一、VR 行業(yè)明顯提速，AR 產(chǎn)品蓄勢待發(fā)
1.1 VR/AR 的內(nèi)涵與區(qū)別：構(gòu)建沉浸式體驗
VR/AR 究竟是什么？很多人會對于 VR、AR 和 MR 這些概念的界定感到困惑，而不同企業(yè)和機構(gòu)的定義 又往往有所不同。簡而言之，虛擬現(xiàn)實（VR）是虛擬場景的封閉式體驗，而增強現(xiàn)實（AR）體驗會將數(shù)字元 素疊加到現(xiàn)實世界的對象和背景上?；旌犀F(xiàn)實（MR）可以說是升級版的 AR，能夠?qū)崿F(xiàn)虛實場景的結(jié)合，和 AR 的區(qū)別就是對虛擬圖像的真實感做嚴(yán)格的要求，因此是 AR 的一種類別。
VR/AR 兩者在關(guān)鍵器件、終端形態(tài)上相似性較大，在關(guān)鍵技術(shù)上也有重疊之處，而在應(yīng)用領(lǐng)域上有所差異。VR/AR 均需要用計算機繪制虛擬圖像。VR 中的圖像全部由計算機繪制，往往需要配置高性能的 GPU，同時由 于 VR 是隔絕式的音視頻沉浸體驗，因此對顯示畫質(zhì)要求較高。而 AR 中大部分圖像是通過鏡片透射或攝像頭 拍攝的，計算機繪制的圖像占比較少，而且是以信息性為主的，對圖像逼真度要求較低，因此對 GPU 要求不高。 但 AR 需要對場景進(jìn)行理解，需要用非常復(fù)雜的算法，并且實時運行，這樣 AR 對 CPU 的運算性能要求非常高。 此外，VR 側(cè)重于游戲、視頻、直播與社交等大眾市場，AR 側(cè)重于工業(yè)、軍事等垂直應(yīng)用。
1.2 VR/AR 重回關(guān)注：進(jìn)入提速增長階段
1.2.1 VR/AR 發(fā)展史回顧：經(jīng)歷了熱炒、低谷，迎來新的拐點
VR/AR 行業(yè)經(jīng)歷了熱炒、低谷，到復(fù)蘇，迎來了新的拐點。2012 年，谷歌推出了 Google Glass 的 AR 眼鏡產(chǎn) 品，其后， Oculus 被 Facebook 以 20 億美金收購，并推出 VR 頭盔。VR/AR 概念進(jìn)入市場視野，被認(rèn)為是替代 智能手機的下一代終端形態(tài)。Facebook 和微軟先后進(jìn)入 VR/AR 市場，包括 Sony、三星、HTC 等多家大廠開始推 出相關(guān)的硬件產(chǎn)品，2015-2016 年 VR/AR 市場熱度達(dá)到高點。但到了 2016 年下半年，由于商業(yè)模式，以及網(wǎng)絡(luò)、 硬件和內(nèi)容上的瓶頸都沒有突破，資本輸血式的發(fā)展模式并不能夠持續(xù)，行業(yè)開始進(jìn)入寒冬。2018 年 VR 歷經(jīng) 熱炒、低谷，已逐步成熟，并從 Gartner 曲線中消失，AR 仍處于泡沫破滅的低谷期，有待技術(shù)的突破和發(fā)展。 2020 年疫情推動居家需求，以 Oculus 為代表的 VR 產(chǎn)品需求增長強勁，用戶基數(shù)增加以及眾多開發(fā)者的加入， 使 VR 行業(yè)明顯提速。而隨著 AR 光學(xué)技術(shù)不斷取得突破，行業(yè)也迎來了新的拐點。
1.2.2 出貨量明顯加速增長，應(yīng)用端和 B 端成為市場規(guī)模重要推力
從終端設(shè)備出貨量看，2020 年行業(yè)總體出貨量增長較為顯著，市場反響持續(xù)升溫，已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化放量增長 階段。陀螺研究院報告顯示，VR 頭顯 2020 年全球出貨量達(dá)到 670 萬臺，同比提升 72%，預(yù)計 21-22 年將持續(xù) 高速增長。疫情影響下，室內(nèi)娛樂設(shè)備需求顯著提升，同時具有 C 端統(tǒng)治潛力的 Oculus Quest 系列產(chǎn)品及 VR 娛 樂平臺上線，提供了完整優(yōu)質(zhì)的用戶體驗，促使 C 端 VR 頭顯出貨量顯著提升。
預(yù)計未來三年行業(yè)復(fù)合增長率超過 80%，不同終端形態(tài)互通性增強。IDC 數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計 2024 年 VR/AR 終端出貨量超 7600 萬臺，其中 AR 設(shè)備達(dá)到 3500 萬臺，占比升至 55%，2020-2024 五年期間 VR/AR 終端出貨 量增速約為 86%，其中 VR、AR 增速分別為 56%、188%，預(yù)計 2023 年 AR 終端出貨量有望超越 VR。比之 2018-2020 年相對平緩的終端出貨量，隨著 Facebook Quest2、微軟 Hololens2 等標(biāo)桿 VR/AR 終端迭代發(fā)售以 及電信運營商虛擬現(xiàn)實終端的發(fā)展推廣，2021 年有望成為 VR/AR 終端規(guī)模上量、顯著增長的關(guān)鍵年份，VR/AR 終端平均售價將從當(dāng)前 2500/9700 元人民幣進(jìn)一步下降。此外，華為 VR Glass、PicoNeo 2 等一體式頭顯終端 均可通過串流功能而不再受制于移動平臺的功耗與渲染算力，跨終端形態(tài)的使用融通性顯著提高。
全球 VR/AR 市場規(guī)模接近千億，AR 與內(nèi)容應(yīng)用成為首要增長點，預(yù)計 2024 年將達(dá)到近 5000 億元。據(jù) IDC 等機構(gòu)統(tǒng)計，2020 年全球 VR/AR 市場規(guī)模約為 900 億元人民幣，其中 VR 市場 620 億元，AR 市場 280 億 元。預(yù)計 2020-2024 五年期間全球虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)規(guī)模年均增長率約為 54%，其中 VR 增速約 45%，AR 增速約 66%，2024 年兩者份額均為 2400 億元人民幣。從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)看，終端器件市場規(guī)模占比位居首位，2020 年規(guī) 模占比逾四成，隨著傳統(tǒng)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與信息消費升級等常態(tài)化，內(nèi)容應(yīng)用市場將快速發(fā)展，預(yù)計 2024 年 市場規(guī)模超過 2800 億元。
2020 年成為重要轉(zhuǎn)折點，B 端市場規(guī)模持續(xù)增長，將與 C 端相近。2020 年已成為一個重要的轉(zhuǎn)折點，2C 端形成了居家辦公及娛樂的生活習(xí)慣，消費者宅家時間延長，而 2B 端由于疫情中斷了企業(yè)的供應(yīng)鏈，工作場所 限制以及運營效率低下使企業(yè)更加關(guān)注員工培訓(xùn)和協(xié)作。在整體 VR/AR 市場上，B 端支出小于 C 端，但未來的 大部分增長是來自 B 端。IDC 預(yù)測，2024 年 B 端應(yīng)用市場包括培訓(xùn)（41 億美元），工業(yè)維護(hù)（41 億美元）和零 售展示（27 億美元），C 端應(yīng)用 VR 游戲，VR 視頻/功能觀看和 AR 游戲）的總支出為 176 億美元。
1.2.3 應(yīng)用生態(tài)完善及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確立，賦能行業(yè)加速成長
Steam 及 Quest 等 VR 平臺應(yīng)用內(nèi)容生態(tài)逐步完善。
（1）Steam 平臺是目前全球最大的綜合型數(shù)字發(fā)行平臺 之一，其開放生態(tài)和寬松的游戲發(fā)行機制在全球擁有大量的用戶。Steam VR 支持自選 VR 硬件體驗平臺上的 VR 內(nèi)容，促進(jìn)了平臺應(yīng)用的開發(fā)，目前 Steam 平臺已有超過 4000 個 VR 商品，2020 年 Steam 平臺新增 VR 用戶 170 萬，相關(guān)收入同比增長 71%。
（2）Quest 作為封閉生態(tài)的代表，上線游戲超過 200 個，質(zhì)量較高，用戶付費意愿 強。2020 年 9 月 Quest 平臺內(nèi)容累計收入已達(dá) 1.5 億美元，隨著 Quest 2 銷量上漲，平臺收入將進(jìn)一步提升，預(yù) 計 2021 年底達(dá) 5 億美元。
OpenXR 通用標(biāo)準(zhǔn)降低內(nèi)容移植難度，吸引更多開發(fā)者入場。OpenXR 是來自 Khronos 的免費 API 標(biāo)準(zhǔn)，為 引擎提供跨 VR/AR 內(nèi)的一系列設(shè)備的本機訪問權(quán)限，OpenXR 標(biāo)準(zhǔn)使應(yīng)用只需編寫一次，就可以在所有硬件和軟 件平臺上進(jìn)行運行，大幅減少開發(fā)者的軟件應(yīng)用開發(fā)成本，極大的推動 XR 行業(yè)的發(fā)展。微軟和 Oculus 已開始 推廣并開放了自己平臺的 OpenXR 接口，Steam VR 21 年 2 月 25 日更新版本正式支持 OpenXR。該標(biāo)準(zhǔn)目前已有 超過 40 家硬件廠商和游戲平臺加入，將會進(jìn)一步擴(kuò)大 XR 市場前景和商業(yè)空間。
VR 頭顯出貨量提升和 VR 應(yīng)用開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)及生態(tài)確立共同構(gòu)造行業(yè)增速良性循環(huán)。2020 年全球 VR 頭顯出貨 超過 600 萬臺，預(yù)計 2021 年全球 VR 頭顯將達(dá)到 980 萬臺的出貨量規(guī)模。Oculus Quest 2 于 2020Q4 約達(dá)到 200-300 萬的銷量，我們預(yù)計 2021 年全年銷量超過 700 萬。2020 年全球 VR 用戶已經(jīng)超過千萬，用戶群體壯大為 VR 內(nèi) 容提供了市場前景和商業(yè)空間，形成了“VR 頭顯銷量增長-用戶增長-內(nèi)容需求爆發(fā)-內(nèi)容收入提高-優(yōu)秀開發(fā)者持 續(xù)入場-內(nèi)容質(zhì)量提高-VR 頭顯銷量繼續(xù)增長”這一良性循環(huán)狀態(tài)。
1.3 VR/AR 投融資趨勢：市場情緒上升，投融資規(guī)模穩(wěn)步提升
2020 年 VR/AR 投融資規(guī)模繼續(xù)上升，海外投資規(guī)模提升顯著。由于 VR/AR 行業(yè)多數(shù)企業(yè)尚處于中早期創(chuàng) 業(yè)階段，極大依賴外部融資和并購進(jìn)行研發(fā)活動，投融資仍是行業(yè)景氣度重要的衡量指標(biāo)。從規(guī)模上看，2020 年 VR/AR 投融資規(guī)模達(dá)到 244 億元，投融資并購發(fā)生 219 起，實現(xiàn)連續(xù)三年上漲。其中海外投資規(guī)模提升顯著， 較 2019 年提升 36.8%，國外產(chǎn)業(yè)較國內(nèi)領(lǐng)先 2-3 年，產(chǎn)業(yè)和資本對行業(yè)的研究和理解更加深入，投融資活動更 活躍，預(yù)計未來國內(nèi)企業(yè)的估值和融資會更上一層樓。
從環(huán)節(jié)上看，硬件和應(yīng)用仍是重點環(huán)節(jié)。行業(yè)仍在上游硬件上發(fā)力，競爭格局尚未定型，硬件尚待繼續(xù)成 熟，也是資本主要布局的方向。應(yīng)用方面更多在 B 端尋找機會，尤其是 AR 尚未破圈到 C 端。內(nèi)容方面隨著 VR 銷量和用戶開始放量，游戲生態(tài)進(jìn)入良性循環(huán)，未來將吸引更多資本入局。
2020 年和 2019 年的融資并購案例中，AR 眼鏡領(lǐng)域的并購金額居于首位。AR 眼鏡領(lǐng)域發(fā)生了幾筆大的并 購事件，包括 Magic Leap，North，Nreal 等。解決方案、工具軟件、游戲、教育培訓(xùn)等領(lǐng)域也有較高的投融資 活躍度。此外，VR/AR 半導(dǎo)體芯片廠商也開始有了較高的關(guān)注度，其中最大一筆融資為 3D 成像半導(dǎo)體公司 Inuitive 獲得 1.06 億美元投資。
1.4 大廠布局：海外巨頭 VR/AR 持續(xù)布局，國內(nèi)廠商處于探索階段
國內(nèi)外龍頭廠商持續(xù)布局 VR/AR 行業(yè)，近年來均加大研發(fā)和并購活動，在技術(shù)方向和品類上各有側(cè)重。其 中 Facebook 以 Oculus 系列產(chǎn)品為切入持續(xù)建設(shè) VR 產(chǎn)品及生態(tài)，微軟以 Hololens 為切入打磨 B 端 MR 產(chǎn)品及生 態(tài)，蘋果已申請大量專利并即將發(fā)布新品，谷歌持續(xù)完善消費級 AR 產(chǎn)品與生態(tài)，華為側(cè)重底層技術(shù)布局并陸續(xù) 推出產(chǎn)品。
Facebook 持續(xù)豐富 Oculus 生態(tài)。Facebook 近年收購機器視覺公司 Scape、VR 游戲開發(fā)商 Sanzaru、AR 地圖 數(shù)據(jù)公司 Mapillary、VR 變焦頭顯技術(shù)廠商 Lemnis 等；開發(fā)全新的 VR/AR 操作系統(tǒng)，擺脫對谷歌安卓的依賴； 推出 Quest 2，預(yù)計 21 年銷量超 700 萬臺，與雷朋合作生產(chǎn) AR 眼鏡，預(yù)計 2021 年上市。
蘋果在 AR 產(chǎn)業(yè)鏈持續(xù)布局，即將發(fā)布產(chǎn)品。AR 設(shè)備的透鏡已在富士康工廠試產(chǎn)，預(yù)計于 2022 下半年發(fā)布 頭顯產(chǎn)品，2023 年發(fā)布眼鏡產(chǎn)品。蘋果收購 Next VR 布局內(nèi)容領(lǐng)域，發(fā)布 ARKit4，以及 LiDAR Depth API 申請可調(diào)節(jié)透鏡 AR 波導(dǎo)顯示系統(tǒng)等幾十項 VR、AR 專利。
微軟繼續(xù)打磨 HoloLens。微軟推出 HoloLens 2 工業(yè)版，2021 年春季開放預(yù)購，HoloLens 2 將支持 5G 技術(shù)， 未來打造 AR 生態(tài)系統(tǒng)軟 MR 開發(fā)工具正式發(fā)布，新功能包括 Ultraleap 手部追蹤，MRTK Toolbox，手部菜單優(yōu)化 等。
谷歌持續(xù)完善消費級 AR 產(chǎn)品與生態(tài)。谷歌 AR 眼鏡 Glass 2 開放購買，售價 999 美元。正式推出 ARCore Depth API。1.8 億美元收購加拿大 AR 眼鏡公司 North。谷歌搜索加入 AR 功能，支持 3D 動物的 MR 視頻錄制。
華為側(cè)重底層布局，多方位出擊。華為海思發(fā)布 XR 芯片，支持 8K 解碼，內(nèi)置高性能 GPU。華為 AR 眼鏡 專利曝光，華為 AR 地圖正式上架華為應(yīng)用市場，基于河圖技術(shù)構(gòu)建，河圖 2.0 AR 地圖正式發(fā)布；發(fā)布 AR/VR Engine 3.0,推出全新的 AR 內(nèi)容開發(fā)工具 Reality Studio。
阿里達(dá)摩院成立 XG 實驗室，為 VR/AR 場景研究視頻編解碼技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。阿里影創(chuàng) VR 研究院成立。 騰訊聚焦內(nèi)容和云生態(tài)。
騰訊游戲與華為成立聯(lián)合創(chuàng)新實驗室探索 VR/AR 等前沿技術(shù)。與英偉達(dá)合作在 Tencent Marketplace 上全面提供 Cloud XR。
HTC持續(xù)優(yōu)化 Vive 生態(tài)：發(fā)布兩款全新 VR 概念機（一體式 VR 和短焦 VR），同時停產(chǎn) Vive Pro 和 Focus，繼 續(xù)生產(chǎn) Pro Eye 和 Focus Plus。投資 VR 內(nèi)容企業(yè) Immersive VR Education，以及另外 7 價 VR/AR 內(nèi)容和應(yīng)用領(lǐng)域 企業(yè)。
二、VR：產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)均已漸趨成熟，硬件產(chǎn)品體驗大幅提升
2.1 VR 近期上市產(chǎn)品分析：一體機和輕量化為主流
2020 年 VR 上市產(chǎn)品以一體機和輕量化為主流。2020 年 Facebook 發(fā)布新一代 VR 一體機，Oculus Quest 2， 同時 HTC、華為、夏普、愛奇藝、電信均發(fā)布了 VR 產(chǎn)品，全年 13 歀 VR 頭顯中 7 款為一體機，且一體機重量輕 便于攜帶，符合消費電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。
從 VR 頭顯硬件配置上看，高通 XR 芯片、Fast-LCD 屏幕，菲涅爾透鏡成為主要硬件方案，6DOF 及 Inside-Out 成為主要顯示交互方案。處理器上，高通 XR 已成為當(dāng)前 VR 主力芯片。顯示上，4K、70Hz 的 Fast-LCD 屏為消 費級 VR 主流屏幕，能有效降低紗窗效應(yīng)和眩暈感。光學(xué)上，普遍采用菲涅爾透鏡方案，短焦方案由于其產(chǎn)品體 積小厚度薄，越來越多的廠家開始跟進(jìn)。追蹤顯示上，VR 頭顯逐步升級到 6DOF，Inside-Out 成為主流。
2.2 VR 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)鏈：處理器、存儲、光學(xué)顯示器件合計占比超 80%
VR 終端的硬件部分主要由處理器、存儲、屏幕、光學(xué)器件、聲學(xué)器件、殼料、輔料構(gòu)成。Oculus Quest 2 采用高通驍龍 XR2 芯片組、閃迪內(nèi)存、JDI 和夏普的 LCD 顯示屏、兩片菲涅爾透鏡、國產(chǎn)鋰電池組、4 個外部攝 像頭實現(xiàn) 6DOF 頭部交互，實現(xiàn)了更輕的質(zhì)量、更緊湊的結(jié)構(gòu)、更準(zhǔn)確的交互和更高的圖像性能。
處理器、存儲、光學(xué)顯示器件在 VR 終端成本中占比較高，產(chǎn)業(yè)鏈相對比較成熟。由于目前 VR 產(chǎn)品的使用 場景主要是游戲和視頻，以圖像處理和顯示為功能重點，因此在硬件成本中，負(fù)責(zé)計算、渲染和圖像處理的 CPU 和 GPU 占比較高，占比 16%左右；另外 VR 也需要較高的內(nèi)存，存儲成本占比 27%；包括屏幕和光學(xué)器件在內(nèi) 的顯示器件占比約為 40%。
目前 VR 硬件的產(chǎn)業(yè)鏈相對比較成熟，與智能手機重合度較高，許多領(lǐng)域的技術(shù)積累可以復(fù)用。VR 產(chǎn)業(yè)鏈 包括傳統(tǒng)的顯示屏產(chǎn)商 JDI、夏普、京東方、華星光電、深天馬等，以及傳統(tǒng)光學(xué)廠商舜宇光學(xué)科技、聯(lián)創(chuàng)電子 等，聲學(xué)廠商歌爾股份、瑞聲科技等，精密結(jié)構(gòu)件廠商立訊精密、領(lǐng)益智造、長盈精密等，代工廠歌爾股份等。
2.3 計算芯片：高通為 VR/AR 開發(fā)專用芯片，驍龍 XR2 占市場主流
高通為 VR/AR 開發(fā)獨立專用的芯片平臺，提供強大硬件性能支持。高通驍龍推出 5G+XR 芯片 XR2，全面 布局 VR/AR 市場，驍龍 XR2 是基于驍龍 865 針對 VR/AR 設(shè)備進(jìn)行改造的專用平臺，結(jié)合了高通 5G、AI 和 XR 領(lǐng)域的最新技術(shù)，相對 XR1 其性能得到顯著提升，XR2 在 Quest 2 上首發(fā)。目前高通芯片 835、845、驍龍 XR1、XR2 等芯片在 VR/AR 硬件市場上具有統(tǒng)治地位。
國產(chǎn) VR/AR 芯片起步較晚，仍需時間積累。國產(chǎn)芯片起步較晚，目前全志科技、瑞芯微、晶晨等廠商都 提供了虛擬現(xiàn)實解決方案，但性能尚有差距。其中 16 年推出的瑞芯微 RK3399 定位高端 VR 芯片，采用了雙Cortex-A72 大核+四 Cortex-A53 小核和高端圖像處理器，面向高端 VR 設(shè)備市場。17 年推出的全志 VR9 采用四 核 Cortex-A53，支持 4K@60fps 解碼，視頻播放能力與高通驍龍 XR1 持平，主要用于中低端視頻播放 VR 設(shè)備。 20 年 5 月海思正式發(fā)布 XR 芯片平臺，可支持 8K 解碼能力，集成 GPU、NPU，Rokid Vision 將成為海思 XR 芯 片平臺的首款 AR 產(chǎn)品。國內(nèi) XR 芯片主要集中在中低端并在市場上具有一定的競爭力，但高端 XR 芯片開發(fā)能 力仍需要積累。
2.4 顯示：Fast-LCD 目前成為主流
VR 對像素密度要求極高，要求 1000ppi 以上的顯示器件。VR 的原理是將手機大小的屏幕分屏，然后用放 大鏡將屏幕畫面矯正后投射到人眼中,讓人形成雙目立體視覺。由于 VR 特殊的分屏播放形式，在顯示的時候單 個畫面只會用到屏幕一半的像素點，再加上光學(xué)鏡片和屏幕材質(zhì)等因素的影響，復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)位于用戶眼睛 和顯示面板之間，它們會嚴(yán)重降低圖像質(zhì)量，VR 感知分辨率就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于面板的分辨率。目前 8K 的 VR 可以相 當(dāng)于屏幕 480P 的視覺效果，12K 的 VR 相當(dāng)于平面 720P 的視覺效果。同時，由于便捷性和舒適性的要求，VR 的顯示器件面積較小，要讓這寬廣的世界在方寸之小的屏幕上顯示，對于 ppi（像素密度）的要求極高。目前普 通手機屏幕在 300ppi 左右，而 VR 則要求 1000ppi 以上的顯示器件。
Fast-LCD 屏幕量產(chǎn)穩(wěn)定、性價比高，目前已成為消費級 VR 頭顯的主流屏幕。VR 頭顯與普通顯示器的區(qū)別 在于頭部的移動造成的圖像扭曲和運動模糊，為解決這一現(xiàn)象，需要全局刷新驅(qū)動技術(shù)，減少光源發(fā)光時間。 傳統(tǒng) LCD 顯示屏的響應(yīng)時間是其最大的問題，F(xiàn)ast-LCD 技術(shù)使用新的液晶材料（鐵電液晶材料）和超速驅(qū)動技 術(shù)（overdrive）來有效提升刷新率，同時也具有較高的量產(chǎn)穩(wěn)定性和良率，性價比較高，Oculus Quest 2 即采用 一塊改良后的 Fast-LCD 替換了上代產(chǎn)品中的兩塊 AMOLED。
2.5 光學(xué)：菲涅爾透鏡得到成熟應(yīng)用，未來向超短焦方案發(fā)展
菲涅爾透鏡在 VR 頭顯上得到廣泛成熟運用。菲涅爾透鏡采用聚乙烯塑料注塑成型工藝，表面加工成一圈 圈向外由小到大，由淺到深的同心圓，剖面看似鋸齒狀。該設(shè)計允許構(gòu)造大光圈和短焦距的透鏡的同時具有較 輕的重量和較薄的厚度。但菲涅爾透鏡會使顯示器件的清晰度受損和曲率出現(xiàn)偏差。菲涅爾透鏡使 VR 頭顯設(shè) 備能在短距離中實現(xiàn)有效圖像顯示效果，是目前主流 VR 頭顯中透鏡光學(xué)部件。
超短焦光學(xué)為頭顯繼續(xù)“瘦身”，成為 VR 光學(xué)技術(shù)的未來發(fā)展方向。目前反射偏振的折疊光路（Pancake） 為最易量產(chǎn)的超短焦方案。Pancake 可以細(xì)分為兩片式和多片式兩種方案，目前市面上多為兩片式，其生產(chǎn)工藝 要求簡單，成本可控，是目前大多數(shù) VR 眼鏡所采用的短焦光學(xué)方案，而相對的多片方案中光學(xué)鏡片較多，組 裝及鍍膜難度較大?；?Pancake 技術(shù)方案的 VR 眼鏡，圖像源發(fā)射光線進(jìn)入半反半透的鏡片之后，光線在鏡 片、相位延遲片以及反射式偏振片之間多次折返，最終從反射式偏振片射出。此種光學(xué)方案能極大地縮小了產(chǎn) 品體積，但 Pancake 的光學(xué)質(zhì)量會因制造工藝問題出現(xiàn)雜散光、對焦差和臟污的情況。
2.6 定位與交互：Inside-out 和 6DOF 逐漸成為主流
追蹤定位：Inside-out 取代 Outside-in 成為 VR 主流架構(gòu)
Inside-out 逐步取代 Outside-in 成為主流技術(shù)。定位追蹤技術(shù)在實現(xiàn)上主要分為兩類,即“Outside-in”和 “Inside-out”。2017 年，由外向內(nèi)（Outside-in）追蹤定位技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品化，并開始大量用于體驗館、線下門店 等商業(yè)場景。Outside-in 需要在房間里布置傳感器的擺放或者懸掛位置，如果你想把 VR 體驗場地?fù)Q到另外一 個房間，傳感器的擺放就又得重新布置。2018 年，F(xiàn)acebook、HTC 發(fā)布基于 Inside-out 的一體機，由內(nèi)向外 （Inside-out）追蹤定位技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的無繩化，也逐漸取代 Outside-in, 明確成為 VR 主流追蹤定位技術(shù)架 構(gòu)。在 AR 領(lǐng)域，目前主要的技術(shù)路線是單目視覺+IMU 融合 SLAM 定位，實現(xiàn)厘米級準(zhǔn)確度和毫米級精密度 定位輸出。
手勢交互：目前以基于手柄的“6+6”交互為主流，未來將以裸手交互為趨勢
6DOF 逐漸取代 3DOF，頭顯和手柄“6+6”成為發(fā)展趨勢。定位技術(shù)的原理簡單概括，就是“信號源+傳 感器”，使用相應(yīng)的算法計算出物體的位置信息（包括三軸及旋轉(zhuǎn)共六個自由度，6DOF）。算法及算力的成熟帶 來 VR 設(shè)備從初期的 3DOF 向 6DOF 發(fā)展。目前手柄控制依然是主流，融合 Inside-out 6DOF 頭動和 6DOF 手 柄交互的所謂“6+6”交互路線成為發(fā)展趨勢，代表廠商有 Oculus Quest、Pico 及 Nolo、Ximmerse 等。各廠 商的 VR 手柄設(shè)計有較大不同，通常都會配置搖桿，小型觸摸板，A、B 操作按鈕，以及握柄部分的電容感測， 可識別壓力、觸感、以及光學(xué)數(shù)據(jù)。
裸手交互是未來的主流研究方向。裸手交互（原生手勢識別）方案需要識別出手部骨架的 21 或 26 個關(guān)鍵 點，并將每個點用 3 個自由度衡量，輸出 21/26*3 維的矢量，并由專業(yè)算法來識別手部的姿態(tài)和位置。裸手交 互的硬件方案包括 RGB 攝像頭、3D 攝像頭（TOF、結(jié)構(gòu)光、雙目視覺）和數(shù)據(jù)手套等，業(yè)界標(biāo)桿是以 Leap Motion 和 uSens 為代表的雙目紅外相機方案，支持雙手交互、單手 26DOF 跟蹤，廣泛用于一體式、主機式虛擬現(xiàn)實 終端，而在手機式產(chǎn)品方面，華為 AR Engine 利用結(jié)構(gòu)光器件實現(xiàn)了單手 26DOF 交互方案。裸手交互的算法 方案大體可以分為模型驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動兩種方式，模型驅(qū)動類的算法不需要訓(xùn)練數(shù)據(jù)，但需要高度精確的初始 化設(shè)計，通常只能用于手勢追蹤領(lǐng)域，數(shù)據(jù)驅(qū)動類算法依靠大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)，目前已經(jīng)成為主流的研究方向。
手勢識別的落地場景目前以游戲為主，未來將向肢體交互等方向拓展。目前，手勢識別技術(shù)的落地場景還 比較有限，主要在 VR 游戲場景中，另一方面，手勢識別技術(shù)存在使用疲勞、識別率不高、精確性較差和時延 等方面的固有問題，因此還處于比較早期的發(fā)展階段。但可以預(yù)見的是，手勢交互是未來人機交互必不可少的 一部分。隨著深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，交互范圍也逐漸從手部拓展到肢體，以 Wrnch、Facebook、華為 AR Engine、 百度、曠視、商湯等國內(nèi)外廠商先后推出可實時運行的人體骨骼點跟蹤技術(shù)，廣泛用于各類 VR/ AR 應(yīng)用。
三、AR：光學(xué)系統(tǒng)是核心器件，產(chǎn)業(yè)鏈多種方案百花齊放
3.1 近期 AR 上市產(chǎn)品分析
2020 年上市的 VR 產(chǎn)品尚未形成統(tǒng)一的形態(tài)和主流的技術(shù)路線。從產(chǎn)品形態(tài)上，一體式、分體式共存，尚 未形成統(tǒng)一的技術(shù)路線。輕薄化、類普通眼鏡是發(fā)展的必然選擇。目前仍受限于底層核心技術(shù)，特別是光學(xué)、 顯示技術(shù)和電池續(xù)航等的技術(shù)突破。
從處理器上看，高通芯片一家獨大。從顯示上看，多種顯示屏幕并存，Micro-LED 是未來。從光學(xué)系統(tǒng)來 看，光波導(dǎo)+Micro-LED 是未來發(fā)展的趨勢，光學(xué)顯示鏡片的量產(chǎn)與成本問題有待解決。從感知交互來看，SLAM 開始普及，手勢識別逐步具備。
3.2 AR 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)鏈：光學(xué)組件成本占比接近一半
AR 終端的硬件部分主要由處理器、光學(xué)組件、攝像頭和傳感器、存儲器幾部分構(gòu)成。Magic Leap One 主 要部件包含 6 個 LCOS 屏幕和一塊 6 層的幾何光波導(dǎo)鏡片，一塊可以續(xù)航三小時的電池，使用了英偉達(dá) Parker SOC。HoloLens 主要部件包括深度感應(yīng)攝像頭、4 個環(huán)境感應(yīng)攝像頭、全息處理單元 HPU、Intel Atom x5-Z8100 CPU、一塊 16.5Wh 的電池、3 層衍射光柵+LCOS 的光學(xué)顯示方案。
近眼顯示技術(shù)是目前主要難點，因此光學(xué)顯示在 AR 終端成本中占比較高。近眼顯示（Near-eye display， 簡稱 NED）目前是 AR 硬件最重要的問題，不同于半導(dǎo)體遵循摩爾定律，往往具有可預(yù)見的迭代周期，光學(xué)設(shè) 計則需要在最基本的物理定律的框架下，不斷探索、論證各種的可能性，技術(shù)門檻較高，生產(chǎn)良率低。因此目 前的 AR 終端中，光學(xué)顯示的占比最高，參考 Hololens 的成本結(jié)構(gòu)，光學(xué)顯示部分約占 40%左右。其次是處理 器（~30%），存儲（~15%）， 攝像頭（~10%），電池（2%）。
3.3 光學(xué)顯示系統(tǒng)：百花齊放，Micro-LED+光波導(dǎo)未來可期
AR 設(shè)備的光學(xué)顯示系統(tǒng)通常由微型顯示屏和光學(xué)元件組成。光學(xué)組合器的不同，是區(qū)分 AR 顯示系統(tǒng)的 關(guān)鍵部分，市場上各種方案百花齊放，目前較多的搭配方案包括 LCOS+光波導(dǎo)、DLP+光波導(dǎo)、硅基 OLED+自 由曲面等。
3.3.1 顯示：多種顯示方案共存，Micro-LED 逐漸成熟并有望成為主流技術(shù)
目前 AR 設(shè)備中多種顯示屏幕共存。目前發(fā)布的 AR 產(chǎn)品使用較多的是 LCOS、硅基 OLED、DLP 三種屏 幕，由于亮度上的差異，硅基 OLED 一般與 BB、自由曲面搭配、LCOS、DLP 基于亮度上的優(yōu)勢與光波導(dǎo)搭配。 Micro-LED 由于具有高亮度、低延時、低功耗等優(yōu)點將成為 AR 眼鏡微顯示器件的最優(yōu)選擇。
（1）硅基液晶（LCOS）作為 AR 終端常用的顯示技術(shù)得到了一定發(fā)展與認(rèn)可，但其較高功耗與較低對 比度限制了該技術(shù)的發(fā)展。
硅基液晶（LCOS）是一種新型的反射式微液晶投影技術(shù)，它采用涂有液晶硅的 CMOS 集成電路芯片作為 反射式 LCD 的基片。傳統(tǒng)的 LCD 是做在玻璃基板上，LCOS 則是做在硅晶圓上。前者通常用穿透式投射的方 式，光利用效率只有 3%左右，解析度不易提高；LCOS 則采用反射式投射，光利用效率可達(dá) 40%以上，而且可 隨半導(dǎo)體制程快速的微細(xì)化，逐步提高解析度。LCOS 的優(yōu)勢在于性價比較高，缺點在于對比度不足以及功耗 較高。
（2）硅基 OLED（OLEDoS）可顯著改善 LCOS 在對比度、功耗與響應(yīng)時間等方面的性能表現(xiàn)，成為新 近發(fā)布 AR 終端的技術(shù)選擇。未來需要進(jìn)一步降低成本并完善生態(tài)體系。
硅基 OLED 顯示采用單晶硅晶圓作為有源驅(qū)動背板，所以更容易實現(xiàn)高 PPI（像素密度）、高度集成、體積 小、易于攜帶、抗震性能好、超低功耗等優(yōu)異特性。自 2020 年開始，國內(nèi)顯示廠商在硅基 OLED 領(lǐng)域投資動作 頻繁，2020 年產(chǎn)線投資規(guī)模超過 200 億元，包括安徽熙泰、京東方、維信諾、紫旸升光電科技等公司均有投資 興建硅基 OLED 產(chǎn)線。
未來硅基 OLED 需要解決的問題包括：一是降低成本，硅基 OLED 是集成電路和新型顯示兩種技術(shù)的結(jié)合， 其中集成電路制程占據(jù)了器件成本的 70%到 80%，隨著硅基 OLED 器件市場需求的不斷增長，現(xiàn)有的生產(chǎn)方式 還有待探索和磨合；二是優(yōu)化系統(tǒng)和提升整機設(shè)計水平，包括光學(xué)設(shè)計和制造、人體工程、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程 序等多方面的配合。
（3）Micro-LED 成為繼 LCD 和 OLED 后業(yè)界期待的下一代顯示技術(shù)，技術(shù)逐漸成熟，市場前景廣闊， 諸多行業(yè)巨頭加速戰(zhàn)略布局。
Micro-LED 原理是將 LED 陣列微小化、可拼接化使其性能得到良好提升，具備低功耗、高亮度、高對比、反應(yīng)速度快、厚度薄與高可靠等優(yōu)勢。Micro-LED 微顯示屏幕當(dāng)前量產(chǎn)的難點在于巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)，目前制造成 本過高，產(chǎn)業(yè)化仍需要時間。梳理晶元光電、友達(dá)光電、錼創(chuàng)科技、三星等重點企業(yè)的發(fā)展進(jìn)度可知，預(yù)計其 規(guī)模量產(chǎn)時間在 2022 年左右。
蘋果（LuxVue）、臉書（InfiniLED）、谷歌（Glo、Mojo Vision）、英特爾（Aledia）等紛紛投資或收購 Micro-LED 領(lǐng)域初創(chuàng)公司，布局 Micro-LED 顯示技術(shù)。2020 年國內(nèi) Micro-LED 廠商 JBD 與 AR 眼鏡廠商 Vuzix 達(dá)成供貨， Facebook 已宣布與英國 Micro-LED 廠商 Plessey 合作推出了 Micro-LED AR 眼鏡。
3.3.2 光機：多種光學(xué)方案并存，光波導(dǎo)技術(shù)發(fā)展趨勢明確
AR 的光機設(shè)計是當(dāng)前的難點之一。一方面，不同于 VR，AR 是需要透視的，成像系統(tǒng)不能擋在視線前方， 因此多了一個或一組光學(xué)組合器，通過“層疊”的形式，將虛擬信息和真實場景融為一體。另一方面，不同于 半導(dǎo)體遵循摩爾定律，往往具有可預(yù)見的迭代周期，光學(xué)設(shè)計則需要在最基本的物理定律的框架下，不斷探索、 論證各種的可能性，技術(shù)門檻較高，進(jìn)展相對緩慢，但目前在一些技術(shù)上已經(jīng)取得了較為明確的突破。
在各種光學(xué)參數(shù)存在沖突的情況下做出取舍，是目前 AR 光機的重要挑戰(zhàn)。由于現(xiàn)有技術(shù)方案在分辨率（清 晰程度）、視場角（視野范圍）、重量體積（美觀舒適）等方面存在潛在沖突，如何做到視覺質(zhì)量、眼動框范圍、 體積重量、視場角、光學(xué)效率與量產(chǎn)成本間的權(quán)衡取舍、優(yōu)化組合成為驅(qū)動技術(shù)創(chuàng)新的主要動因。
（1）折反式（Birdbath）得益于設(shè)計與量產(chǎn)成本的優(yōu)勢，觸發(fā)了消費級 AR 終端的規(guī)模上量。
Birdbath 的工作原理是把來自顯示源的光線投射至 45 度角的分光鏡。分光鏡具有反射和透射值（R / T）， 允許光線以 R 的百分比進(jìn)行部分反射，而其余部分則以 T 值傳輸。同時具有 R/T 允許用戶同時看到現(xiàn)實世界的 物理對象，以及由顯示器生成的數(shù)字影像。從分光鏡反射回來的光線彈到合成器上。這是一個凹面鏡，可以把 光線重新導(dǎo)向眼睛。 基于這一傳統(tǒng)技術(shù)路徑的光學(xué)模組體積較大厚度減薄困難，眼動框范圍受限，其光學(xué)系統(tǒng)須搭配算法緩解 畸變，且光效難以高于 15%，效果和成本較大程度受限于微顯示器的發(fā)展，高亮的 OLEDoS 成為最優(yōu)搭配， 目前我國已有廠商采用該技術(shù)大量出貨。搭載 Birdbath 光學(xué)方案的 AR 頭顯包括：聯(lián)想 Mirage AR 頭顯、ODG R8 和 R9、OPPO AR Glass 2021 等。
（2）自由曲面在早期得到業(yè)界認(rèn)可，其顯示效果、光效表現(xiàn)較好，但會產(chǎn)生畸變等問題。
自由曲面采用相對簡單的光學(xué)設(shè)計，它搭載了低成本的 LCD 顯示源，以及帶反射/透射（R/T）值的曲面反 射鏡。顯示器發(fā)出的光線直接射至凹面鏡/合成器，并且反射回眼內(nèi)。顯示源的理想位置居中，并與鏡面平行。 從技術(shù)上講，理想位置是令顯示源覆蓋用戶的眼睛，所以大多數(shù)設(shè)計都將顯示器移至“軸外”，設(shè)置在額頭上方。 凹面鏡上的離軸顯示器存在畸變，需要在軟件/顯示器端進(jìn)行修正。
但自由曲面量產(chǎn)加工難以保持較高精度，局部精度下降可導(dǎo)致圖像局部扭曲和分辨率降低，存在產(chǎn)品一致 性難題。此外，通過厚棱鏡觀察真實世界會出現(xiàn)一定程度扭曲和水波紋樣畸變，這些因素影響了自由曲面的發(fā) 展?jié)摿?。搭載自由曲面光學(xué)方案的 AR 頭顯包括：Mira Prism，Meta 2，Leap Motion，Dream World。
（3）光波導(dǎo)在 AR 領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展前景明確，有助于推動消費級 AR 產(chǎn)品顯著升級，高性能光波導(dǎo)的發(fā) 展尚需時間。
（a）幾何（陣列）光波導(dǎo)：鏡面陣列設(shè)計，實現(xiàn)一維擴(kuò)瞳，制造工藝復(fù)雜
幾何光波導(dǎo)中，耦合光進(jìn)入波導(dǎo)首先遇到一個棱鏡或反射面，在多輪全反射后到達(dá)眼睛前方，耦合光出波 導(dǎo)的結(jié)構(gòu)是一個“半透半反”鏡面陣列。每一個鏡面會將部分光線反射出波導(dǎo)進(jìn)入人眼，剩下的光線透射過去 繼續(xù)在波導(dǎo)中前進(jìn)。鏡面陣列相當(dāng)于將出瞳沿水平方向復(fù)制了多份，這樣眼睛在橫向移動時都能看到圖像，這就是一維擴(kuò)瞳技術(shù)(1D EPE)。
目前幾何光波導(dǎo)代表光學(xué)公司是以色列的 Lumus，國內(nèi)的瓏璟光電。如果生產(chǎn)過程符合設(shè)計，幾何波導(dǎo)的 成像質(zhì)量比較好，但光效率比傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)偏低，相當(dāng)于出光面積變大，每一個出瞳位置看到的光就變少了。 但問題在于，幾何波導(dǎo)的工藝難度非常大，主要在于復(fù)雜的鍍膜工藝，由于光在傳播過程中會越來越少，要保 證動眼框范圍出光均勻，陣列中這五六個鏡面的每一個都需要不同的反射透射比(R/T)，又由于光通常是偏振的， 每個鏡面的鍍膜層數(shù)可能達(dá)到十幾甚至幾十層；另一方面是膠合難度大，鏡面之間的平行度和切割的角度都會 影響到成像質(zhì)量，極易出現(xiàn)瑕疵，導(dǎo)致黑條紋，出光不均勻，鬼影等現(xiàn)象。因此幾何波導(dǎo)的良率較低，可量產(chǎn)性較低。此外，基于陣列光波導(dǎo)的二維擴(kuò)瞳方案對加工工藝的挑戰(zhàn)極大，短期難以商用。
（b）衍射光波導(dǎo)：通過光柵調(diào)整，可以實現(xiàn)二維擴(kuò)瞳
衍射光波導(dǎo)主要有利用光刻技術(shù)制造的表面浮雕光柵波導(dǎo)（Surface Relief Grating，SRG）和基于全息干涉 技術(shù)制造的全息體光柵波導(dǎo)（Volumetric Holographic Grating，VHG）， HoloLens 2，Magic Leap One 均屬于前 者，蘋果公司收購的 Akonia 和 Digilen 則致力于后者。
衍射光波導(dǎo)依循光學(xué)元件從毫米級到微納級、從立體轉(zhuǎn)向平面的技術(shù)趨勢，采用平面的衍射光柵取代傳統(tǒng) 的光學(xué)結(jié)構(gòu)。衍射光波導(dǎo)利用經(jīng)過兩次兩個方向的擴(kuò)瞳光柵或二維光柵以實現(xiàn)二維擴(kuò)瞳，從而給以人為中心的 光學(xué)設(shè)計與用戶體驗優(yōu)化留有更大的容差空間。
衍射光波導(dǎo)的原理簡單來講，就是通過設(shè)計衍射光柵的參數(shù)，將光衍射到想要的方向上去。衍射光柵是一 個具有周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，這個周期可以是材料表面浮雕出來的高峰和低谷 ，也可以是全息技術(shù)在材 料內(nèi)部曝光形成的“明暗干涉條紋”，但歸根結(jié)底都是在材料中引起了一個折射率 n 的周期性變化。因此， 衍射光柵通過衍射級和色散實現(xiàn)分光特性，起到了與傳統(tǒng)光學(xué)器件類似的改變光線傳播方向的作用，但是它所 有的操作又都是在平面上通過微納米結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，所以非常節(jié)省空間，自由度也比傳統(tǒng)光學(xué)器件大很多。
衍射光波導(dǎo)的可量產(chǎn)性較好，色散問題是比較大的技術(shù)挑戰(zhàn)。衍射光波導(dǎo)技術(shù)與幾何光波導(dǎo)相比主要優(yōu)勢 在于光柵在設(shè)計和生產(chǎn)上的靈活性，不論是利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體微納米制造生產(chǎn)工藝的表面浮雕光柵，還是利用全 息干涉技術(shù)制成的體光柵，都是在玻璃基底平面上加鍍一層薄膜然后加工，不需要像幾何光波導(dǎo)中的玻璃切片 和粘合工藝，可量產(chǎn)性和良率要高很多。衍射光波導(dǎo)技術(shù)的不足主要來源于衍射元件本身對于角度和顏色的高 度選擇性，光的效率偏低，另外還有色散問題。為了改善色散問題，針對 FOV 和動眼框內(nèi)的“彩虹效應(yīng)”，如 何用一層光柵作用于 RGB 三色且實現(xiàn)最大的 FOV 成為重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。
光波導(dǎo)的優(yōu)勢包括：能夠?qū)崿F(xiàn)通過一維和二維擴(kuò)瞳技術(shù)增大動眼框，從而適應(yīng)更多人群，改善機械容差， 推動消費級產(chǎn)品實現(xiàn)；波導(dǎo)鏡片像光纜一樣將圖像傳輸?shù)饺搜?，成像系統(tǒng)旁置，不阻擋視線并且改善配重分布； 波導(dǎo)形態(tài)一般是平整輕薄的玻璃片，其輪廓可以切割，外觀形態(tài)更像傳統(tǒng)眼鏡，利于設(shè)計迭代；多層波導(dǎo)片可 以堆疊在一起，每層提供一個虛像距離，提供了“真”三維圖像的可能性。
目前光波導(dǎo)技術(shù)也存在一些不足，主要包括：由于光在耦合進(jìn)出波導(dǎo)以及傳輸?shù)倪^程中都會有損失，并且 大的動眼框使得單點輸出亮度降低帶來的光學(xué)效率相對較低；對于幾何波導(dǎo)來說，繁冗的制造工藝流程導(dǎo)致總 體良率較低；對于衍射波導(dǎo)來說，衍射色散導(dǎo)致圖像有“彩虹”現(xiàn)象和光暈，非傳統(tǒng)幾何光學(xué)，設(shè)計門檻較高。
在微軟 HoloLens，谷歌，Magic Leap 、DigiLens 等廠商的推動下，光波導(dǎo)目前成為 AR眼鏡的主流技術(shù)。 光波導(dǎo)技術(shù)在 AR 領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展前景是明確的，但預(yù)計在中近期難以大規(guī)模普及。光波導(dǎo)技術(shù)中各類技術(shù)路 線間存在明顯的優(yōu)勢和短板，目前尚未確立主導(dǎo)地位技術(shù)方案。此外，由于受到基礎(chǔ)物理定律的限制，光波導(dǎo) 要實現(xiàn)重大技術(shù)突破將面臨巨大的研發(fā)困難，相關(guān)產(chǎn)品難以單獨作為完整終端產(chǎn)品，須配套技術(shù)和零部件才可 能產(chǎn)出被市場認(rèn)可的 AR 終端，而有關(guān)配套技術(shù)和零部件尚有相當(dāng)比例需要進(jìn)一步完善，因此高性能光波導(dǎo)的 發(fā)展尚需要時間。
3.4 感知交互：SLAM 開始普及，各大廠紛紛布局
SLAM（Simultaneous localization and mapping，同步定位與建圖）技術(shù)近幾年開始成熟，并被用于 VR/AR 等消費者產(chǎn)品的追蹤定位。簡單理解，SLAM 就是某種設(shè)備（機器人、VR/AR 設(shè)備）來到陌生環(huán)境中，需要精 準(zhǔn)建立時空對應(yīng)關(guān)系，并回答“我在哪里？”“這是什么地方？”“我該怎么走？”等問題，也就是定位、建圖 和路徑規(guī)劃。由此可見，SLAM 是一套要求實時性和準(zhǔn)確性的大型系統(tǒng)，涉及硬件上高速度高精度的感知和姿 態(tài)跟蹤、算法上多線程并發(fā)執(zhí)行，資源的分配、讀寫的協(xié)調(diào)、地圖數(shù)據(jù)的管理、優(yōu)化和準(zhǔn)確性等系統(tǒng)整合的眾 多問題。
SLAM 的數(shù)據(jù)來源是傳感器，傳感器的質(zhì)量對于 SLAM 的效果影響很大。因此 SLAM 對于硬件的要求很 高，包括對于 IMU 要求高精度，對于攝像頭要求全局快門，大的視角，快門速度足夠高，能夠保證圖像在高速 運動時不會產(chǎn)生模糊。不僅如此，SLAM 數(shù)據(jù)來自于多個傳感器的融合，以 Facebook 的 Oculus Insight 系統(tǒng)為 例，硬件架構(gòu)包括三種傳感器：IMU，攝像頭和紅外 LED，多個傳感器需要精密的校準(zhǔn)和調(diào)整，直接關(guān)系到算 法的準(zhǔn)確性。
精確高效的算法則是 SLAM 的核心。以開源的 ORB-SLAM 算法為例，主要分為三個線程，Tracking 用于跟蹤 Camera Pose，Local Mapping 用于構(gòu)建點云地圖，Loop Closing 用于閉環(huán)檢測，優(yōu)化點云位置。Place Recognition，即重定位，是利用 BOW（Bag of Words）模型在已經(jīng)構(gòu)建好的地圖內(nèi)定位 Camera。目前距離應(yīng)用 到終端產(chǎn)品上還存在比較大的問題，主要包括代碼 Bug 優(yōu)化，傳感器的位置跟蹤不穩(wěn)定，芯片實時處理所有數(shù) 據(jù)的算力不夠，以及內(nèi)存問題。
SLAM 是 AR 必備的核心技術(shù)，各大公司紛紛布局，未來前景可期。從 VR/AR 的應(yīng)用場景來看，由于 VR 設(shè)備主要是虛擬世界的沉浸感，SLAM 是對真實世界的描述，現(xiàn)有的 Outside-in 方案基本不需要 SLAM，Inside-out 需要 SLAM 配合解決跟蹤用戶位移的問題。而對于 AR 設(shè)備來說，為了實現(xiàn)虛擬元素和真實世界的融合，SLAM 則是必須擁有的最核心的一項技術(shù)之一，蘋果 ARKit、谷歌 ARCore 與華為 AR Engine 推出的 AR SDK 普遍 遵循單目視覺+IMU 融合定位的技術(shù)路線，也驗證了各大公司對其重視的程度，在 SLAM 相關(guān)的傳感器、算法、 軟件、硬件等方向，也出現(xiàn)了小公司在關(guān)鍵細(xì)分領(lǐng)域快速創(chuàng)新、大公司在各個關(guān)鍵方向布局并且頻繁收購的趨 勢。
在初期階段，由于產(chǎn)品和硬件高度差異化，而 SLAM 相關(guān)技術(shù)的整合和優(yōu)化又很復(fù)雜，目前有能力做好 SLAM 全套解決方案的仍是 Facebook、微軟、谷歌、蘋果等大廠。隨著 SLAM 各個領(lǐng)域的產(chǎn)品化進(jìn)程推進(jìn)，細(xì) 分市場的創(chuàng)新和應(yīng)用正在迅速推進(jìn)。由于市場上算法和軟件仍然比較碎片化，移動端硬件的計算能力還不夠， SLAM 相關(guān)技術(shù)正在從軟件和算法層面向硬件推動，可以期待在這個過程中必將會產(chǎn)生巨大的機會和眾多優(yōu)秀 的公司。
四、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)：網(wǎng)絡(luò)條件已具備，云 VR 將加速行業(yè)普及
4.1 接入網(wǎng)：5G 與千兆帶寬，“雙 G”賦能 VR/AR
在接入網(wǎng)方面，5G、Wi-Fi6、10G PON 有望在五年內(nèi)成為面向虛擬現(xiàn)實業(yè)務(wù)的主流傳輸技術(shù)。雙 G 是指 5G 和千兆帶寬，5G 主要是室外移動場景，也就是無線基站到移動終端一側(cè)，而千兆帶寬+ Wi-Fi6 為室內(nèi)固定 場景，在包括接入網(wǎng)和承載網(wǎng)解決帶寬和時延問題。Wi-Fi 是室內(nèi)固定場景，5G 則是戶外移動場景，二者共同 為 VR/AR 提供更優(yōu)的管道。Wi-Fi 技術(shù)相對成熟，可實現(xiàn) VR/AR 終端的無繩化。固定寬帶光網(wǎng)絡(luò)目前可以支 持 1Gbps-2.5Gbps 的帶寬接入，能夠滿足少量 VR 用戶承載，未來將升級到 5G-10G。未來 5G 的目標(biāo)網(wǎng)可為每 用戶提供隨時隨地平均 100Mbps 的無線接入服務(wù)，為 VR/AR 業(yè)務(wù)提供極致體驗。
4.1.1 5G：高速率、低時延的特性將大幅提高 VR/AR 體驗
5G 網(wǎng)絡(luò)高速率、低時延的特性適合承載 VR/AR 業(yè)務(wù)，并大幅提高用戶體驗。根據(jù) 5G 的性能指標(biāo)，5G 移 動網(wǎng)絡(luò)能夠達(dá)到 20Gbps 的峰值速率，是 4G 的 20 倍；能夠達(dá)到 1Gbps 的體驗速率，是 4G 的 100 倍；空口時延 1ms，是 4G 的 1/5。
ITU 定義的 5G 三大業(yè)務(wù)場景為：eMBB（增強型移動寬帶）、uRLLC（高可靠低時延通信）和 mMTC（大 規(guī)模機器通信）。eMBB 場景主要提升以“人”為中心的娛樂、社交等個人消費業(yè)務(wù)的通信體驗，主要場景包括 隨時隨地的 3D/超高清視頻直播和分享、虛擬現(xiàn)實，隨時隨地云存取、高速移動上網(wǎng)等大流量移動寬帶業(yè)務(wù)， 帶寬體驗從現(xiàn)有的 10Mbps 量級提升到 1Gbps 量級，要求承載網(wǎng)絡(luò)提供超大帶寬。mMTC 和 uRLLC 則主要面 向物物連接的應(yīng)用場景，其中 mMTC 主要滿足海量物聯(lián)的通信需求，面向以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場景； uRLLC 則基于其低時延和高可靠的特點，主要面向垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求。
從以上三種場景的實現(xiàn)難度來看，eMBB 能夠最先實現(xiàn)，推動超高清流媒體、VR/AR 率先落地。未來 5G 的目標(biāo)網(wǎng)可為用戶提供隨時隨地平均 100Mbps 的無線接入服務(wù)，為 VR/AR 業(yè)務(wù)提供極致體驗。
4.1.2 千兆帶寬+ Wi-Fi6：能夠?qū)崿F(xiàn) VR/AR 對于網(wǎng)絡(luò)的要求
隨著光纖寬帶接入技術(shù)的進(jìn)步和新興高帶寬業(yè)務(wù)的應(yīng)用，千兆寬帶已成為下一步寬帶發(fā)展的焦點。Ovum 的報告顯示，全球已有超過 234 家運營商發(fā)布千兆業(yè)務(wù)，其中 20 家發(fā)布了萬兆業(yè)務(wù)。我國目前已經(jīng)基本普及 了百兆光纖入戶，未來將逐步開展城市千兆帶寬入戶示范。固定網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了 5 個階段的發(fā)展，目前已進(jìn)入以 10G PON 光纖技術(shù)為基礎(chǔ)的千兆時代。
當(dāng)前已規(guī)模部署的 FTTH 技術(shù)包括 EPON 和 GPON，EPON 僅能提供 1Gbps 帶寬接入，不適宜虛擬現(xiàn) 實業(yè)務(wù)部署。GPON 技術(shù)可提供 2.5Gbps 帶寬接入，時延小于 2ms，能夠滿足少量 VR 用戶承載。為滿足 VR 用戶規(guī)?；l(fā)展，須將 EPON/GPON 升級到 10G EPON/GPON。10G PON 作為千兆網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)技術(shù)，與前幾 代固定接入技術(shù)相比，帶寬、用戶體驗和聯(lián)接容量三個方面均有飛躍式發(fā)展，上下行速率將高達(dá)對稱 10Gbps， 時延降低到 100μs 以下，實現(xiàn)全場景多業(yè)務(wù)覆蓋，滿足 VR 用戶的規(guī)模化發(fā)展。
下一代 Wi-Fi 技術(shù) Wi-Fi 6 在傳輸速率、功耗、空間和性能等方面同樣具有較大提升。Wi-Fi 6（即 IEEE 802.11ax），是一項無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，也是 Wi-Fi 5（IEEE 802.11ac）的升級版。Wi-Fi 6 支持更高的傳輸速率， 最高速率可達(dá) 9.6Gbps。Wi-Fi 6 允許更多的設(shè)備接入，并且能夠加快每一臺設(shè)備的速度和容量，在連接相同數(shù) 量設(shè)備的基礎(chǔ)上，速度是 Wi-Fi 5 的近四倍?；?Wi-Fi 6 支持室內(nèi)室外場景、提高頻譜效率和提升密集用戶環(huán) 境下 4 倍實際吞吐量的性能，能夠?qū)崿F(xiàn) VR/AR 對于高速率和低時延的要求，可以處理來自多個 VR 用戶不同類 型的流量。
4.2 Cloud VR：推動設(shè)備輕量化、低成本，并加速行業(yè)普及
本地 VR 受到用戶體驗與終端成本的制約，Cloud VR 能夠解決主要痛點。VR 用戶體驗與終端成本的平衡 是目前影響 VR 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題。低成本終端有助于提升 VR 硬件普及率，但有限的硬件配置也限制了用 戶體驗，用戶的首次體驗不好，后續(xù)就很難接納和持續(xù)使用 VR。另一方面，以 HTC VIVE、Oculus Rift、Sony PlayStation 等為代表的高品質(zhì) VR 設(shè)備，其配置套裝價格高達(dá)數(shù)千乃至萬元，過高的終端成本明顯制約了高品 質(zhì) VR 的普及。另一個關(guān)鍵問題是頭顯設(shè)計和佩戴舒適度，目前 VR 強交互類業(yè)務(wù)的渲染主要在本地主機和終 端進(jìn)行，對 GPU 的資源要求很高，要求 VR 需要連接到電腦上，帶來笨重的體驗；而如果不連接電腦，VR 本 身配置顯卡則會帶來體積大、頭顯重、高耗電和過熱的問題，這些問題減少了用戶使用 VR 的時間，對 VR 的 推廣帶來不利影響。另外，VR 內(nèi)容的市場相對比較分散，很多優(yōu)秀的 VR 內(nèi)容分散在各個廠家，難以有效地分 發(fā)給客戶。
Could VR 的解決方案通過將云計算、云渲染的技術(shù)應(yīng)用到 VR 業(yè)務(wù)中，借助高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，將云端的顯示 輸出和聲音輸出通過壓縮后傳輸?shù)接脩舻慕K端設(shè)備，實現(xiàn) VR 內(nèi)容上云、渲染上云，實現(xiàn) VR頭顯的無繩化和輕 量化，更容易被用戶所接受，有效解決 VR發(fā)展的痛點。由于 Cloud VR 具有如下顯著優(yōu)勢，已經(jīng)成為 VR 產(chǎn)業(yè)規(guī) ?；l(fā)展的必然選擇：
實現(xiàn)終端輕量化，提升使用者體驗：Cloud VR 無需本地主機，省掉了 VR頭顯與主機之間的連接線，“無 繩化”頭盔讓用戶擺脫了線纜的束縛，同時也減少了 VR頭顯的重量過重，耗電過高，以及發(fā)熱嚴(yán)重的問題，大幅提升 VR 設(shè)備的使用體驗；
利于降低終端成本和價格，推動普及：渲染在云端處理，大幅降低終端 CPU+GPU 渲染計算壓力，降低 終端硬件要求，不需要本地高性能、高成本主機，將大幅降低 VR/AR 的成本，加速 VR/AR 的普及；
有利于內(nèi)容分發(fā)、聚合：通過統(tǒng)一的 Cloud VR/AR 平臺，可適配不同終端上的不同類型的內(nèi)容，內(nèi)容 制作商只需與平臺適配，無需考慮與各終端的適配細(xì)節(jié)，可進(jìn)一步聚焦 VR/AR 內(nèi)容數(shù)量和質(zhì)量的提升； 同時，聚合到統(tǒng)一平臺后，用戶對于優(yōu)質(zhì)內(nèi)容的獲取將更加便捷；
利于內(nèi)容版權(quán)保護(hù)，鼓勵開發(fā)更多的內(nèi)容應(yīng)用：當(dāng)前大量 VR/AR 內(nèi)容屬于離線體驗，這種方式很難做 到對于內(nèi)容版權(quán)的有效管控，VR/AR 內(nèi)容上云后集中管理，有利于防止未經(jīng)授權(quán)的讀取、復(fù)制與傳播， 遏制內(nèi)容盜版，保護(hù) VR/AR 產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展；
利于與大數(shù)據(jù)分析、人工智能結(jié)合：數(shù)據(jù)在云端，利用云端強大的計算分析能力，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析或 與人工智能結(jié)合，產(chǎn)生更多產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與價值。
來源：未來智庫
