2021年VR、AR行业研究报告

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2021年VR、AR行业研究报告

发布日期:2024-03-13 来源:生产设备

详细介绍

  2020年全球VR头显出货量为670万台,同比大增72%,预计2022年将达到1800 万台2020年全球VR用户数量已超过千万,到2025年将达到9000万,苹果等巨头的相继入场给市场更大想象力空间。

  智能穿戴产品是消费电子后续持续增长点。继智能手环市场后,TWS引爆智能穿戴板块,VR/AR将成为智能穿戴板块后续最大的看点之一。VR/AR产业链包括硬件、软件、内容、应用和服务四个领域。5G的高速率、大容量、低延时解决了VR/AR 产品的眩晕等问题,沉浸度持续提升,VR/AR体验感更好,未来的用户群体预计将持续扩大。

  技术持续升级,VR进入硬件+内容双击的正向循环。VR是构建虚拟场景, 沉浸感是关键。XR2等定制芯片使VR成本更低性能更高,超短焦光学使VR形态更便携,高分辨率和高刷新率持续提升,大幅改善时延和纱窗效应,6DoF使游戏体验感更好,VR技术逐渐完备。疫情增加用户居家时间, 半衰期大火,高质量的游戏巨作持续推出吸引更多用户购买VR设备体验, Oculus高性价比的Quest2有望成为首款销量破千万的VR设备。

  光波导技术逐渐成熟,AR眼镜市场值得期待。AR应用场景更广,但壁垒更高,苹果已率先在高配置手机上配置LIDAR镜头,为AR时代铺路。目前主流的图像源器件技术是硅基液晶(LCoS),micro-LED的技术突破值得期待,成像系统叠加主流技术是光波导技术,其中衍射光波导技术相对成熟且能实现二维扩瞳,目前各大手机生产厂商和互联网巨头都在抢先布局VR/AR市场。

  智能穿戴打开消费电子行业后续成长空间。智能穿戴即可穿戴设备,手机的创新空间逐步收窄和市场增量接近饱和的情况下,智能可穿戴设备为智能终端产业增添了动力。2020年第3季全球穿戴式装置出货达1.25亿台,较2018年同期增长 35.1%。目前全球智能穿戴板块中智能手表+耳戴式产品+智能手环占比超90%,占比最高的是耳戴式,市占率为55.67%。智能穿戴领域玩家主要仍是以苹果为代表的手机巨头。

  智能穿戴市场最早追溯到20世纪60年代,2008年,Fitbit推出首款健身设备,可穿戴产品开始步入普通大众的视野和生活。2014年智能穿戴进入 “爆发 年”,各大电子知名终端和网络公司相继进入智能穿戴领域。2014年Google发布 AndroidWear和云健康管理平台Google Fit,Apple发布Health Kit平台,公布 iWatch,正式推出第三方应用开发平台WatchKit;微软发布Microsoft Health和Microsoft Hand;三星发布健康监控手环Galaxy Gear fit及预装Tizen OS的智能手表。国内企业也不甘落后,小米发布79元低价亲民手环,销量迅速超过100万, 直至2019年小米仍在印度手环市场保持40%+的市场份额。

  手环是是穿戴板块热潮的首个大单品。2011年Jawbone公司率先推出了第一 款智能手环Jawbone UP健身手环。该手环可追踪睡眠、运动、饮食状况,并与智 能手机的相关应用进行关联,售价为130美元,但由于产品本身缺陷匆匆下架。2013 年,Fibit也尝试发布了相似功能的智能手环Fibit Flex,但很快就迎来了一 的退货危机,未能进一步大规模出货。

  2014年,Jawbone、Fibit再次发布新品引领智能手环的第二波浪潮,同时Google发布了专为可穿戴设备打造的Android Wear平台,为安卓手机生产厂商进军可穿戴设备市场提供机会。三星、索尼、微软、华为等传统手机生产厂商和小米等移动互联网厂商,以及Garmin等无线技术公司也相继涉足智能手环市场,多款明星级智能手环大量集中上市,并在各大厂商在各种渠道的大力推广下迅速“引爆”了智能手环市场。到2014年底,仅中国智能手表市场上参与竞争的品牌数量就超过50家。

  但由于产品同质化严重、用户检验测试的数据准确度低和创新不足,手环市场2016年底开始增长乏力,2016年Q3智能手环市场整体销量为2300万只,仅保持了3.1%的微弱增长。2018年小米新推出手环3,大幅度的增加了小米手环的使用场景, 发布还不到半年,全球销量就已经超越了1000万,小米手环3的爆火带领小米手环销量重回高增长。

  无线蓝牙耳机崭露头角,TWS应运而生。2001年苹果划时代的推出了iPod设备和iTunes服务,开启了音乐数字化的浪潮,可随时随地听歌的需求迅速拉动了耳机行业的成长。2006年,蓝牙A2DP协议的普及极大的提升了音质,使蓝牙耳机听歌成为可能,无线运动耳机厂商Jaybird顺势于2008年推出第一款蓝牙无线年,一家德国创业公司众筹生产了一款Dash无线耳机,这是 第一款消费级的真无线耳机,集成内容存储、语音助手、运动检测、心率监控、实时翻译等功能于一身。

  自此,蓝牙无线耳机产品创新不断,Beats等品牌纷纷发布的真无线蓝牙耳机。短短两年后,美国的蓝牙耳机市场占有率已超过非蓝牙耳机。GfK中国的统计多个方面数据显示,我国的蓝牙耳机市场占有率从2015年的39%提升到了2017年的56%,蓝牙耳机不断吞噬有线年,苹果凭借其推出的Airpods TWS耳机产品的时尚外观设计、强大续航能力和稳定便捷的使用方式和与iOS生态的高度融合,迅速掀起了TWS行业热潮。TWS耳机让耳机从手机配件晋升为独立的智能终端产品,重新定义了新耳机。据Slice Intelligence统计,苹果Airpods在发售后仅用一个月就挤下Beats夺走了无线月底苹果发布的高阶TWS耳机AirPods Pro,添加主动抗噪和防水等功能解决了消费者的痛点,一度一机难求。华为、小米以及传统耳机厂商也都纷纷跟进,推出自家TWS降噪耳机,据IDC数据,2019年第二季度我国TWS耳机出货量占比达到了66%。

  VR(Virtual Reality)指虚拟现实,利用计算机模拟虚拟环境给用户沉浸感, 是一种创建与体验虚拟世界的仿真系统,VR中不包含真实信息,用户将自己的意识代入一个虚拟的世界。AR(Augment Reality)指增强现实,是一种将虚拟信息融合叠加在真实世界上的技术,利用计算机将文字、图像、三维模型等信息仿真后应用到现实世界中,虚拟信息与真实信息互相补充,实现对现实世界的“增 强”作用。VR 和AR统称XR。

  鉴于VR是纯虚拟场景,VR装备多配有位置追踪器、数据手套、动作捕捉系统、数据头盔等,用于用户与虚拟场景的互动。而AR是虚拟与实景的结合,所以设备一般都配有3D摄像头,严格来说,只要安装了AR软件, 智能手机等带摄像头的产品都能够直接进行AR体验。

  VR的核心是graphics的各项技术的发挥,目前在游戏领域应用最广,最为关注的是沉浸感,对GPU性能要求比较高。AR则强调复原人类的视觉功能,应用了很多computer vision的技术对线D建模再处理,重视CPU的处理能力。

  VR的虚拟现实特性使其具有沉浸感和私密性,决定了其在游戏、娱乐以及教育社交等领域会有天然优势,而AR的增强现实特性决定了其更偏向于与现实交互,适用于生活、工作、生产等领域。VR/AR产业链较长,包括硬件、软件、内容、应用和服务四个环节,其中硬件环节包括各种零部件和整机的创造、生产和销售,软件主要指各种操作系统、 应用和工具软件等,内容有内容制造和分发两个环节,应用则分为消费侧和企业侧,服务属于支持环节,主要是云服务和通信网络。

  5G为虚拟现实的服务环节提供了基础设施支撑。2019年是中国5G商用元年, 2020年5G建设进程大幅度的提高,仅中国全年新建开通5G基站超60万个。5G 时代网络主打超高速、低延时、海量连接、泛在网、低功耗,能在节省能源、减少相关成本的同时提高系统容量和大规模设备连接能力。5G的传输速度能实现在云端完成虚拟现实交互应用所需要的渲染,帮助用户获得可以媲美PC级的渲染质量。

  5G网络的铺设结合云端和人工智能等技术的进步,为物联网、车联网、云游戏、云视频等应用场景都创造了可能性,以可穿戴设备、虚拟现实、智能家居、 智能医疗、车载智能终端等为代表智能硬件,在5G推动下会带来蓬勃发展。

  20世纪50年代, 美国人Morton Heilig发明了第一台VR设备Sensorama,被称为VR设备的鼻祖, 90年代任天堂等游戏设备公司开始陆续推出VR设备。但在2012年之前,VR基本以概念为主。2012年,Oculus Rift和Google Glass问世,VR产品在成本、延迟、视域和舒适度方面得到了显著改善,行业进入了产业元年,2016年虚拟现实被列入“十 三五”信息化规划等多项国家政策文件,国内厂商也纷纷入局,乐视头盔、暴风魔镜、掌网科技、大朋等等,整个VR行业处于井喷状态。但由于技术不成熟和价格高企,2017-2018年,行业进入严冬。2019 年-2020年,随着VR内容生态的完善和Oculus产品的爆卖,行业进入快速地发展期。

  沉浸感是让人专注在当前的目标情境下感到愉悦和满足,而忘记真实世界的情境,沉浸感要求人的感知和认知的统一,沉浸感是判断VR发展阶段的重要指标。沉浸感包括多重维度的指标,包括单眼屏幕分辨率、视场角(FOV)、角分辨率 (PPD)、可变焦显示和时延等。除了无沉浸以外,VR沉浸体验可大致分为、初级沉浸、部分沉浸、深度沉浸和完全沉浸四个层次。沉浸感主要决定因素包括视场角FOV、刷新率、延迟及自由度等。

  透镜的设计是决定视场角的主要的因素,而刷新率和延迟则对屏幕和处理期的性能及算力提出了较高的要求,而自由度越高,则传感器数量越多,因此沉浸感的要求带来的是终端产品的体积重量和成本上的压力,在当前技术条件下,“沉浸 感-佩戴舒适度-性价比”组成“不可能三角”。

  我国VR行业仍处于第二级,即部分沉浸阶段,主要体现为1.5~2k 单眼分辨率、100~120度视场角、百兆码率、20毫秒MTP时延,4K/90帧频渲染解决能力等。当下VR的体验已经有了较明显的提升,分辨率和图像渲染都能让用户有更深度的沉浸效果,也减少了眩晕,但目前真实度仍有待提升。

  VR产品就硬件产业链而言,包括产品形态、处理器、显示、光学、追踪定位、操作系统等方面。就形态而言,VR可分为一体机和非一体式(PC/手机), 其中自身无显示屏且需要借助手机显示屏的即手机VR,内置显示屏但要连接电脑使用的是PC VR,单独内设显示屏也内设处理器的是VR一体机,目前大部分高端的VR设备以一体式VR为主。

  目前VR处理器分为手机芯片和专用芯片,以骁龙820、MTK、三星、麒麟等为代表的手机芯片性能优越,但其功耗和散热问题难以解决,且成本比较高,2018年高通专门为VR和AR一体机而设计的芯片XR1,其性能比骁龙845 XR版稍弱, 少了基带集成,成本更低,基本达到沉浸式VR体验的最低标准。2019年骁龙发布XR2芯片,相比于上代产品,CPU、GPU性能翻倍,视频带宽提升至原来的4倍、分辨率是原来的6倍,AI性能更是提升至11倍之多。

  目前大陆产的VR芯片较少,最重要的包含瑞芯微Rockchip、全志H8、INFOTM等,2017年全志科技发布首个专用VR芯片VR9,其牺牲部分CPU成就超强的音频效果,内置VR专用低延时加速模块 Portal 1.0 以及双引擎直驱双屏专用系统, 突破性达到全景6K解码播放能力,目前全志科技配套的VR终端均以中低端定位为主。2020年5月华为海思发布XR芯片平台,推出首款支持8K解码能力的XR芯片,但目前由于受美国制裁,后续前景仍不明朗。

  屏幕是决定沉浸体验最重要的决定因素之一,目前主流为Fast LCD与AMOLED技术。屏幕显示最大的难点是要解决纱窗效应+时延,即对分辨率/PPI和刷新率要求极高。人单眼等效的VR屏幕分辨率是与16K分 辨率的规格(15360 x 8640,1.32亿像素)最为接近,Oculus Quest 2显示器可提供每只眼睛 1832 x 1920 像素的分辨率,爱奇艺的奇遇2pro等能达到单眼4K的分辨 率,但距离人视网膜分辨率的差距仍较远。

  纱窗效应跟次像素排列密度PPI有关。纱窗效应是指在像素不足的情况下, 实时渲染引发的细线条舞动、高对比度边缘出现分离式闪烁现象。造成纱窗效应的原因跟次像素排列密度有关,次像素之间的间距并不发光,间距越大,不发光的部分越明显,在VR中看起来就像是在眼前蒙了纱窗一般有种模糊感,影响VR的沉浸感和视觉清晰度。

  高刷新率使画面更平滑,减少画面延迟、重影,而且也能缓解眩晕感。一 般而言 VR设备如果想不眩晕,至少要有足够高的120Hz及以上刷新率以及足够高的分辨率(4K 及以上)。延迟时长为刷新率的倒数,90HZ的刷新率对应的是11.1ms,以人眼的感官而言,人眼可以明显察觉90-120Hz到160-180Hz的提升, 超过250Hz后,人眼对刷新率提升的敏感程度将逐步递减。

  目前主流的VR屏幕均以FAST-LCD屏幕为主。一般OLED屏幕的刷新率明显有优势,但纱窗效应较明显,且成本比较高,LCD屏幕的次像素间距比OLED要小,纱窗效应会减轻很多,目前改良的FAST-LCD时延大幅度降低,具备性价比优势,目前主流的VR屏幕均以FAST-LCD屏幕为主。仅2018年,京东方VR专用显示模组出货量就达100万片,涉及VR整机产品已超20款,包括Oculus和华为VR。

  VR产品的光学最重要的包含视场角和光学方案两块。视场角即FOV,一般指水平方向的视场角,显示器边缘与观察点(眼睛)连线的夹角,人眼正常睁眼看左右环境是 120度的视场角,视场角以外的区域就是黑域。视场角一般要与屏 幕大小相匹配,如果视场角远小于屏幕匹配的效果,VR世界有黑边,影响沉浸感,但如果想升级视场角,则需要缩短与透镜间的距离,或增加透镜的大小,但屏幕PPI不够的情况下,放大倍率太高,屏幕的颗粒感会越严重。

  在保证视场角的情况下,屏幕离眼睛越近,所需要的屏幕面积则越小,越省成本且更轻便,但人晶状体是凸透镜,太近的画面会失焦,因而需要在面部和显示器之间设置一个透镜或一系列的透镜,使观看更舒服。市面上光学方案包括非球面透镜和菲涅尔透镜,目前菲涅尔透镜是主流。

  菲涅尔透镜即螺纹透镜,多是由聚烯烃材料注塑而成,镜片表面一面为光面, 另一面刻录了由小到大的同心圆,它的纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计, 每个凹槽都可以一个独立的小透镜,把光线调整成平行光或聚光,也能消除部分球形像差。

  普通的透镜会出现边角变暗、模糊的现象,菲涅尔透镜优势显著,但菲涅尔透镜精度较差,成像效果一般,非球面镜头成像效果较好,但镜片厚重量大。2019年华为推出超短焦方案(Pancake),利用折叠光路设计和多层镀膜,让光线在镜片、相位延迟片以及反射式偏振片之间多次折返,最终从反射式偏振片射出极大减小眼镜的重量和体积。

  追踪定位方案主要是为了在虚拟场景里的空间定位,以实现更多的人机交互。VR 的定位技术在实现上大致上可以分为两类,即“outside-in”和“inside-out”,前者需要外置多个定位点设备,设备发出红外线等通过三角定位的方法确定佩戴者的位置 和移动方向。后者则是利用设备自身,而不依靠外部的传感器等配件,实现虚拟场景里的空间定位,以及更多的人机交互。前者比较精准但放置定点设备不方便, 后者则更方面,目前inside-out是主流定位方案。

  与VR内的场景交互涉及到自由度DoF,主要是对物体的运动方式的追踪, 自由度分为3DoF和6DoF,3DoF是指戴着VR头显的玩家的头部回转动作,即上下、左右、前后回转动作,而6DoF则在3DoF的基础上添加了身体的上下、左 右、前后动作。3DoF的设备能用来看VR电影和进行一轻度VR游戏,6DoF的设备能在玩游戏时与场景深度交互,体验到越障、跳楼、登山、滑雪等真实感受,大幅度的提高沉浸感。

  2020年疫情导致居家时间变长,而一体机、高刷新率、6DOF技术升级带来的体验感上升,眩晕效果大幅度降低,VR行业进入爆发期。VR游戏也不断丰富,截止2020年底 Steam平台VR内容数量达到5554款,加上Oculus和VIVE、PICO等平台,目前主流游戏平台上VR内容已超过万款。VR已确定进入了“用户增加-设备开发商/内容开发者收入提高-设备体验感上升/内容持续丰富-用户持续增加”的正向循环。半衰期游戏大火,2020年VR游戏收入同比增长25%。2020年发布的《半衰期:爱莉克斯》单款游戏收入超过了2019年所有VR游戏收入之和,2020年全球VR游戏收入同比增长25%达到5.89亿美金。2020年SteamVR的会线万(初次使用 SteamVR 的用户数量),VR游戏时间比上年增加了 30%。

  Steam年度报告说明2020年平台新增VR用户170万,月活VR用户205万,根据RoadtoVR 的测算,目前Steam平台的月连接VR设备数量已超越250万, 且不停地改进革新高。Facebook占比VR消费市场半壁以上江山,2021年3月Steam平台58%的月连接 VR设备均为Oculus产品。

  Oculus成立于2012年,创始人帕尔默是VR迷,2012年,Oculus Rift DK1上线国外众筹网站Kickstarter众筹,筹集超240万美元的资金,2013年,游戏天才约翰·卡马克宣布加入Oculus VR公司任CTO一职,2013年Oculus发布首款VR设备 Oculus Rift。Facebook以20亿美元的价格收购Oculus。2014年公司陆续发布了DK2、Crescent Bay两代开发者版本,三代开发者版本的重量逐渐减轻, 刷新率有所提升,使用体验逐步向消费级产品靠近。

  Oculus于2015年6月正式对外发布了消费者版Rift虚拟现实头显,上市时售价为599美元。2018年5月,Facebook在海外市场推出的Oculus Go是Oculus第一款无需匹配PC使用的一体化VR设备。为探寻 VR未来发展趋势,Facebook在2019年5月同时发布了Oculus Rift S和Oculus Quest两款产品,分别为系留VR(PC VR)和一体机VR(移动 VR), 两款产品的屏幕材质、芯片、刷新率等较Oculus Go有了明显提升,沉浸感更强。

  Oculus首款Quest大获成功,开售两天冲到了多国亚马逊畅销榜前三。2020年9月,Facebook发布了新款一体机VR:Oculus Quest 2,同时支持以有线/无线方式连接PC使用,分辨率明显提升, 刷新率提升至90Hz,仅299美元的起售价极具吸引力,还提供给玩家大量质优价 廉的游戏,产品极具性价比,该产品2020年Q4销量为109.8万台,而同价位的索尼PS VR销量仅为12.5万台,排名第二。

  2015年2 月苹果的第一份VR/AR 相关专利曝光,专利内容为一款观看沉浸式媒体的头显,截止2021年1月,苹果已有330多项公开可查的VR/AR 相关专利。2019年苹果内部会议曝光的N301,外形类似Oculus Quest,具备VR、AR混合功能,苹果将在2021年6月的开发者大会WWDC上发布一款混合现实头显,配置和功能方面想象空间颇大。配置方面,除了已知的外观专利、散热和光学专利,苹果还曾向索尼订购了 1280x960分辨率的0.5英寸Mirco-OLED显示屏,另外ToF镜头也可以被内置到头显中以实现手部动作追踪。功能方面,VR/AR切换、近视支持、心率及温度测 量、虚拟键盘投射和6DoF手写触控笔等功能专利均在2020年对外公开,有望被用于苹果的VR新品。

  iPhone和iPad近年来陆续新增UWB和Lidar模块,为推出VR/AR铺路。苹果 iPhone11系列之后手机均搭载UWB超宽频芯片,高效传播速率、高精度定位、 传输距离适中、低能耗等性能优势显著。2020年新款的iPad和iPhone均配置了Lidar 镜头,能够迅速扫描获取身边世界的3D信息来分析和构图,苹果在相关生 态链产品中陆续增加精准定位和3D信息获取相关的配置,为VR/AR产品的推出铺路。

  2020年全球VR头显出货量为670万台,到2025年VR用户市场有望超过9000万。2020年全球VR头显出货量为670万台,同比大增72%,预计2022年将达到1800万台,其中销量大增主要由于Oculus Quest一代和二代产品的爆卖。2020年全球VR用户数量已超过千万,到2025年将达到9000万,苹果等巨头的相继入场给市场更大想象力空间。

  2011-2013年,索尼分别发布了HMZ-T1、HMZ-T2、HMZ-T3三款产品,HMZ系列主打“头戴3D个人影院”概念,基本功能是3D观影,虽然也属于头戴显示设备,但并不是线年发布第一款VR设备:PS VR。截止2019年2月,官方公布的全球总销量为420万台,2020年Q4季度PS VR的销量仅次于新发布的Oculus Quest2,广受欢迎。PS VR与一般PC VR不同,其只能配合PS使用,但其优势也相对明显,大多数表现在:

  与同时期的Oculus Rift和HTC VIVEPS VR相比,PS VR通过处理器连接PS4后可以直接用,不需要复杂的配置,也不需要专门购买价格远高于PS4 主机的高性能PC。

  PC用户数量虽要高于PS4,但PS4的用户诉求全部集中于游戏娱乐,与 VR产品本身的定位非常契合,因此PS4用户对于PS VR的接受度更高。此外, 截止 2019财年,PS4全球累计销量达1.104亿台,用户数量较为可观。就用户的消费习惯而言,相对封闭的PS平台也要优于PC平台,截至2020年1月底,PS4全球累计游戏销量达到11.81亿套,较去年同期增加2.57亿套。

  PS4的内容质量相较于Steam平台也不落下风,大量成熟的内容IP对于 VR的推广有推动作用。目前PS VR的第二代产品尚未发布,但新款主机PS5已经上市,PS VR能够最终靠专门的连接器在PS5上运行其在PS4购买的游戏。2020年夏季索尼提交了一 份用于PS VR2的关于降低VR晕动症的技术专利,10月又提交了一份“让观众 参与游戏并集成到虚拟现实内容中”的专利,观众可以在可用内容中做出合理的选择, 为VR用户增加游戏场景。

  HTC的VIVE系列是由HTC与Valve联合开发的VR头显,第一款开发者版本VIVE在2015年的MWC上发布,消费者版本于2016年真正开始销售,该款产品发行3个月后销量接近10万台。VIVE Focus Plus支持2K分辨率、6自由度操控和Inside-Out 定位追踪,无需连接 PC或定位器就可以使用,使用者真实的体验大幅度的提高。VIVE Pro的色彩对比度更高, 且内置 3D立体音耳机,具备100平米内空间定位追踪功能,可满足大型游戏需求。最新的VIVE Cosmos拥有VIVE系列中最高的分辨率,同时适用于各种VR应用程序,功能更加全面。

  华为于2016年5月正式推出了VR头显,专门匹配荣耀V8手机使用,功能较为简单。第二年又推出了第二代头显VR 2,使用3K显示屏,刷新率达到了90Hz,可配合电脑作为PC VR使用,连接手机后也可使用电子设备的处理器转为分离式一体机 VR。

  2019年华为推出VR Glass,机身厚度26.6mm,重166克,厚度和重量均仅为另外的品牌VR的30%,配置超短焦光学系统,如三段式折叠光路等,同时支持0-700度屈光调节,可不戴近视眼镜直接佩戴,采用1058 PPI的Fast LCD屏幕, 支持3D音效、IMAX巨幕。但其非一体机,需要配合手机或电脑使用,连接电脑使用时刷新率可达90Hz。

  华为发布Cloud VR,解决便携和效果的冲突。当下VR体验较好的大多需要依赖PC VR终端设备,行动不便,华为iLab于2019年2月西班牙MWC展览会 上,发布了最新的VR解决方案——Cloud VR,VR云化后,用户侧设备只需要最基础的视频解码、呈现、控制信令接收和上传,可采用STB解码,Mobile VR播放,实现无绳化,轻便、便于更多类型终端接入的优势。

  1966年增强现实之父萨瑟兰开发出第一套AR系统,是人类实现的第一个AR设备。谷歌于2012年宣布开发出Project Glass,并于2014年正式对外发布AR眼镜Google Glass,次年现象级手游Pokemon Go的风靡彻底让AR 出现在大众视野中。随后,苹果、Facebook、华为、三星等大厂纷纷布局AR,高通在2019年推出了首款支持5G的扩展现实设备芯片“骁龙 XR2”,AR爆发值得期待。面对发展前途广阔的AR市场,各大厂商进行了一系列收购和投资,Facebook、苹果和谷歌等均发布了自己的AR平台,提前布局AR领域。

  AR领域在技术上需要从0到1的突破,技术实现难度总体高于VR,由于是虚拟场景与真实场景的叠加,怎么来识别和理解现实场景,如何在真实世界叠加虚拟物品并实现感知交互,是AR的第一个任务。3D Sensing为理解世界并交互的核心技术。

  通过2D向3D的升级,能获取全面的三维信息,每个对象的三维轮廓、物理特征将更为充分识别。目前3D Sensing已经在高端智能机中得到了运用,主要在人脸识别领域。前置3D Sensing 获取的是3D人脸图像,未来后置TOF应用场景也更为广阔,比如之后的手势识别,以及为现实场景的建模。3D镜头未来将成为AR眼镜标配。

  3D相机方案已经具有多种应用方案,包括TOF、双目识别、结构光(含固定式和可编码式)。双目识别属于被动式方案,不需要激光源,精度低,效果较差。TOF和结构光预计将会未来3D相机的主要选择。结构光是利用图像传感器获得光源投射到物体表面的图案机构,利用三角原理计算三维坐标;TOF则是利用计算从光源到物体、再到接收端的时间进行测距,逐点计算测量相位差以获得物体表面信息。虽然二者解码原理不同,但其所需要的核心部件基本相同,包括发射端的红外光源、微透镜;接收端的透镜、窄带滤光片、传感器等。

  2019年发布的微软HoloLens2, 对手势追踪模块升级为Azure Kinect,包含了一个TOF深度传感器,最多可追踪单手25 个关节点,密度更高,覆盖更全面,包括手指弯曲等细节动作也能捕捉到。OPPO AR Glass 2021搭载双目鱼眼摄像头,对单手做21个关键点标记,单根手指 4个关节标记点,可对双手实现毫秒级检测和追踪,精准识别手势,这样可进行点按菜单、推开和拉近物体等手势交互。

  2017年iPhone X发布后, 3D成像开始在智能机上逐步渗透。2019下半年至2020年,包括苹果、三星、华为、SONY、OPPO、Vivo等,纷纷计划在后镜头搭载ToF。配置ToF镜头现阶段 一方面能取代景深镜头,并提供更好的拍照效果,长期而言,是着眼于未来AR应用展开的铺路。

  近眼显示系统(NED)是AR设备叠加虚拟物品并实现交互的核心,是将显示器上的像素,通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射到人眼中。由于AR眼镜需要透视,既看到真实的 外部世界,也看到虚拟信息,所以成像系统不能挡在视线前方,需要多加一个或 一组光学组合器,通过“层叠”的形式,将虚拟信息和真实场景融为一体,互相补充,互相“增强”。AR设备的光学显示系统由图像源器件与显示光学器件组成,前者产生图像并将图像投射到显示光学器件中,显示光学器件将图像反射到用户眼睛中。图像源器件技术最重要的包含硅基液晶(LCoS)、AMOLED 和 micro LED,目前LCoS一 直是AR眼镜中应用的主要技术,AMOLED具有自发光功能,设计更简洁,光视效率更加高,微型 LED光视效率更加高、产品寿命更加长、反应速度更快,更适合AR眼镜,但目前micro LED技术量产尚不成熟。

  目前光学元件技术分为棱镜、自由曲面、光波导等,棱镜光学是Google Glass采用的光学方案。通过投影到带有切割反射面的小棱镜上成像,棱镜将图像反射到人眼视网膜中,与现实图像相叠加成像,方案很成熟,技术门槛低,但视场角小、镜片厚且亮度不足。Birdbath方案和棱镜光学原理相近,采用45度角的分光镜(具有反射和透射值),弊端也和棱镜方案类似。

  自由曲面指通过投影到表面不规则的带反射/透射(R/T)值的曲面反射镜, 然后反射回眼内,这种方案显示源一般在额头前方,自由曲面厚度较厚,外界透光率较低,视场角也较小且体积较大。日本爱普生公司及美国梦境视觉Meta系列曾采用过该方案,Meta系列重量约420克(不计线缆和头部绑带)。

  光波导为目前主流方案,光波导可分为几何光波导(也叫阵列光波导)和衍射光波导,根据不同的光栅元件,衍射光波导有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导(也叫全息光波导)两种。

  几何光波导是通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大,代表光学公司是以色列的Lumus。几何光波导的光路设计是耦合光通过反射面或棱镜进入波导,经过“半透半反”镜面阵列耦合出波导,再到达眼镜前方。几何光波导没有牵扯到任何微纳米级结构,图像质量包括颜色和对比度能够达到很高的水准。但是每个“半透半反”镜面都需要十几甚至几十层的镀膜工艺,总体良率不高, 量产性较差。

  与几何光波导不同,衍射光波导通过光栅结构实现光束的扩展和耦出,表面浮雕光栅波导和全息体光栅波导的不同之处在于光栅的加工制作方法不一样。HoloLens 2和 Magic Leap One均属于表面浮雕光栅波导,利用二元光学理论,在晶圆表面纳米压印光刻极为精细的结构形成表面浮雕光栅结构,根据形状不相同,表面浮雕光栅有矩形光栅、倾斜光栅、闪耀光栅等。由于制作时无需将镀膜斜面“插入” 镜片中,只需要在镜片表面加工光栅结构即可,表面浮雕光栅波导工艺相对简单, 批量生产所带来的成本低,未来发展的潜在能力巨大。

  相比于几何光波导,衍射光波导能实现二维扩瞳。普通成像均只有一个图像出口,而通过“半透半反”的镜面阵列和光栅,成像有了多个出口,眼睛横向移动时候能都看到图像,横向可视范围变大,即实现了一维扩瞳。衍射光波导用的半导体加工工艺相对简单,批量生产所带来的成本低,而且通过合理的设计光栅结构,可 以实现出瞳的二维扩展扩大可视范围,即二维扩瞳,二维扩瞳常见为六边形分布的圆柱光栅。

  全息体光栅光波导使用全息体光栅元件(Holographic Optical Element,HOE) 代替浮雕光栅,苹果公司收购的 Akonia 公司采用的便是全息体光栅。相比较浮雕 光栅,全息光学元件是通过双光束激光全息曝光的方式,直接在微米级光聚合物薄膜内干涉形成纳米级的光栅结构。HOE具有高透明,高衍射效率特点,全息体光栅光波导色彩表现更好,局限在于材料制备复杂、规模量产困难、长期可靠性、 材料稳定性难保证。

  三种光波导方案中,几何光波导的局限在于良率不高,量产性不强,全息光波导则受全息体光栅材料制备复杂所限制。而表面浮雕光栅波导显示效果好,量产可能性高,发展的潜在能力也最大,未来很有几率会成为AR光学显示主流方案。目前国内水晶光电、舜宇光学科技和歌尔股份在光波导相关解决方案上有布局。

  在主流光学方案之外,光场技术也是一种关注度较高的方案,光场光子产生不同深度的数字光,并与自然光无缝融合,从而将逼真的虚拟物体叠加至真实世界中,由于光场技术能够完全真实地模拟光线在现实世界的存在方式,其显示效果要优于光波导,蚁视科技和Magic Leap都曾申请过相关专利。蚁视科技在2012年的专利中,将光场显示中最小的显示单位定义为元光束,Magic Leap的技术方案中,微型光纤投射器向不同方向投射元光束,与自然光线一样,无数元光束也会在视网膜附近交汇成无数个点,人眼可以自主选择在不同的焦点成像,从而让使用者感觉到像的深度,获得完整的空间信息。

  这种景深让成像更真实,并能减少眩晕,有利于长时间佩戴。但是运用光场技术的AR产品存在价格昂贵、视场角小、体积较大的问题,Magic Leap的AR产品曾计划采用这一技术方案,最终未能成功,Magic Leap one也转向了光波导方案,未来光场技术还有待进步。

  AR成为万物互联时代的新窗口。智能手表的屏幕+TWS可当作手机部分功能的替代品,但智能手表的尺寸有限,屏幕太小,使用体验大打折扣。智能眼镜则很好地弥补了这一缺陷,它能够最终靠投射将虚拟屏幕映射至眼前,用户通过语音、手势或输入法做相关操作,同时镜腿离耳朵距离较近,可以直接发挥耳机的作用,实现声学和光学交互的合二为一。

  未来智能眼镜非常有可能改变人类与现实世界的交互方式,让世界通过眼镜呈现在眼前,彻底摆脱手机的束缚。龙头公司近年来一直在加大智能眼镜的研发, 抢占先机,智能眼镜有望成为下一代可穿戴设备爆点。

  苹果从2011年就开始布局AR,近年来收购多个相关公司,其发布的AR平台也已经在2020年迭代到AR Kit4,增加了工具的易用性、图像渲染的真实性。同时,苹果CEO库克频繁在公开场合发言对AR产业表示看好,认为AR市场将 达到智能手机的规模。

  在2017年6月的全球开发者大会上,苹果首次推出AR 平台ARKit,研发人员可以使用这套工具iPhone和iPad 创建AR应用程序和游戏。2018年6月5日,苹果对ARKit 进行升级,新增了AR测量工具和AR多人互动等功能,可满足多个设备同时显示同一个虚拟场景,满足多人合作游戏、工作的需求。2019年,苹果推出更进一步的ARKit3,可以通过People Occlusion功能在人物前后自然地呈现AR内容,将人物动作整合到自己的APP中。截至最新的ARKit 4,苹果AR平台的功能丰富度提升明显。

  2019年美国专利局公布苹果的数项专利,2019年2月26日成功申请的Patent # US 10217288 B2,其名为“在移动电子设备上以真实环境的视角来表示兴趣点的方法”,兴趣点(Point of interest,POI)指的是真实环境中 的一个位置或真实物体。这项技术能识别用户环境中的对象并激发潜藏的内容, 从而满足多种的玩法需求,举例来说,当用户在未知的地方时,可以用增强现实来获取兴趣点相关的可视化信息。当搜索丢失的对象时,或者试图突出显示房间中某些其它人可能不会注意到的内容时,这个技术会很实用。同日公布的另一项名为“头戴式显示器的光学系统”的专利,号码为Patent # US 10203489 B2,该专利旨在设计一种更为紧凑、舒适的头戴式显示器。头戴式显示器由于高倍镜头的布置,戴起来可能笨重又疲惫,而苹果试图通过一种反射式光学系统来对此加以改进。

  3月7日美国专利和商标局又公布了苹果在AR领域的两项专利。一项名为 “具有调节机制的头戴式显示器”,描述了如何穿戴头显以及针对头显调节方式的优化。此外苹果同时表示头显系统能采用眼动追踪来监控透镜和显示组件与用户眼睛之间的距离,有助于检测头显与眼睛的相对运动,从而帮助软件在用户运动时产生更准确的视觉体验,而且同时告知系统头显穿戴是否足够紧密。另一项 专利则是和热量调节相关,用以提高设备舒适度。目前苹果在美国专利网上有超过2000个AR相关专利。

  苹果凭借其硬件ECO优势及软件生态的优势,进入AR时代优势显著。硬件方面,苹果的手机、电脑、耳机、手表等都是获取用户个人信息的入口,也是眼镜未来协同的生态圈,软件方面,苹果通过非开源系统,提升APP质量,增强了用户粘性的同时控制分发渠道,并形成护城河。

  此外,苹果推出了不支持逆向转换USDZ的模型格式,大多数都用在ARKit 增强现实内容的展示,并通过不断推出各种方便实用的新软件和工具吸引客户拥抱Apple AR Quick技术,形成公司在软件、技术、开发工具的壁垒。我们大家都认为苹果凭借其软硬件生产优势,将继续引领VR/AR时代。

  三星在2017年的开发者大会上,宣布他们正在通过与AR Core的合作伙伴进 一步发力AR市场。三星之前致力于发展VR头显,在2014年与VR设备领头羊Oculus共同设计Gear VR,随后与微软合作打造VR头显Odyssey,第一代产品于2017年推出。近两年三星在AR领域的动作增多,2019年公布了新的AR设计专利,并在 2020年的消费电子展(CES)上发布了一款基础的图像投影式眼镜。根 据美国专利商标局最新的专利申请显示,三星发明了附带视力矫正镜片的智能眼镜,矫正镜片可以磁性地附着在镜架上,提供了舒适的佩戴体验。此外,三星表示,新发布的 SmartTag+配备了蓝牙低能(BLE)和超宽带(UWB)技术,用户都能够在Galaxy S21+等采用UWB技术的Galaxy智能手机上利用AR技术直观观察寻找路线、Magic Leap

  Magic Leap首款AR没有到达预期,新品备受期待。2015年,Magic Leap发布的产品宣传视频凭借逼真的视觉体验震惊消费者,其当时计划采用的显示技术是数字光场技术,由于存在技术难点而最终采用了光波导技术。2018年首款产品Magic Leap One发布,但50°左右的视场角沉浸感较差,而且虚拟物体的半透明的状态,看上去不够真切,物体本身也会偶尔出现抖动和不清晰的状况。

  Magic Leap one预期目标是10万套,实际仅卖出6000套。Magic Leap One也展现了不少技术优点,例如视觉感知功能能够对物理环境进行数字化重建,令现实场景与虚拟影像的交互更加自然。另外其不仅拥有足够逼真的虚拟影像,还能够记忆虚拟影像的位置信息,下次使用时构建的虚拟影像仍会在相同位置,因此花了钱的人 Magic Leap的下一代产品仍抱有期待。Magic Leap 2预计于2021年Q4发布,预计新品的视场角问题将得到大幅改善。

  Google早在2012年就首次推出智能眼镜Google Glass,发布之初试图勾勒人 类佩戴眼镜的伟大蓝图,但由于种种原因而未能普及,总结其失败问题大多有以下五点:①存在侵犯隐私权问题;②外形不受欢迎;③售价昂贵,发布时售价高达 1500美元,性价比低;④续航时间短,一次充电只可以使用5小时;⑤安全问题亟待解决。尽管谷歌的AR产品进展不佳,但其AR开发平台的发展稳健,相关收购活动也为未来的头显产品积累了技术资本。

  微软于2015年和2019年先后发布HoloLens1&2,性能方面较Google Glass有很大提升。由于光学显示系统采用光波导,量产难度大、产品良率低导致售价昂贵,难以普及大众。其次,HoloLens产品针对B端,主要使用在于动画设计、工业维修与医疗手术。微软的AR设备在B端的发展状况良好,例如空中客车就在利用微软的 AR技术提高飞机生产效率,同时AR也能让工人实现无需实际飞机或者部件的培训。微软与美国陆军合作开发了基于HoloLens的“集成视觉增强系 统”(IVAS),该设备能够显示地图、指南针和武器瞄准点,并且支持热成像技术以实现夜视。目前微软与美国军方已正式签订合约,项目已进入生产阶段,据官方公布,该合约持续10年,价值219亿美元。

  Facebook在AR领域也早有布局,2014年收购Oculus的AR/VR业务,在VR领域弯道超车。在AR/VR的追踪定位领域,Facebook发布基于Inside-out的一体机,成为能够做好同步定位与建图(SLAM)的少数几家厂商之一。2021年3月,Facebook发布了正在研发的一款手环的模拟视频,这款手环将用以匹配其AR眼镜进行隔空控制。另外,Facebook的相机AR特效平台Spark AR在Instagram 上应用地也十分广泛。

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