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)篩查，加強(qiáng)數(shù)據(jù)出境的安全管控。

　　注釋

　　1.根據(jù)美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司(PTC)的定義，空間計(jì)算是涉及機(jī)器、人、物體及其發(fā)生環(huán)境的活動(dòng)的數(shù)字化，以實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化操作和交互。

　　2.參考：清華五道口科創(chuàng)金融研究中心發(fā)布的《2024空間計(jì)算行業(yè)圖譜》研究報(bào)告。

　　本文作者

　　趙靜

　　戰(zhàn)略發(fā)展研究所

　　二級(jí)分析師

　　碩士，主要從事云網(wǎng)融合關(guān)鍵技術(shù)及行業(yè)研究，專注于智算、光網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字孿生等領(lǐng)域研究。

　　孫雪媛

　　戰(zhàn)略發(fā)展研究所

　　一級(jí)分析師

　　主要從事數(shù)據(jù)中心、智算、IP網(wǎng)絡(luò)等方向的研究及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定工作。

　　王田媛

　　戰(zhàn)略發(fā)展研究所

　　副主任分析師

　　主要從事云計(jì)算行業(yè)市場(chǎng)、技術(shù)架構(gòu)及演進(jìn)路徑規(guī)劃研究。

　　劉小歐

　　大數(shù)據(jù)與人工智能研究所

　　區(qū)塊鏈與元宇宙中心副總監(jiān)

　　碩士，主要從事人工智能、區(qū)塊鏈領(lǐng)域技術(shù)研究及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作，近期聚焦于網(wǎng)絡(luò)Al Agent等領(lǐng)域。

　　商興宇

　　大數(shù)據(jù)與人工智能研究所

　　工程師

　　碩士，IEEE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)P3438工作組主席，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄�、區(qū)塊鏈及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化等領(lǐng)域。