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VR/AR:元宇宙發(fā)展的“充分不必要條件”

物聯(lián)網(wǎng)智庫

共 3941字，需瀏覽 8分鐘

2021-12-10 19:36

來源：華爾街見聞、錦緞等

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導讀

2014年時，當時還叫Facebook的公司收購了Oculus，一度被認為是一筆失敗的投資，而時間拉回到現(xiàn)在，當“元宇宙”火了以后，從技術的角度再來看當時的收購案是否失敗，或許得到不同的答案。

最近半年以來，百度指數(shù)中“元宇宙”詞條的資訊指數(shù)從0最高暴增到了337294，可謂是異?；鸨?。

在移動互聯(lián)網(wǎng)紅利快被吃盡的當下，各大企業(yè)都在急于尋找下一條增長曲線，元宇宙概念的出現(xiàn)可謂恰逢其時，這也就不難理解如今各行各業(yè)的炒作和狂熱了。

人人都想從元宇宙中“分一杯羹”，科技巨頭們則致力于掐住元宇宙時代的“動脈——我們知道，智能手機是移動互聯(lián)網(wǎng)時代的入口，那元宇宙世界的入口會是什么呢？在現(xiàn)階段大部分人的暢想中，大概率是VR、AR等設備。

所以，今天我們就來聊聊這些元宇宙的“前置技術”或者說“充分不必要條件”都發(fā)展到了何種程度。

VR:最大概率的元宇宙入口

想必大家都看過《頭號玩家》這部暢想未來元宇宙的電影，電影的情節(jié)由游戲開始展開，這也與目前大部分互聯(lián)網(wǎng)公司的判斷基本一致：游戲是元宇宙的一塊大蛋糕，而能夠承載這種游戲交互和體驗的設備，目前來看大部分公司都投票給了VR。

早在20世紀90年代初，錢學森就開始了解到“Virtual Reality”這一概念，便想到將之應用于人機結合和人腦開發(fā)的層面上，并建議將其中文翻譯為為“靈境”。他認為，靈境技術的產生和發(fā)展將擴展人腦的感知和人機結合的體驗，使人與計算機的結合進入到深度結合的時代。

而到了2016年時，VR曾經(jīng)火過一次，那一年也被稱為“VR元年”，一時間各路資本瘋狂涌入。但是瘋狂的背后，技術不成熟、商業(yè)化落地難讓很多VR企業(yè)一直處于不斷燒錢卻不斷虧損的狀態(tài)，這條賽道的前景急轉直下，在很長一段時間里，VR變得銷聲匿跡。

而在今年，隨著元宇宙的爆火，VR又出現(xiàn)在了大家的面前。和上一波的炒作不同的是，目前各大互聯(lián)網(wǎng)廠商都在加速布局：Meta、微軟、字節(jié)、愛奇藝等公司都在做相關產品或者收購公司，顯示出了和2016年截然不同的景象。

在上一波的浪潮中，當時的VR設備多采用了兩塊1080p的屏幕，和手機的顯示效果一致，但是由于屏幕距離眼睛的距離比手機小很多，顆粒感和畫面的紗窗效應非常嚴重。同時，由于LED屏幕存在的余暉效應并且延遲較高，顯示元器件大多選擇的是OLED屏幕，但在當時三星無法解決OLED屏幕良品率的問題，導致價格居高不下。

時間到了現(xiàn)在，當前主流的VR使用的解決方案是快速響應液晶，如Oculus Quest 2用一塊改良后的Fast-LCD替換了之前產品的AMOLED屏。這塊屏幕的特性主要是延時低，可改善畫面拖影、降低眩暈感，緩解動畫模糊，具備動態(tài)渲染技術，使游戲運行更流暢，更兼顧了成本。

iPhone13的屏幕像素密度已經(jīng)達到了460ppi，而頭戴式設備因為屏幕距離眼睛非常近，4K的分辨率也是不夠的，VR顯示器的理想像素密度需要在2000ppi以上。但這已經(jīng)遠超目前LCD和OLED顯示器可以達到的水平。

而被稱為下一代顯示技術的Micro-LED將有可能解決這一問題。Micro-LED在對比度、反應時間、能耗、可視角度、分辨率等各方面指標均強于LCD以及OLED，具備低功耗、高亮度、高對比、反應速度快、厚度薄等優(yōu)勢，體積約為目前主流LED大小的1%，每一個像素都能定址、單獨驅動發(fā)光，將像素點的距離由原本的毫米降到微米級。

國內主要面板廠商（如京東方、華星光電、三安光電等）目前也都在有緊跟布局Micro-LED，但現(xiàn)階段產品良率還稍顯不足。綜合當前Micro-LED廠商量產計劃來看，可能要在2022年后才能實現(xiàn)規(guī)?；?strong>所以密切關注Micro-LED的規(guī)?；慨a時間，或許可以作為判斷VR設備進一步發(fā)展的指標。

除了屏幕和顯示之外，佩戴在頭部的VR設備的重量可以說是用戶體驗最直觀的感受。

目前，微軟HoloLens 2的重量是566g，Oculus Quest 2的重量為503g，而HTC VIVE Focus 3的重量高達785g，在頭部佩戴這種重量的設備非常容易疲勞。之前采用菲涅爾透鏡的VR設備，要求透鏡與顯示面板之間必須保持一定距離，導致設備一直非常的厚重。

而短焦光學已打磨發(fā)展了幾年的時間，已有自由曲面和基于反射偏振的折疊光路（Pancake）兩種方案。為了解決設備厚重的問題，現(xiàn)在利用超薄VR（Pancake）的半透半反偏振膜的雙透鏡系統(tǒng)折疊光學路徑已經(jīng)成為了解決方案的主流。Pancake可以細分為兩片式和多片式兩種方案，目前市面上常見的兩片式居多，由于其對生產工藝的要求簡單，成本可控且成像效果有保障，因此也是目前大多數(shù)VR眼鏡所采用的短焦光學方案。

操作系統(tǒng)方面，Andriod和IOS系統(tǒng)在手機端已經(jīng)非常成熟，而在VR中，結合VR的顯示特性使得虛擬現(xiàn)實OS有望成為首個3D化操作系統(tǒng)。目前市場上是以虛幻、寒霜、起源引擎等為3D圖形開發(fā)引擎為代表的技術已經(jīng)非常成熟并且隨著算力的提升還在高速發(fā)展當中，完全能夠承擔將2D升維變成3D虛擬現(xiàn)實操作系統(tǒng)的任務。

除了操作系統(tǒng)以外，追蹤也是VR設備必備的一項技術。由于佩戴VR設備后用戶的雙眼無法看到周圍的環(huán)境狀況，在移動過程中的安全和設置邊界就顯得至關重要。追蹤技術目前主要有兩類：“Outside-in”和“Inside-out”。

外向內追蹤技術(Outside-in Tracking)需要在室內放置傳感器，有較高的準確度，因為傳輸數(shù)據(jù)量少，延遲低，可以降低部分不適感。但是外接設備的限制也很明顯，例如：追蹤物體遠離傳感器的測距或是被物體遮擋時，就無法獲得位置訊息；操作者不能隨意離開傳感器的有效監(jiān)測區(qū)，也就限制了其自由活動范圍。

而內向外追蹤技術(Inside-out Tracking)不需任何外接傳感器，能夠實現(xiàn)設備的無繩化，不受遮擋和傳感器監(jiān)測范圍限制，支持更高的自由度（三軸及旋轉共六個自由度，即6DOF）。因為不依靠外界設備，需要用相應的算法計算出物體的位置信息，所以對算力的要求更高，精度低于外向內追蹤技術。隨著機器視覺算法的逐步成熟，Inside-out方案僅靠VR頭顯上的攝像頭即可準確定位，有效降低了硬件成本。

AR:虛擬和現(xiàn)實的交融

對于VR設備來說，它的優(yōu)點和缺點都是來自于“完全沉浸式的體驗”，缺少與現(xiàn)實世界的交互，如果未來的元宇宙只是虛擬世界，那只是一種增強版的游戲而已，而AR則補齊了這塊短板，讓虛擬和現(xiàn)實能夠更好的融合，讓元宇宙能夠賦能千行百業(yè)。

AR與VR的不同之處，在于AR設備需要透視的功能，既要看到真實的世界，也要看到虛擬的世界，所以必須通過光學設備來將虛擬和現(xiàn)實進行層疊顯示。目前較成熟的AR技術的光學顯示方案主要分為棱鏡（Google Glass）、birdbath（聯(lián)想Mirage AR）、自由曲面、離軸全息透鏡和光波導。

其中，棱鏡、birdbath、自由曲面這三種方案較難取得顯示效果和設備重量的平衡，即視場角越大，光學鏡片就越厚，體積響應的就大。離軸全息透鏡方案雖然能夠減小裝置體積，但是需要定制且視域小、分辨率低，也稱不上實用。而光波導方案不論從光學效果、外觀形態(tài)，還是量產前景來說，都具備最好的發(fā)展?jié)摿?，可能會是讓AR眼鏡走向消費級爆款產品的最佳選擇。過去幾年，在微軟（HoloLens）、Google、Megic Leap、DigiLens等廠家的推進下，光波導技術逐漸成為AR硬件顯示的主流方案。

其實，波導技術并不是什么“新玩意”，在光通信系統(tǒng)中，用來傳輸信號的光纖組成了無數(shù)條連接大洋彼岸的海底光纜，就是一種波導，只不過傳輸?shù)氖俏覀兛床灰姷募t外波段的光。

AR設備的光波導方案目前主流采用的是幾何光波導中的偏振陣列光波導方案和衍射光波導中的表面浮雕光柵波導方案和體全息光柵波導方案。光波導方案的基礎原理是通過在顯示區(qū)域材料中放入夾層的方式，把光源發(fā)出的光通過夾層的控制，把光源直接反射到人眼，從而實現(xiàn)可視化。

而從軟件層面來說， SLAM (simultaneous localization and mapping，同步定位與建圖) 是AR必備的核心技術，它最早在機器人領域提出，通常指機器人從未知環(huán)境和地點出發(fā)，在運動過程中通過重復觀測到的環(huán)境特征定位自身位置和姿態(tài)，再根據(jù)自身位置構建周圍環(huán)境的增量式地圖，從而達到同時定位和地圖構建的目的。

為了實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的融合，在任意元素的定位和虛擬延展上都需要SLAM進行定位。SLAM可以向陌生地方的用戶回答你在哪、周圍有什么、接下來該怎么走。通過整合的地圖繪制、場景建模、路徑規(guī)劃，SLAM同樣也在自動駕駛領域大放異彩（波士頓動力和特斯拉的FSD就是純視覺的SLAM）。

從VR/AR產業(yè)的技術演進圖來看，有些技術已經(jīng)成熟，還有很多技術需要很長的路要走，更需要其他相關技術和產品的共同輔助來演進。

除了VR/AR之外，元宇宙的底層技術還有很多，如：5G，區(qū)塊鏈，物聯(lián)網(wǎng)，人工智能等。每一項技術都是一塊“木板”，而“木桶效應”中最短的那塊，會通過影響用戶體驗從而影響元宇宙的爆發(fā)速度。

參考資料：

1.《元宇宙技術考》，錦緞

2.《元宇宙入口：VR終于要起飛了》，華爾街見聞

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