VR/AR白皮書2021出爐,產業起飛階段來臨,五橫兩縱技術發力

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編者按:本文來自微信公眾號“智東西”(ID:zhidxcom),來源:中國信通院 華為 京東方,原標題:《虛擬(增強)現實白皮書 》,作者:未註明,編輯:智東西內參,36氪經授權發布。

現在,“新基建”已成為拉動投資、促進消費、穩定就業和提升綜合實力的重要抓手,如何加載高質量的業務生態成為釋放新基建發展動能的關鍵。當前,以虛擬現實VR(包含增強現實AR)為代表的未來視頻,正在成為工業數字孿生、沉浸式教學等傳統行業轉型升級與長短視頻領域的重點發展路徑。在今年新冠疫情的影響下,視頻社交、視頻會展等虛擬現實創新應用市場逆勢增長,表現出對新型基礎設施更加迫切的需求,並對通信基礎設施的帶寬、時延等網絡傳輸能力、對算力基礎設施的計算、存儲能力提出了不斷進階支撐要求。

繼 2016 年虛擬現實產業元年、2018年雲 VR 產業元年、2019 年 5G 雲 VR 產業元年過後,2020-2021 年將成為虛擬現實駛入產業發展快車道的關鍵發力時窗。

本期的智能內參,我們推薦中國信通院的報告《虛擬(增強)現實白皮書2021》,從VR(AR)的關鍵技術趨勢、產業發展趨勢和創新應用分析三大方面還原VR產業的最新發展情況。

01.

關鍵技術:“五橫兩縱”

總體來說,虛擬(增強)現實趨勢包含“五橫兩縱”的技術框架與發展路徑。其中,“五橫”是指近眼顯示、感知交互、網絡傳輸、渲染計算與內容製作,“兩縱”是指 VR 與 AR,各技術點發展成熟度具體如下。

近眼顯示方面,快速響應液晶屏、折反式(Birdbath)已規模量產,Micro-LED 與衍射光波導成為重點探索方向。

渲染計算方面,雲渲染、人工智能與注視點技術等進一步優化渲染質量與效率間的平衡。

內容製作方面,WebXR、OS、OpenXR 等支撐工具穩健發展,六自由度視頻攝制技術、虛擬化身技術等前瞻方向進一步提升虛擬現實體驗的社交性、沉浸感與個性化。

感知交互方面,內向外追蹤技術已全面成熟,手勢追蹤、眼動追蹤、沉浸聲場等技術使能自然化、情景化與智能化的技術發展方向。

網絡傳輸方面,5G+F5G 構築虛擬現實雙千兆網絡基礎設施支撐,傳輸網絡不斷地探索傳輸推流、編解碼、最低時延路徑、高帶寬低時延、虛擬現實業務AI 識別等新興技術路徑。

▲虛擬現實關鍵技術體系(2020)

▲虛擬現實技術成熟度曲線(2020)

1、近眼顯示:Micro-LED 與衍射光波導成為當前探索熱點

近眼顯示受限於核心光學器件與新型顯示的發展,整體發展相對遲緩。2020 年隨著市場需求日漸清晰,業界對近眼顯示領域表現出更高的期待。

在顯示領域,快速響應液晶與硅基 OLED(OLEDoS)作為主流的顯示技術,處於實質規模量產階段,微型發光二極管(Micro-LED)有望迅速發展。快速響應液晶被廣泛用於 2020 年發布的新一代代表性 VR 終端,如 Facebook Quest 2 即採用一塊改良後的 Fast-LCD 替換了上代產品中的兩塊 AMOLED。

當前快速響應液晶屏成為多數 VR終端的常用選擇,主要表現為以超高清(如 5.5 英吋 3840*2160 分辨率)、輕薄(2.1 寸 1600*1600)、成本(5.5 寸 2160*1440)為設計導向的三類技術規格;

硅基液晶(LCoS)作為 AR 終端常用的顯示技術得到了一定發展與認可,但其較高功耗與較低對比度的不足限制了該技術的發展地位;

OLEDoS 可顯著改善 LCOS 在對比度、功耗與響應時間等方面的性能表現,成為新近發布 AR 終端的主流技術選擇,

2019 年底京東方在昆明量產;LBS 激光掃描顯示已用於微軟等部分行業巨頭的相關產品,亮度、功耗與體積等方面的優勢使得該技術獲得業界關注,但須搭配較為復雜的光學架構實現功能,短期內市場預期有限;

Micro-LED 成為繼 LCD 和 OLED 後業界期待的下一代顯示技術,廣闊市場前景緻使諸多行業巨頭加速戰略佈局,蘋果(LuxVue)、臉書 (InfiniLED)、谷歌(Glo、Mojo Vision)、英特爾(Aledia)等紛紛投資或收購該領域初創公司,業界正在規劃的規格以 1.3 寸4K*4K 為主。

雖然 Micro-LED 具備低功耗、高亮度、高對比、反應速度快、厚度薄與高可靠等虛擬現實應用方面的性能優勢,但現階段由於 LED 外延成本較高,巨量轉移的速度和良率尚未達到可量產的水平,當前 Micro-LED 顯示技術正處在量產突破的前夕,梳理晶元光電股份有限公司、友達光電股份有限公司、鎿創顯示科技股份有限公司、三星等重點企業的發展進度可知,預計其規模量產時間在 2022 年左右

在光學領域,作為下一代人機交互平台,虛擬現實呼喚以人為中心的光學架構,視覺質量、眼動框范圍、體積重量、視場角、光學效率與量產成本間的權衡取捨、優化組合成為驅動技術創新的主要動因。

超薄 VR(Pancake)利用半透半反偏振膜的雙透鏡系統折疊光學路徑,將頭顯重量降至 200g 以內,體積縮減至傳統終端的三分之一,緩解了 VR 頭顯尺寸重量與便攜性的痛點,且可保證較好的顯示效果及更大的視場角;

折反式(Birdbath)得益於設計難度與量產成本的優勢,觸發了消費級 AR 終端的規模上量,基於這一傳統技術路徑的光學模組體積較大厚度減薄困難,眼動框范圍受限,其光學系統須搭配算法緩解畸變,且光效難以高於 15%,效果和成本較大程度受限於微顯示器的發展,高亮的 OLEDoS 成為最優搭配,目前我國已有廠商採用該技術大量出貨;

自由曲面在早期得到業界認可,其顯示效果、光效表現較好,但量產加工難以保持較高精度,局部精度下降可導致圖像局部扭曲和分辨率降低,存在產品一致性難題。此外,通過厚棱鏡觀察真實世界會出現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展潛力;

光波導在 AR 領域的技術發展前景明確,可進一步分為陣列和衍射光波導兩大技術路線。相比其他光學架構,光波導外觀形態趨近日常眼鏡,且通過增大眼動框范圍更易適配不同臉型用戶,有助於推動消費級 AR 產品顯著升級。

其中,陣列光波導採用傳統光學冷加工技術,連續多層半透半反鏡面陣列鍍膜、貼合、切割等復雜多步工藝對產品良率提升提出較大挑戰,量產成本難以降低。此外,基於陣列光波導的二維擴瞳方案對加工工藝的挑戰極大,短期難以商用;

衍射光波導依循光學元件從毫米級到微納級、從立體轉向平面的技術趨勢,採用平面的衍射光柵取代傳統的光學結構。衍射光波導利用經過兩次兩個方向的擴瞳光柵或二維光柵以實現二維擴瞳,從而給以人為中心的光學設計與用戶體驗優化留有更大的容差空間。衍射光波導理論上具有較高的可加工性,成本可控,批量生產難度顯著低於陣列光波導,現已成為國內外標桿企業研發創新的活力區。此外,為了改善色散問題,針對 FOV 和動眼眶內的“彩虹效應”,如何用一層光柵作用於 RGB 三色且實現最大的 FOV 成為重要的技術挑戰。

目前,衍射光波導根據光耦合器的差異可分為利用納米壓印技術製造的表面浮雕光柵波導(Surface Relief Grating,SRG)及基於全息干涉技術製造的全息體光柵波導(Volumetric Holographic Grating,VHG)等。其中,微軟、Magic Leap 等多家 AR 明星企業的規模量產證明了 SRG這一技術路線在經濟成本上的可行性,當前國內有條件建設該產線的廠商相對有限。全息體光柵由於受到可利用材料的限制,致使其在視場角、光效率、清晰度等方面尚未達到表面浮雕光柵的水平,但因其在量產經濟性等方面的發展潛力,業界對此方向的探索未曾停歇;

可變焦顯示成為當前解決輻輳調節沖突(Vergence Accommodation Conflict, VAC)的重要技術,繼 2018 年臉書發布基於可變焦顯示的第一代原型機 Half Dome 後,於 2020 年開始了第三代原型機實驗室外場景環境下的集成驗證,Half Dome 3 通過電子變焦取代了此前的移動式機械變焦,極大程度的優化了頭顯體積重量與系統可靠性,有望開啟可變焦顯示技術產業化的量產之路;全息顯示通過全息方式顯示多個焦面,可作為未來解決輻輳調節沖突的技術路徑。目前,由於光相位調製器(SLM)價格昂貴、全息圖生成算法尚不完善、所須計算量大且難以實時完成等因素致使該技術短期內難以推廣應用。

▲虛擬現實近眼顯示部分代表性技術路線

2、渲染計算:雲渲染、人工智能與注視點技術引領VR 渲染 2.0

虛擬現實渲染領域的主要技術挑戰在於面向傳統游戲的上述權衡範式難以直接套用於虛擬現實應用,表現為相比游戲畫面的主流渲染要求(如 FHD 分辨率所須每秒渲染六千萬像素且不高於 150 毫秒的用戶交互時延),虛擬現實渲染負載與 MTP 時延須提升十倍量級才可達到初級沉浸的入門體驗。

此外,手機式/一體式 VR 與 AR 移動平台的渲染功耗預算尤為有限。當前,針對虛擬現實渲染所面臨的“小馬拉大車,既要馬兒吃得少,又要跑得快”的技術挑戰,業界先後發展出異步時間扭曲(ATW)、異步空間扭曲(ASW)、多視圖渲染(MultiView)、多分辨率渲染、畸變補償渲染等一系列優化算法,旨在彌合傳統游戲與虛擬現實渲染間的技術斷點。

另外,在跨越了沉浸體驗的初始門檻後,渲染質量與效率間的平衡優化成為時下驅動虛擬現實渲染技術新一輪發展的核心動因,即用戶需求的持續進階放大了渲染畫質、速度、成本、帶寬等多目標規劃的求解難度。在智能雲控與以人為本的創新架構下,雲渲染、人工智能與注視點技術觸發虛擬現實渲染計算 2.0 開啟。

雲渲染聚焦雲網邊端的協同渲染,時延不確定性成為關鍵技術挑戰。將虛擬現實交互應用所須的渲染能力導入雲端,有助於降低終端配置成本,幫助用戶在移動頭顯平台獲得媲美高價 PC 級的渲染質量。在雲化架構的引領下,各類內容應用可更便捷地適配差異化的終端設備,也有助於實施更嚴格的內容版權保護措施,遏制內容盜版,緩解用戶體驗痛點清單中的部分問題。相比虛擬現實單機版的發展思路,部分企業對雲渲染這一網聯式技術路徑存在發展定見。

雲游戲平台廠商認為網絡狀況難以預測,因而向網絡中“傾瀉”數據,最終造成網絡資源浪費,客戶端接收到無序數據,致使端側須為此付出額外的計算成本。事實上,本地渲染與雲渲染並非處於相互獨立的發展軌道,亦非非此即彼的替代關系,相比單機版渲染依賴終端完成,雲渲染並非完全依靠雲側進行,而是聚焦雲網邊端協同分工,旨在實現“不要讓終端補缺雲網協同落下的課”。當前,針對時延、帶寬、丟包、抖動等技術挑戰,業界通過調節 CPU 與 GPU 協同編碼、前向糾錯率、緩沖區大小等方式實現 QoS 保障。

需要指出的是,比之時延因素本身,網絡、算力等導致的時延不確定性對虛擬現實雲渲染用戶體驗影響尤甚,不同於傳輸環節的丟幀,因時延不確定性產生的棄幀主要是由幀未能及時到達,致使在終端顯示環節丟棄(不顯示)某些幀,在虛擬現實用戶感受上表現為畫面卡頓、跳躍與拖尾,有測試表明,對於 1080P@144 幀的雲渲染體驗,7ms 網絡抖動是大眾用戶的感知邊界。除流媒體 QoS 視角外,ATW/ASW 成為虛擬現實渲染標配的“棄幀保險”,由於 ATW 導致視覺黑邊,可通過擴大渲染面積予以解決。此外,在虛擬現實體驗過程中用戶即便沒有位移,眼睛亦會發生位置改變,因而引入 ASW,前者適用於遠景靜物,後者側重近景動畫。

▲基於時延不確定性的雲渲染情況示意

注視點技術入選業界標配,基於眼球追蹤的注視點渲染與注視點光學成為熱點技術架構。由於提供高分辨率與色彩視覺的視錐細胞集中分佈在人眼最中心區域(Fovea),眼球中央向外的區域視覺感知加速模糊(30°內每遠離 2.5°視覺分辨率降低一半),業界據此提出注視點渲染技術,通過對視場角內各部分畫面進行差異化渲染,顯著節省算力開銷,據 VRPC 統計,注視點渲染已成為 2018 年虛擬現實渲染領域專利數量最為富集的細分技術。

2020 年10 月臉書發售第二代VR一體機 Quest 2,新增動態固定注視點功能(Dynamic Fixed FoveatedRendering, DFFR),系統可根據 GPU 幀率高低自動決定是否觸發固定注視點渲染,內容開發者無須延續 Oculus Quest/Go 平台上手動配置 FFR 的經歷,也無須為 Quest 2 DFFR 修改既有內容應用。鑑於眼球運動致使注視點區域隨之改變,基於眼球追蹤的可變注視點渲染成為業界熱點,在日常掃視(Saccade)過程中,眼球運動速度高達每秒900 度,因而精準化的眼球追蹤成為了技術挑戰。

此外,作為注視點技術路徑的新生分支,注視點光學通過組合低分辨率/大 FOV(60+°)與高分辨率/小 FOV(20°)兩個顯示系統,且以手機面板與微顯示器或兩個不同分辨率的微機電(MEMS)掃描顯示系統為常見搭配,旨在實現用戶體驗分辨率不因渲染算力與顯示像素數減少而降低。當前,注視點渲染與注視點光學日益成為支撐上述目標的焦點性技術架構,業界對此積極佈局,且兩者具備潛在的結合空間。通過梳理各類注視點技術與相關量產終端可知,基於眼球追蹤的可變注視點渲染與注視點光學已成為時下技術產業化的主攻方向,且後者對渲染算力及顯示像素數要求較低。

▲各類注視點技術基本情況

人工智能將成為虛擬現實渲染質量與效能的倍增器與調和劑。當前,業界日益聚焦深度學習渲染這一熱點領域,以期針對多樣化的業務場景,解鎖平衡質量、速度、能耗、帶寬、成本等多維渲染指標間的技術定式。

在渲染質量方面,比之基於傳統渲染軟硬件架構的超采樣(SSAA)、多重采樣(MSAA)、快速近似(FXAA)、子像素增強(SMAA)、覆蓋采樣(CSAA)、時間性抗鋸齒(TXAA)等抗鋸齒技術,在 2018 年英偉達發布 GeForce RTX 20 系列顯卡中,推出了包含深度學習超采樣(DLSS)功能的驅動程序,通過以較低分辨率渲染圖像再經 AI 算法填充像素的方式,顯著提升了畫面精細程度。得益於獨立的 AI 計算單元,DLSS 運算基於 Tensor Core 完成,無須佔用顯卡 CUDA 通用運算單元,釋放了傳統抗鋸齒技術對渲染計算資源的負載壓力。2020 年英偉達推出 DLSS 2.0,通過持續優化深度學習算法,從而以較低渲染分辨率進一步提升了體驗分辨率與幀率的性能表現。

在渲染效能方面,為在移動終端平台加載高質量的虛擬現實沉浸體驗,業界結合深度學習與人眼注視點特性,積極探索在不影響畫質感知的情況下,如何進一步優化渲染效能的技術路徑。臉書提出一種基於AI的注視點渲染系統DeepFovea,利用生成對抗網絡(GAN)的新近研究進展,通過饋送數百萬個真實視頻片段模擬注視點外圍像素密度降低來訓練 DeepFovea 網絡,GAN 的設計有助於神經網絡根據訓練視頻的統計信息來補缺細節,進而得到可基於稀疏輸入生成自然視頻片段的渲染系統。測試顯示該方案可將渲染計算負載降低約十倍,且能夠管理外圍視場的閃爍、鋸齒和其他視頻偽影。

在圖像預處理方面,預先對圖像進行降噪處理有助於提升後續圖像分割、目標識別、邊緣提取等任務的實際效果,與傳統降噪方法相比,深度學習降噪可獲得更優的峰值信噪比(PSNR)與結構相似性(SSIM),如英偉達 OptiX 6.0 採用人工智能加速高性能降噪處理,從而減少高保真圖像渲染時間。在端雲協同架構方面,隨著電信運營商雲化虛擬現實發展推廣,針對多樣化的應用場景與網絡環境,人工智能有望成為渲染配置自優化的重要探索。

3、內容製作:交互性體驗和支撐工具快速發展

在弱交互領域,虛擬現實視頻的社交性、沉浸感與個性化特質日益凸顯,強弱交互內容界線趨於模糊。由於體育賽事、綜藝節目、新聞報道與教育培訓等直播事件受眾群體明確,商業落地相對成熟,VR直播成為豐富虛擬現實內容的利器,可較大程度上緩解目前高品質VR 內容匱乏、“有車沒油”的問題。

對於手機式、一體單目/多目、陣列式、光場式等內容採集設備的技術選型,VR 直播呈現兩極化趨勢,即滿足專業生產內容(PGC)高質量、多格式與用戶生成內容(UGC)操作便捷、成本可控的發展要求。此外,作為 VR 直播相比傳統直播獨有的關鍵技術,圖像拼接可基於特徵、光流等多種不同的處理域進行拼接,其中,圖像配准涉及特徵空間、相似性度量、搜索空間和搜索策略的選擇,圖像融合須考慮拼接處過渡自然和整體畫面協調,因攝像機和光照強度的差異,圖像間亮度和色度不統一,縫合後的圖像會出現明暗交替或有明顯接縫的問題,因而需要進行亮度和色度的均衡處理。

當前,VR 直播可分為表演區與觀眾區,在觀眾區引入以用戶為對象的虛擬化身,有助於進一步增強視頻社交性。同時,通過Unity、Unreal 等開發引擎進行虛擬現實拍攝與製作,而後傳至頭顯終端,可避免基於用戶交互信息的本地渲染負載。未來,隨著 VR 直播的常態化,製作上雲將成為簡化虛擬現實內容攝制流程的關鍵技術。

在強交互領域,VR 社交成為游戲以外的戰略高地,虛擬化身正在拉開虛擬現實社交大幕。虛擬化身技術由來已久,在傳統游戲中用戶可見能夠控制的整體人物形象(第三人稱)或看到模擬手和身體等部分形象(第一人稱射擊游戲),受限於 2D 視頻、狹窄視野及有限追蹤感知能力,虛擬化身難以被視為用戶本人。

相比之下,VR 用戶對虛擬化身的感知與控制構成了不再脫鉤的交互閉環,即追蹤採集的用戶數據被實時投射於虛擬化身外觀及行為表現。得益於 3D 沉浸視頻、超大視角及進階追蹤能力,位置、外貌、注意力、姿態、情緒等日益多元精細的身態語匯激活了虛擬化身潛藏的社交表現力。通過營造多人共享的臨場感,VR 社交進一步放大了虛擬現實強交互業務的互動程度,並結合日常交流所須的適宜間距、注視轉頭、手勢表情等潛藏的通識准則來優化虛擬化身。

此外,一味追求照片畫質級的虛擬化身存在“恐怖谷”效應,過高擬真度的外貌表現大幅拉升了用戶對虛擬化身行為舉止擬人化的心理預期,從而降低了虛擬化身總體可信性。如何持續提高虛擬化身真實感,同時精準調和外貌與行為擬真度間的配伍關系,成為 VR 社交虛擬化身的主要技術挑戰與發展方向。

在技術實踐上,虛擬化身跨 VR 終端平台的兼容性不斷提高,相關內容製作 SDK 開始向游戲引擎中集成迭代,體育賽事、綜藝活動與會議展覽等 VR 直播業務解鎖了虛擬化身自定義的市場需求,用戶在Venue 等代表性虛擬現實內容直播平台中,可根據發型、服飾、妝容、配飾等配置組合,個性化定製億萬種虛擬化身。

由於 VR 社交領域存在諸如多達數百人同時加載虛擬化身等性能挑戰,針對不同的場景功能,可通過降低 Drawcall 頻次、設置渲染優先級、匹配差異化的頂點數目與紋理精度等技術實踐,梯度調整虛擬化身視覺質量,優化性能表現。

在技術選型上,基於口、眼、表情、上肢擬真等的虛擬化身技術初步成熟,現已開始用於 VR 社交應用。

在內容相關的其他支撐性技術上,WebXR、OS、OpenXR 等重點領域穩健發展。作為電腦、手機、平板等智能終端用戶交互窗口的延續,據統計,約有 2/3 虛擬現實頭顯用戶使用瀏覽器。WebXR 推動了虛擬現實內容與各類終端平台、操作系統間的解耦,提供了更加便捷的網頁 VR/AR 應用開發環境,將成為下一代 Web 沉浸體驗的基石。

2020 年 7 月 W3C 發布新版 WebXR 規范草案,與此前 WebVR 相比,WebXR 新增了對 6DoF 追蹤定位、交互外設與 AR 應用的支持,A-Frame、React360、Three.js、Babylon.js 等網頁開發框架均已支持。

當前,內容不足成為虛擬現實用戶面臨的主要體驗痛點,內容生態發展成效被碎片化的軟硬件平台分化稀釋,2019 年 7 月 Khronos 對此發布了 OpenXR 1.0,旨在實現內容應用無須修改移植即可跨頭顯平台運行。同時,OpenXR 強化了對 WebXR 網頁開發框架的支撐,深化了對新一代 3D 圖形應用程序接口 Vulkan 的協同,適配了手勢、眼動追蹤等多元化交互方式,豐富了 5G 邊緣計算等應用場景。

在操作系統方面,實時性、多任務、感知交互與端雲協同成為當前發展焦點。手機 OS 對於虛擬現實用戶姿態變化難以做出實時性響應,系統設計存在諸多緩存邏輯,虛擬現實 OS 更像穩態系統,不論用戶主動操作與否,從姿態到渲染保持穩定運行,MTP 時延約束成為實時性挑戰。由於虛擬現實空間可極大延展,支持用戶同時可見更加豐富信息,操作系統多任務特性成為必然需求。在三維系統中的多任務化須實現系統多應用的三維化合成,在虛擬現實空間中佈置各應用的運行位置,並實現 3D 交互,如微軟 Hololens、Facebook Quest 等代表性終端對操作系統三維化多任務運行的支持。

2020 年虛擬現實操作系統持續演進,VR、AR OS 在感知交互方面日漸趨同,基於計算機視覺的頭手成為發展重點,臉書發布 Oculus Quest 系列驗證了計算機視覺實現的可行性和准確性,須掛載 4 顆以上實時性要求較高的攝像頭,操作系統亦須適配調優。此外,對於雲化虛擬現實業務需求,如何同步終端和雲端數據成為操作系統技術演進焦點,如微軟推出 Hololens雲方案,用戶可在雲端記錄三維地圖掃描信息。

開發引擎方面,基於OpenGL ES 底層框架,面向移動設備的低功耗、可視化開發引擎助力VR 應用開發效率提升。對於移動虛擬現實設備,如何平衡性能和功耗成為選擇虛擬現實開發引擎的關鍵因素。Unity、Unreal 借助於其在游戲領域的優勢積累,目前作為虛擬現實強交互應用的主要開發引擎。近年來隨著國內虛擬現實產業的快速發展,Nibiru Studio 等國產虛擬現實開發引擎持續完善。

4、感知交互:自然化、情景化與智能化為前行之路點亮燈塔

感知交互強調與近眼顯示、渲染計算、內容製作、網絡傳輸等關鍵領域間的技術協同,各大 ICT 巨頭與虛擬現實科技型初創公司對此深度佈局,積極投入。當前,追蹤定位、沉浸聲場、手勢追蹤、眼球追蹤、三維重建、機器視覺、肌電傳感、語音識別、氣味模擬、虛擬移動、觸覺反饋、腦機接口等諸多感知交互技術百花齊放,共存互補,並在各細分場景下呈現相應的比較優勢。未來,理想的人機交互可讓虛擬現實用戶聚焦交互活動本身,而忘記交互界面(手段)的存在,界面愈發“透明”,自然化、情景化與智能化成為感知交互技術發展的主航道。

沉浸聲場體驗“富礦”尚待挖潛,聽音辨位、空間混響、通感移覺等成為發展重點。虛擬現實沉浸體驗的進階提升有賴於對視覺、聽覺等多感官通道一致性與關聯性的強化。由於周邊環境、頭耳構型等多重因素會影響雙耳聽覺聞聲辨位,人們通過轉頭尋視聲源,以消除定位判定的模糊性。虛擬現實可結合用戶頭部追蹤特性,解決數字內容長久以來雙耳聽覺的問題。基於多通道 3D 全景聲場拾音技術(Ambisonics),聲音表現可依據用戶頭動情況進行動態解碼,虛擬現實用戶即可實現更加精準的聽音辨位。

另外,耳機佩戴致使 3D 全景聲被“壓扁”,如何解決因聲音高低位置出現的辨位失真成為關鍵問題。目前,臉書、微軟、英偉達、杜比、谷歌、高通等對沉浸聲場積極投入,並結合人體 3D 掃描開始構建差異化的頭部相關傳遞函數(HRTF)數據庫,旨在進一步實現虛擬現實聲音的“私人定製”。由於游戲等應用僅可准確渲染直達聲,缺少對房間聲學中早期反射和混響的逼真模擬,在一定程度上影響了用戶“眼見為虛,耳聽為實”的沉浸體驗。

在混響聲模擬技術方面,以往開發人員須將混響手工添加至虛擬環境中的各個位置,操作修改繁冗耗時,對算力與內存資源需求較高,且因各聲學響應預先計算,僅用於結構保持固定的靜態環境。當前,臉書等企業在房間聲學上取得了一定成果,混響聲可根據環境的幾何形狀自動精準生成,且符合實時虛擬現實應用嚴格要求的計算和內存預算,同時實現了隨環境空間構型變化的動態混響聲模擬,如VR 密室等探秘游戲。此外,諸如“風隨柳轉聲皆綠”的通感表達成為了虛擬現實視聽關聯性發展的特色方向,如《Rez Infinite》等 VR通感游戲的上市迭代。

Inside-out 技術全面成熟,追蹤定位將呈現集視覺相機、IMU 慣性器件、深度相機、事件相機等多傳感融合的發展趨勢。追蹤定位作為感知交互領域的基礎能力,業界投入大,且日趨成熟。在 VR 領域,存在 outside-in 和 inside-out 兩條技術路線。通過超聲、激光、電磁、慣導等多種傳感器融合定位較單一慣性和光學定位減少了計算資源消耗,在一定程度上優化了功耗與魯棒性表現。目前,基於視覺+IMU的 inside-out 追蹤定位技術實現產品化,開始大量應用於頭顯終端,代表產品有 Oculus Quest1/2、HTC Vive Focus 等。

此外,2019 年臉書、HTC 發布的新一代主機式 Rift S、Vive Cosmos,標志著 inside-out的追蹤定位方式與此前 Rift 的 outside-in 追蹤效果足夠接近,這種省去基站外設的追蹤方式符合大眾市場發展趨勢,未來將持續優化。在AR 領域,inside-out 成為唯一主流技術路線,基於終端平台的差異,視頻投射式 AR(video see-through)以蘋果 ARKit、谷歌 ARCore、華為 AREngine 以及商湯 SensAR 為代表的 AR SDK 普遍遵循單目視覺+IMU 融合定位的技術路線,在 2019 年對其跟蹤精度和魯棒性進行了進一步提升,毫米級別的定位精度使得 AR 尺子等空間測距等應用大量出現。

光學投射式 AR(optical see-through)以微軟 Hololen2、Magic Leap One 為代表的 AR 眼鏡普遍遵循雙目/多目視覺+IMU 融合的技術路線,可提供毫米級別精準度的定位輸出和世界級規模的6DoF 追蹤定位,其中 SLAM 算法的穩定性主要受光線與環境復雜程度影響。

由於室外光線會影響到攝像頭的使用,Oculus 在黑暗條件下難以提取環境信息,從而影響 SLAM 結果。Hololens2 採用 TOF 提供主動光輔助定位,在一定程度上緩解了該問題。環境復雜度表現為 AR眼鏡受限於攝像頭可實現高精準度獲取信息的范圍限制,在過於空曠(無參照物)的環境中,難以實現釐米級別定位。此外,隨著基於神經擬態視覺傳感器(dynamic vision sensor)的事件型相機技術發展,利用其高幀率、抗光照等特性,追蹤定位技術魯棒性有望進一步提升。

手勢追蹤初步成熟,“手勢追蹤+”將成為虛擬現實輸入交互新模式。相比其他虛擬現實輸入交互方式,手勢追蹤技術的價值優勢在於消減了用戶對交互外設的配置操作與購買成本,無須考慮充電配對問題,且手勢信息等身態語增強了虛擬現實體驗的社交表現力,賦予了內容開發者更大的創作空間。鑑於追蹤范圍、體積重量、成本功耗、操作部署等方面的優勢,基於黑白/RGB 攝像頭的機器視覺技術路徑已成為標記點、3D 深度攝像頭方案外手勢追蹤的重點實現方式。當前,手勢追蹤技術在多維發展方向上初步成熟。

在算法魯棒性優化方面,通過收集用於深度學習的多類人群手勢及環境數據,可探知手部位置及關節指尖等特徵點信息,進而結合反向動力學算法構建手部3D 模型。在計算及功耗開銷控制方面, ,通過深度神經網絡量化壓縮技術,精準可靠的手勢追蹤算法得以在移動式虛擬現實終端上(一體式、手機伴侶)以較低算力、時延與功耗預算運行。在交互表現性探索方面,由於虛擬現實手勢輸入發生在 3D 空間中,照搬手機觸屏的2D 交互語言將引發時延、遮擋、觸覺反饋等諸多輸入問題。

時下業界圍繞人因工程視角,就輸入交互進行創新設計,以“捏”代“按”,可有效節省交互空間,明確交互起止時點,獲知輸入反饋。除單手追蹤外,雙手、手與筆、手與鍵盤、手與控制器等外設配合成為手部交互表現性探索的新方向。

其中,2020 年臉書與羅技合作,雙方基於實體鍵盤與雙手追蹤的交互組合,以期實現虛擬現實無界辦公的體驗願景。需要說明的是,發展手勢追蹤並非旨在取代目前常見的 VR 控制器,未來虛擬現實手部交互將與 VR 控制器解綁,即由 VR 控制器輸入向基於手勢追蹤的裸手輸入、裸手+控制器等交互外設協同共存的方向發展。

眼動追蹤成為虛擬現實終端的新標配。早期虛擬現實終端(如HTC Vive、Hololens V1、Meta 2 等)以 6DoF 頭動追蹤技術作為眼動追蹤的近似替代,在達成沉浸體驗門檻後,日益進階的用戶需求開始對眼動追蹤提出了更高要求。眼動追蹤主要涵蓋注視點追蹤、瞳孔位置尺寸追蹤、眼瞼數據採集、生物識別等,得益於該領域在虛擬現實融合創新與以人為中心研發思路上的技術潛力,眼動追蹤日漸成為VR/AR 終端的新標配,且應用場景趨於多元。例如,注視點追蹤可用於眼控交互、可變注視點渲染與注視點光學、FOV 一致性補償、可變焦顯示系統中的輻輳調節沖突控制等任務場景。

眼動追蹤技術主要分為基於特徵與基於圖像的發展路徑。兩種方案均須紅外攝像頭與 LED完成,前者通過光線在角膜外表面上普爾欽斑(Purkinje image)反射以推算瞳孔位置,已成為 SMI(蘋果)、EyeFluence(谷歌)、HololensV2、Magic Leap One、七鑫易維、Tobii 等代表性產品的技術方案。

當前,眼動追蹤技術發展的難點與焦點在於眼動算法如何基於改採集的原始眼動行為來“透視”用戶意圖。此外,除追蹤精度指標外,用戶個體與環境差異(眼球角膜、佩戴眼鏡、周圍光線等)對系統通用性提出了更高要求。時下多數眼動追蹤系統須先行完成用戶標定校準後方可使用,業界積極嘗試在現有眼動系統架構中更多引入深度神經網絡等人工智能算法,以期精簡用戶使用流程,並增強系統通用性。

環境理解與 3D 重建將成為虛擬現實感知交互領域技術內核之一。在數據採集方面,由於早期發展受到深度圖像傳感(RGBD)器件功耗和精度的限制,環境重建技術門檻較高,大多基於激光雷達和大功率 ToF 器件實現,重建過程繁復,且採集設備昂貴。隨著 OPPO、三星、華為等主流手機廠商旗艦機型上預制深度相機,激光雷達大幅降價,以及微軟發布的 Kinect V4 版本可提供 720P 高精度深度圖,較為成熟的產業鏈供應使得低成本、高速率生成可用於 VR/AR 的高質量3D 模型成為可能,對周邊環境和物體的理解和建模逐漸平民化。

基於 RGBD 相機的動態語義化重建技術逐漸成熟,針對人體形狀、運動、材質不易描述等難點,基於參數化人體模型和人體語義分割的語義化分層人體表達、約束及求解方式,在提升人體三維重建精度的同時,實現了人體動態三維信息的多層語義化重建。在數據處理方面,隨著 AI 能力的滲透釋放,2019 年學界出現較多基於單目 RGB 進行深度估計、人體建模、環境建模的學術論文,並開始快速進行技術產業化推進。

AI 與三維重建技術的融合創新使二維到三維圖像轉化以及三維場景理解成為可能。通過海量真實三維重建數據的訓練,能夠實現單目深度圖像估算,通過二維照片估算出真實空間的三維深度數據,從而生成准確的 3D 模型。借助點雲金字塔模型提取出三維點雲在多個尺度上的局部特徵,再通過圖模型的三維點雲語義分割和特徵聚合,可完成三維點雲體素級別的分類並最終實現基於三維點雲數據的場景理解。

5、網絡傳輸:5G+F5G 構築虛擬現實雙千兆網絡基礎設施支撐

2019 年 5 月工信部、國資委共同印發專項行動,確定開展“雙 G雙提”,推動固定寬帶和移動寬帶雙雙邁入千兆(G 比特)時代,明確提出 2019 年我國千兆寬帶發展的目標,2020 年 9 月,國務院常務會議確定加快新型消費基礎設施建設,第五代固定網絡(F5G)千兆寬帶與 5G 網絡共同構成雙千兆接入網絡聯接,助力千兆城市建設。

當前,作為影響虛擬現實業務體驗的關鍵因素,傳輸網絡不斷地探索傳輸推流、編解碼、最低時延路徑、高帶寬低時延、虛擬現實業務 AI識別等新的技術路徑,旨在實現無卡頓、無花屏、黑邊面積小、高低清畫質切換無感知等用戶體驗,讓產業有評估業務質量的技術和方法,加速虛擬現實的規模化發展。

邊緣計算賦能雙 G 雲化虛擬現實提檔升級。多接入邊緣計算(MEC)將密集型計算任務遷移到附近的網絡邊緣,降低核心網和傳輸網的擁塞與負擔,減緩網絡帶寬壓力,提高萬物互聯時代數據處理效率,能夠快速響應用戶請求並提升服務質量。同時,通過網絡能力開放,應用可實時調用訪問網絡信息,有助於應用體驗的提升。MEC在組網上與傳統網絡的本質變化是控制面與用戶面的分離,一般控制面集中部署在雲端,用戶面根據不同的業務需求下沉到接入側或區域匯聚側。

用戶面下沉的同時,根據業務具體可將雲服務環境、計算、存儲、網絡、加速等資源部署隨網絡延伸到邊緣側,實現各類應用和網絡更緊密的結合,用戶也可獲取更為豐富的網絡資源和業務服務。針對虛擬現實業務,標准組織 ETSI 於 2014 年底成立了 ISG MEC,Phase1 和 Phase2 標准已發布場景、需求、架構和開放 API 等,虛擬現實作為七大場景之一,即邊緣應用快速處理用戶位置和攝像頭圖像,給用戶提供實時輔助信息。其中,MEC 的 APP 和 3GPP R14/R15 的邊緣 DN 實現有機融合,UPF 作為 MEC 的用戶面,NEF 作為 MEC API 能力開放提供者。

由於虛擬現實編碼率高、交互性強,在 4G 網絡和百兆以下家寬網絡部署中,僅可滿足 2K 業務,尚難以滿足 4K/8K虛擬現實業務的規模部署,故 5G/MEC 的上行 150Mbps 大帶寬以及網絡時延小於 20ms 低時延能力可有效滿足虛擬現實進階體驗。當前,雲化虛擬現實業務基於 MEC 下沉部署,是優化網絡傳輸效率,提升體驗保證的重要途徑。

MEC 可為應用層提供 CPU/NPU/GPU 算力和存儲等基礎設施能力、動態網絡路由和精準資源調用,用戶感知和網絡能力開放以及運營商可靠可信可達的 SLA 服務能力。通過 MEC 邊緣服務,可進一步降低雲化虛擬現實業務的網絡連接和終端硬件門檻,加速虛擬現實業務在 5G 網絡和固定寬帶網絡的規模商用,相關商業模式轉型或創新成為可能。

千兆光網+雲 VR 將成為 F5G 時代的典型特徵與重點應用的結合。F5G 重點聚焦於全光聯接、增強型固定寬帶和可保障的極致體驗三大業務場景,以 10G PON、Wi-Fi 6、200G/400G、NG OTN 和 OXC 等技術為代表,具有大帶寬、低時延、能力開放、高穩定全光聯接特性。為滿足多路用戶並發訴求,10G PON 是虛擬現實業務承載的必然選擇。

此外,業界在大力推進光纖入戶(FTTH/FTTO)的同時,進一步延伸光纖網絡部署,推動對家庭、企業的網絡升級改造,打通光纖網絡“最後一米”接入,實施“光纖到房間 FTTR(Fiber to the Room)”、“光纖到終端”,以期配合 Wi-Fi6 技術保障每個房間均可實現高質量的虛擬現實體驗,並解決雲 VR 高密接入和多機位直播場景下的網絡難題。

IP 架構簡化、全光網絡、端網協同等成為虛擬現實承載網絡技術的發展趨勢。IP 網絡架構扁平化和網絡切片有助於提升承載網的傳輸效率,提供差異化的體驗保證。由於虛擬現實對帶寬、時延、丟包率有較高要求,當前傳統高匯聚、高收斂承載網絡面臨效率低、擁塞概率大、時延長、相對丟包多等問題。基於上述原因,首先需要對傳統網絡的層次和網絡結構進行簡化,消除 LSW 匯聚層和城域匯聚層,BNG 向上直連 CR,OLT 直通 BNG,提高承載網絡傳輸效率。

信道子接口和FlexE等網絡切片技術可在同一物理端口上實現不同等級業務間的隔離,為雲化虛擬現實業務提供帶寬和時延保證。隨著 IPV6 技術的推進,業界將逐步從 IPv4 擴展到 IPv4/v6 雙棧,直至切換為 IPv6網絡,從而減少網絡中 IP 地址 NAT 轉換,進一步簡化網絡結構。基於全光網的 E2E 網絡切片架構有助於提供確定性低時延和大帶寬保證。

由於 IP 網絡的帶寬是多業務共享,在流量擁塞的情況下難以保證時延敏感業務。光通信技術具有容量大,確定性時延、功耗低等特點。隨著虛擬現實網聯雲控技術路徑的發展,數據中心之間的骨幹網絡可構築立體化的智能光網絡,實現 DC 之間的一跳直達。OTN 設備逐步下沉到 CO 機房,在城域網絡中區分業務,為高品質業務進行高優先級質量保障,提供一跳入雲的能力。

OLT 設備可以連接 OTN 或者 BRAS,是業務流走向光網絡還是 IP 網絡的選擇節點,為滿足多種業務不同的服務等級訴求,OLT 須支持網絡切片功能,即在同一個物理端口上劃分出可保證服務等級的切片。

端網協同業務識別技術可將運營商虛擬現實業務從眾多業務流中精準識別,並進行優先保障。考慮到虛擬現實 CDN 和雲渲染邊緣節點眾多,且地址分散,在網絡設備上靜態預配置服務器地址段進行識別的傳統方法,在規模較大的家庭網絡設備等方面實際執行存在困難。

為應對上述問題,可在終端與家庭網關設備等邊緣網絡節點間增加數據通信接口,以便獲得訪問服務器地址、業務類型、操作類型、網絡需求等業務信息准確及時的通報,以及終端側的業務體驗、流傳輸與網絡側空口傳輸指標等的數據共享。

▲全光網絡組網結構示意

精細化運維技術成為雲化虛擬現實業務質量的重要保障。雲化虛擬現實運維基於產業發展和實現難度可分為手動、自動和智能運維層次。手動運維階段業務出現卡頓或者閃斷時,通常通過 Ping 的方式進行故障定界和定位,效率比較低,很難定位出是終端、網絡還是雲平台出現問題。

隨著用戶規模發展,迫切需要更有效的自動化運維手段。結合業務體驗評估體系的構建,可通過工具進行精細化運維,例如通過工具採集業務指標,進行用戶質差分析。支持定界指標採集,通過探針採集雲渲染流化時延、終端處理時延、網絡 RTT 時延,進行端管雲三段定界。

支持隨流探針採集網絡指標,通過端網協同接口,支持五元組或者業務流特徵智能識別雲 VR 業務類型,終端上報業務類型、業務開始和結束時間、用戶體驗指標、分段時延指標等至家庭網關,家庭網關根據上報體驗指標和分段 KPI,結合家庭 Wi-Fi 和承載網 KPI,進行家庭 Wi-Fi 和承載網分責。未來,可進一步在自動化運維的基礎上引入人工智能技術,以提供主動性、人性化及動態可視的虛擬現實智能運維能力。

▲面向虛擬現實業務的網絡傳輸技術供需匹配情況

02.

產業發展趨勢

1、終端出貨量與市場規模穩步增長

虛擬現實終端出貨量穩步增長,AR 與一體式增速顯著,不同終端形態間的融通性增強。受新冠疫情及宏觀經濟形勢影響,據 IDC 統計 2020 年全球虛擬現實終端出貨量約為 630 萬台,VR、AR 終端出貨量佔比分別 90%、10%,預計 2024 年終端出貨量超 7500 萬台,其中 AR 佔比升至 55%,2020-2024 五年期間虛擬現實出貨量增速約為86%,其中 VR、AR 增速分別為 56%、188%,預計 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 等標桿 VR/AR 終端迭代發售以及電信運營商虛擬現實終端的發展推廣,2021 年有望成為虛擬現實終端規模上量、顯著增長的關鍵年份,VR/AR 終端平均售價將從當前2500/9700 元人民幣進一步下降。此外,華為 VR Glass 手機伴侶、PicoNeo 2 等一體式頭顯終端均可通過串流功能而不再受制於移動平台的功耗預算與渲染算力,跨終端形態的使用融通性顯著提高,一體式終端出貨量份額預計將從 2020 年 51%進一步升至 2024 年 64%。

▲全球虛擬現實終端出貨量及結構佔比

全球虛擬現實市場規模接近千億,AR 與內容應用成為首要增長點。據 IDC 等機構統計,2020 年全球虛擬現實市場規模約為 900 億元人民幣,其中 VR 市場 620 億元,AR 市場 280 億元。預計 2020-2024 五年期間全球虛擬現實產業規模年均增長率約為 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。從產業結構看,終端器件市場規模佔比位居首位,2020 年規模佔比逾四成,隨著傳統行業數字化轉型與信息消費升級等常態化,內容應用市場將快速發展,預計 2024 年市場規模超過 2800 億元。

▲全球虛擬現實市場規模

虛擬現實產業鏈條長,主要分為內容應用、終端器件、渠道平台和內容生產。內容應用方面,聚焦文化娛樂、教育培訓、工業生產、醫療健康、商貿創意等領域,呈現出“虛擬現實+”大眾與行業應用融合創新的特點。

文化娛樂以游戲、視頻等強弱交互業務為主,在數量規模上佔據主導,商貿創意可有效提升客流量與成交率,主要包括地產、電商、時尚等細分場景,工業生產與醫療健康應用早期侷限於培訓指導,目前開始逐漸向產品設計、生產製作或臨床診療等更為核心的業務領域拓展;內容生產方面,主要涉及面向虛擬現實的操作系統、開發引擎、SDK、API 等開發環境/工具,以及全景相機、3D 掃描儀、光場採集設備等音視頻採集系統;渠道平台方面,除互聯網廠商主導的內容聚合與分發平台外,包含電信運營商發力的電信級雲控網聯平台,以及自助VR終端機、線下體驗店與主題樂園等線下渠道;終端/器件方面,主要分為終端外設及關鍵器件,其中終端外設包括以PC 式、一體式、手機伴侶與雲化虛擬現實終端,以及手柄、全向跑步機等感知交互外設。

關鍵器件主要包括芯片、屏幕、傳感器、光學鏡片等,近年來業務針對虛擬現實終端開發了專用器件,如京東方快速響應液晶屏、海思、高通處理器芯片等。參考中國信通院 XR 產業數據庫,並對《虛擬(增強)現實白皮書(2018 年)》中產業地圖更新完善,得到修訂後如下產業地圖 2020,對產業鏈結構分佈統計可知,內容應用、終端器件、內容生產系統、渠道平台環節分佈比例約為 5:2.5:1.5:1,業內企業以內容應用為主。

虛擬現實較長的產業鏈條與交織融合的創新體系驅動廠商由供需合作向生態協同升級,即表現為發展戰略、資源整合及能力實現的協同。通過對虛擬現實產業鏈競合網絡的梳理分析,可將企業間的生態協同關系歸納為投入力度、產業輻射、斷點彌合、合作成果等發展要素,並據如下多維能力模型進一步分析評估產業鏈生態現狀。

2、雲化虛擬現實觸發端網邊雲產業鏈條融合創新

作為除單機智能外主要發展路徑,雲化虛擬現實有助於優化用戶體驗,降低終端門檻,豐富內容生態,推動版權保護。由於部分計算和內容處理在雲端實現,電信運營商憑借渠道、資金和技術優勢,結合高帶寬、低時延等的新一代網絡特性,積極開拓基於體驗的新型業務模式,旨在聚合產業資源,促進生態各方共贏發展,加速虛擬現實推廣普及。目前,我國基礎電信運營商均已啟動雲化虛擬現實業務發展。中國電信 2019 年 10 月 10 日自四川電信開始,各省電信分公司紛紛宣佈雲 VR 業務正式放號,啟動了天翼雲 VR 業務正式商用。

2018 年福建移動全球首發運營商雲 VR 試商用,成為第一個推出雲VR 業務的運營商。2019 年中國移動宣佈將投入超 30 億元實施“5G+超高清 VR 賦能數字內容產業創新發展”計劃,2020 年宣佈了移動雲VR 的“內容生態三五計劃”,聚焦五大垂直內容領域、拓展五類合作模式、提升五項體驗感知。中國聯通成功開展了 2019 年國慶閱兵歷史上首次 VR 直播活動,同年宣佈 2020 年中國聯通雲 VR 用戶目標達百萬,目前四大基礎電信運營商全國雲VR用戶已超過1000萬。

在網絡支撐方面,信息網絡等新型基礎設施迅速普及,雲化虛擬現實產業發展條件基本成熟。當前,良好的網絡基礎設施促進了虛擬現實產業發展。我國移動寬帶突出技術創新與生態培育,實現了從 3G追趕到 4G 同步、5G 引領的飛躍,現已建成近 70 萬個 5G 基站,5G終端連接數超過 1.8 億。光纖寬帶突出公平競爭和普及滲透,實現了從銅纜接入到光纖入戶的快速升級、從城市到農村的深度下沉。

據中國信通院《中國寬帶發展白皮書》,截至到 2020 年 6 月,我國光纖接入(FTTH/O)用戶達 4.3 億戶,佔固定寬帶用戶比重達 92.3%,全國所有地級市均已建成光纖網絡全覆蓋的“光網城市”,百兆及以上接入速率的固定寬帶用戶超過 4 億戶,佔比 86.8%。我國移動數據流量資費為 4.3 元/GB,同比下降 23.3%,用戶月均移動數據流量為10.1GB,同比增長 29.2%,3G/4G 用戶普及率超過 94%,超額完成寬帶中國戰略 85%的預期目標。

在終端發展方面,雲 VR/AR 終端有望重塑虛擬現實終端形態。在傳統 VR/AR 終端的發展架構下,對於多階梯、多層次與多場景的用戶體驗,難以不以犧牲某方面需求來滿足其他。

雲化虛擬現實終端架構更加寬廣的技術縱深,有助於解決終端創新顧此失彼的發展挑戰,有利於承載適配各類雲化 VR/AR 業務。隨著 Oculus Quest、華為 VRGlass、Vive Focus Plus、Pico Neo2 等代表性終端串流功能的引入,移動虛擬現實用戶進階體驗將不再受制於功耗預算與算力負載,一體式/手機式與 PC 式等跨產品形態間的使用融通性顯著提高,終端分類依據正在由算力來源與供電方式向算力協同與業務場景遷移,在此過程中,雲化虛擬現實終端這一新興形態的發展輪廓逐漸浮現,並結合雲化支撐、負載協同與連接方式等特徵要素,呈現如下不同的表現形式。

預計 2020-2024 年,虛擬現實終端將日益減重便攜,隨者 5G 終端的規模普及,一體式終端將原生集成 5G 能力,計算負載開始向雲邊端協同分配,手機伴侶式終端將通過無線連接適配更多 5G 手機。

▲虛擬現實終端形態分類演進

在應用落地方面,對傳統業務流程的解構重組催生視頻內容上雲、圖形渲染上雲與空間計算上雲。在雲化虛擬現實體系中,終端是門檻,業務是基礎,網聯是保障,協同是核心。VR/AR 強弱業務雲化的難點與焦點在於分解流媒體、交互應用及機器視覺等現有任務流程,並結合虛擬現實人機交互的內生特性,在雲邊端側優化分配計算負載。

對於雲化視頻等弱交互應用,端側用戶視角這一人機交互信息可有效用於雲側視頻映射、編碼與傳輸。其中,傳統經緯映射(ERP)致使兩極過采樣,碼率存在浪費,2017 年 OMAF 確定了八種常用投影映射格式,相比 ERP,金字塔結構(VPP)等依賴終端上傳視角信息的映射方式可將視角區域以高分辨率投影到二維平面,其餘背景區域則以較低分辨率進行映射變換,進而在同等帶寬的情況下,提高視角區域的觀看質量。

此外,傳統視頻編碼技術對 VR 全景視頻仍然有效,但結合端側 FOV 信息可進一步緩解全景視頻傳輸的帶寬壓力。在雲 VRFOV 視頻傳輸方案中,當用戶的方位角發生變化時,雲端並不能立即發送一幀相應的畫面,而是以 GOP 為時間粒度發送視頻內容,在這種情況下,即便有頭部動作預測和二次投影技術的支持,仍可能存在較為嚴重的黑邊現象。

為了改善或消除黑邊問題,主要有 TilewiseFOV 等端雲協同方案,即雲側可將 HEVC 流按照相同分辨率進行不同質量和比特率的編碼,服務器上每個視角存儲多份不同碼率視頻流,同一時刻根據端側 FOV 信息傳輸較高碼率的主視角切片流和低質量背景,並在端側組合成混合質量虛擬現實視頻。另外,業界積極探索針對個性化、社交化、六自由度等新興虛擬現實視頻端雲協同的業務架構,例如雲側 VR 視頻內容依託 5G 低時延特性,對端側採集到的用戶心率、眼動等生理指標作出及時響應,從而生成適配用戶生理特性的後續視頻內容。

對於雲化渲染等強交互應用,除 Stadia、GeforceNow 等對傳統游戲的雲化實踐外,業界現已圍繞 VR/AR 應用推動商業落地,2020 年英偉達聯合高通、愛立信推出 CloudXR 解決方案,旨在依託 5G、Wi-Fi 等高性能網絡導入雲邊渲染能力,優化流式傳輸體驗,降低終端算力門檻,助力電信運營商吸引 5G 用戶。通過在雲側加載虛擬的頭顯驅動,應用程序無須變更,終端對收到的音視頻進行解碼,並回傳各類追蹤及用戶輸入信息。

其中,虛擬現實“瘦終端”的渲染任務界面可精簡為頭動、眼動等更具人機交互特性的關工作,如 ATW、注視點、畸變補償渲染等。此外,對於渲染質量與速度的權衡問題,兩者間的選擇通常取決於應用,業界並無可在各類差異化應用中均能實現最佳計算配置的萬靈藥。

基於雲化虛擬現實端雲協同的渲染架構,由誰來界定,又如何界定渲染質量、速度、能耗、帶寬等多目標間的平衡點成為產業焦點。當前,由於終端廠商相比用戶及內容開發者具備更多的專業洞察,對 CPU、GPU、溫度等相關指標動態監測能力較強且涉及內容適配,因而更多主導調配最優渲染“配方”。隨著雲化虛擬現實的迅速鋪開,電信運營商將依託雲網優勢,在更大程度上參與界定,並可結合大數據與人工智能技術,進一步探索渲染配置自優化的控制策略。

3、終端、行業應用與增強現實孕育投融資市場新機遇

2020 年全球虛擬現實風險投資受疫情影響出現一定程度上的滑坡。當前,以 Facebook Quest 2 與微軟 HoloLens 2 為代表新一代高性能虛擬現實終端推動了全球 VR 大眾消費市場和 AR 商用市場的進一步發展,讓市場看到了虛擬現實切實的技術價值和清晰的市場潛力,但源於新冠疫情及貿易摩擦等因素導致宏觀經濟下行壓力不斷增加,且由於虛擬現實市場回報週期相對較長,並未吸引大量新增風險資本進駐,2020 年全球虛擬現實風險資本市場出現一定下滑。據映維網統計,2017-2019 年間投融資環境相對穩定,年投資額約為 100-120 億元,投資頻次在 170-190 次左右,預計 2020 年投資總額及頻次約為90 億元、140 次。

▲全球虛擬現實風險投資市場情況

VR、AR 分別佔據風險投資頻次與總額的主導地位。預計 2020年有 61%的風險投資投向 AR 企業,32%投向 VR 企業,7%流入兼具VR/AR 業務的公司。過去五年,盡管多數資金流入研發難度更高、與行業融合更加緊密的 AR 領域,但從投資頻次上看有 49%的風險投資投向 VR 企業,37%投向 AR 企業,14%流入兼具 VR/AR 業務的公司,主要原因在於相比於 AR,VR 大眾消費市場初步形成,技術研發與終端門檻相對較低,體驗內容日益豐富,VR 企業需要具備更高的現金流轉能力。

▲全球虛擬現實風險投資規模(左)、頻次(右)佔比

硬件終端與行業應用佔據全球風險投資產業細分領域主體。2020年硬件終端領域在投資規模和頻次佔比分別為 57%和 25%,行業應用領域上述指標佔比為 33%和 53%,除硬件終端和行業應用外,包含大眾應用、開發工具、游戲、影視及其他領域合計在投資規模和頻次佔比僅為 10%和 22%,兩項指標均為近三年最低,投資方向進一步向硬件終端和行業應用領域聚焦,如今年獲得風險投資的游戲製作公司數量出現明顯下滑,從 2017 年的 39 家降至 2019 年的 11 家直至今年的 7 家。

相比之下,變現能力更強的硬件終端和行業應用公司更易獲得資本青睞。在硬件終端領域,頭顯公司在過去三年獲得的資金支持逐漸提升,外設及器件風投規模逐漸縮減,這源於頭顯終端技術集成度日益提高。在行業應用領域,投資總額及頻次比之 2018 年均有一定增長,表明工業、教育、醫療與商貿等行業用戶對虛擬現實解決方案的投資回報前景看好程度加大,買單意願提升。

▲全球虛擬現實風險投資規模、頻次佔比(按投資領域劃分)

中美成為投資熱點地區,風投資本集中度凸顯,並針對產業鏈開展更加審慎明確的投入。從地域分佈來看,2019 年獲得風險投資的公司中,33%的總部位於美國,14%位於中國大陸,並分別獲得 60%、9%的資金,中美繼續保持風險投資市場主導地位。2020 年中國大陸獲得風險投資的公司數量約為 20 家,相比 2018 年、2019 年的 47 及32 家有所減少,獲投資金規模相比去年減少約五成。從資本集中度來看,前十企業的融資集中度提升,終端及爆款應用成為焦點領域,如Magic Leap、Niantic 當年均獲數億美元融資。此外,AR 方向漸成熱點,在 2017-2019 年間佔比從三成增至七成。

▲近年來全球虛擬現實風險投資熱點事件

4、國家部委及地方政府積極推動虛擬現實產業發展

我國積極推動虛擬現實產業發展。自 2016 年虛擬現實被列入“十三五”信息化規劃、互聯網+等多項國家政策文件以來,工信部、國家發改委、科技部、教育部等部委相繼出台指導政策支持虛擬現實產業發展。國務院從十三五規劃開始把虛擬現實視為構建現代信息技術和產業生態體系的重要新興產業,在《新一代人工智能發展規劃》中將虛擬現實智能建模技術列入“新一代人工智能關鍵共性技術體系”,2020 年相繼出台《關於進一步激發文化和旅遊消費潛力的意見》、《新時代愛國主義教育實施綱要》和《關於推進對外貿易創新發展的實施意見》等文件,進一步明確虛擬現實在文化旅遊、教育宣傳、商貿會展等領域的創新應用。

在 2021 年出台的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和 2035 年遠景目標綱要》中將VR/AR 產業列為未來五年數字經濟重點產業之一。工信部在 2018 年12 月出台《關於加快推進虛擬現實產業發展的指導意見》,從核心技術、產品供給、行業應用、平台建設、標准構建等方面提出了發展虛擬現實產業的重點任務。

在 2020 年 2 月發布《關於運用新一代信息技術支撐服務疫情防控和復工復產工作的通知》,提出要深化增強現實/虛擬現實等新一代信息技術在復工復產中的應用,推廣協同研發、無人生產、遠程運營、在線服務等新模式新業態。同年 3 月出台的《關於推動工業互聯網加快發展的通知》提出引導工業互聯網平台增強5G、人工智能、區塊鏈、增強現實/虛擬現實等新技術支撐能力,強化設計、生產、運維、管理等全流程數字化功能集成。

國家發改委在“互聯網+”領域創新能力建設專項中,提出建設虛擬現實/增強現實技術及應用創新平台,促進虛擬現實在互聯網醫療救治等領域的應用。在2019 年將虛擬現實列入《產業結構調整指導目錄》中的鼓勵類產業,同年 12 月聯合教育部、民政部、商務部等七部委發布《關於促進“互聯網+社會服務”發展的意見 》,提出支持引導虛擬現實/增強現實等產品和服務研發,培育壯大社會服務新產品新產業新業態。

2020 年《關於促進消費擴容提質加快形成強大國內市場的實施意見》中指出要加快發展超高清視頻、虛擬現實等新型信息產品,助力形成強大國內市場。科技部在“十三五”中將虛擬現實列入現代服務業、健康產業、醫療器械、中醫藥科技、技術標准科技等領域的創新規劃中,並聯合中宣部於 2019 年發布《關於促進文化和科技深度融合的指導意見》,提出加強包括 VR/AR 虛擬製作在內的文化創作、生產、傳播和消費等環節共性關鍵技術研究以及高端文化裝備自主研發及產業化。

文化和旅遊部 2016 年出台的《關於推動文化娛樂行業轉型升級的意見》將虛擬現實、增強現實做為游戲游藝設備創新的重要支撐,2020 年底發布的《關於推動數字文化產業高質量發展的意見》明確指出要引導和支持虛擬現實、增強現實等技術在文化領域應用,推動現有文化內容向沉浸式內容移植轉化。

教育部在《教育信息化“十三五”規劃》中把加快推進示範性虛擬仿真實驗教學項目建設列入深入推進信息技術與高等教育教學深度融合工作,在 2018 年《教育信息化 2.0行動計劃》中提出為結合 5G 技術發展,將以國家精品在線開放課程、示範性虛擬仿真實驗教學項目等建設為載體,加強大容量智能教學資源建設。

同年發布《普通高等學校高等職業教育(專科)專業目錄》中增設“虛擬現實應用技術”專業,據不完全統計至 2020 年已有七十餘所高職院校開設虛擬現實應用技術專業。在 2019 年《關於加強和改進中小學實驗教學的意見》中指出,要創新實驗教學方式,可用增強現實、虛擬現實等技術手段呈現不宜現場操作的實驗。

衛健委在《“十三五”健康產業科技創新專項規劃》中提出重點發展虛擬現實康復系統等智能康復輔具,加快增強現實、虛擬現實等關鍵技術的應用突破,提高治療水平。

▲我國各部委虛擬現實領域相關政策

各地政府積極推進本地虛擬現實產業發展。自 2018 年底工信部出台虛擬現實產業發展指導意見後,各地隨之出台適配本地情況的扶持政策,比之 2016 年產業元年的概念熱潮,此輪地方產業政策聚焦終端設備規模上量、優質內容製作聚合、行業應用落地實踐、雲控網聯平台支撐推廣、融合創新中心建設運營等更加切實的產業問題。綜合各地現狀,虛擬現實發展情況可大致歸納為 ICT 優勢、特色領域以及政策驅動多類。其中,北上廣深等優勢型城市具備較為完整成熟的ICT 產業鏈條,專利持有量位居全國前列,投融資事件相對活躍。

03.

創新應用分析

1、虛擬現實+ 商貿會展:後疫情時代的未來會展新常態

在商貿會展領域,針對線下會展參與可行性與便利性、固有組織成本、傳統線上活動感官認知與互動體驗受限等現狀問題,虛擬現實有助於實現會展組織由以活動議程為中心向與會體驗為中心的方向轉變,將成為未來會展發展的新動能與新常態。

2020 年新冠疫情對千行百業帶來巨大沖擊,生產停滯致使供應鏈斷裂,供需雙方亟待重新接續。在這一背景下,國家大力倡導“雲上會展”,以“雲展示、雲對接、雲洽談、雲簽約”實現遠程多方協作,喚醒企業運營活力。2020年 11 月國務院《關於推進對外貿易創新發展的實施意見》中指出,利用 5G、VR/AR 等現代信息技術開拓市場,推進展會模式創新,探索線上線下同步互動、有機融合的辦展新模式。

以雲化架構為引領,業界積極探索虛擬現實在各類細分會展場景的技術實施路徑與業務發展範式。從會展形式看,可分為僅線上與線上線下相融合的參與方式,遠程與會者可通過自拍視頻前後景摳像或3D 虛擬化身方式線上接入,且交互空間可根據業務實際由 3DoF 擴展至 6DoF。

從技術支撐看,沉浸聲場成為 VR/AR+會展業務的剛需技術,聽音辯位、背景降噪、定向增強與空間混響有助於營造線上會議的臨場感。此外,雲上會展的業務架構有助於實現虛擬現實終端瘦身,並將自拍摳像、虛擬化身、環境渲染、視頻融合、沉浸聲場、6DoF定位追蹤等計算處理任務向雲邊卸載。

從場景功能看,論壇、圓桌、聚會、展覽已成為虛擬現實商貿會展的重點場景。以線上線下相結合的展覽場景為例,身在展廳現場的觀眾與廠方講解者可借助 AR 眼鏡(或展位大屏)同遠程與會者交流互動,且線上觀眾如臨會場,聲音方位始終與其虛擬化身位置、現場人員方位朝向實時適配。

對於遠程觀眾而言,通過佩戴 6DoF VR 頭顯可在多個不同展位間逛覽,對感興趣的展品內容湊前交流或同其他線上線下觀眾在展位外公共區域交流停歇。此外,若廠方講解者未在展位現場,亦可通過 VR 終端遠程接入,進而與現場與遠程觀眾同步互動。當前,業界積極探索加載虛擬現實技術的新一代的雲上會展方案,為降低參展企業雲展會的落地實施門檻,其平台易用性得到了普遍關注。

例如,華為公司 2020 年推出商臻雲展廳解決方案採用雲渲染+3D 模型+VR 全景技術模擬線下場景,觀眾可在虛擬場景中以自由視角逛展。同時,通過 3D 環拍、3D 模型等三維商品展示方式,可進一步改善傳統線上 2D 圖片觀眾體驗受限的痛點問題。另外,參展企業可套用不同搭建模板快速布展,附帶虛擬講解員 VR 帶看服務,並基於雲平台編解碼、邊緣推流、跨平台分發、8K FOV、CDN、5G 網絡分片等技術等保證雲上會展的體驗流暢性。

2、虛擬現實+ 工業生產:企業數字化轉型的新動能

在工業生產領域,針對產品復雜度的不斷提升、技能嫻熟工人的緊缺、設計開發與規劃生產的協同、營銷與銷售績效的壓力等問題,虛擬現實作為新一代人機交互工具,可為開發設計、生產製造、營銷銷售、運營維護等人員連接起數字世界和現實世界,提升企業數字化轉型過程中從多元數據獲取洞察的能力與水平。

當前,諸多工業企業積極開展數字化轉型的頂層設計與系統實踐,但在製造、營銷等特定領域,員工往往與企業內其他職能所依賴的豐富信息生態系統脫節,如工廠車間的多數員工依靠傳統工具和方法來收集信息和分享知識。通過虛擬現實這一創新方式有效連接這些員工,組織可以優化人員績效、降低生產成本、提升產品質量,同時提高效率並促進內部專業知識普及。

虛擬現實在工業領域的應用場景可貫穿產品的全生命週期,發展階段也從起初驗證探索向現實環境落地。在製造環節,客戶要求製造商提供全新的創新產品,增大產品差異化,縮短交付時間並提高質量。復雜性並非某種新趨勢,但為解決不斷發展的產品組合覆蓋面和復雜度問題,製造商須建立更多產線,或提高現有產線的可用性、生產力和靈活性。

企業越來越多地使用先進製造技術,裝配工、操作員和技術人員負責執行的任務種類也相應增多,復雜的產品帶來了復雜的操作,拉升了員工整體技能要求,而不斷流動的員工影響了優質勞動力的供給。在裝配/運維場景,基於虛擬現實的工作說明顯著優於以往靜態參考圖片,依託遠程協助、3D 可視化、實時診斷與反饋等功能特點,可提高按時交付率、產能利用率、首次修復率、新人培訓效率,減少返工、廢料與不合格率。

3、虛擬現實+地產營銷:行業差異化競爭必由之路

在地產營銷領域,針對線上看房難以直觀清晰瞭解房屋全貌及諸多細節、遠程看房缺乏實時互動體驗等現狀問題,依託虛擬現實技術,大眾可獲得房屋翔實的三維復刻體驗,並根據用戶偏好即時生成未來家裝效果預覽,實現“線上身臨其境有溫度,線下未來之家可預見”。

虛擬現實進一步提高了線上看房的信息承載含量與質量,助力用戶決策,日漸成為地產營銷差異化競爭的必由之路。有別於傳統 2D 照片與視頻,VR 可以更加清晰地呈現出房源的三維結構、尺度信息、整體戶型、內部裝修以及房間細節等信息,提高供需對接效率。

據不完全統計,虛擬現實+地產營銷應用可提升房源約看量 100%以上,線下看房時長縮短約 10%,房均成交週期縮短約 5%。借助 VR 掃描相機,可對房屋進行多點多角度掃描,並與彩色鏡頭拍攝的全景照片數據相結合,修正全景照片畸變,在雲端重建出房屋完整的 3D 彩色模型。

通過上述過程重建房屋空間數字信息,用戶可自主變換觀察角度與位置,不再受限於以往固定位置、固定視角的 2D 房屋圖像。以 VR 看房代表性企業為例,對於不同場景、不同精度的差異化 3D 重建需求,貝殼·如視構建了包括激光、結構光、全景相機、手機在內的多元化解決方案,截止到 2020 年底,已在全國 180 多個城市採集、創建並上線超過九百萬套 VR 空間,用戶日均 VR 使用時間超過 22 萬小時。

與傳統線上房源呈現形式相比,瀏覽時間提升 270%。在線上 VR 定製裝修設計場景中,用戶僅需提供設計效果需求,即可獲得自動生成包含平面視圖、硬裝軟裝搭配、三維效果在內的全屋設計方案,用戶可在“裝修”後的客廳、臥室各功能區移步換景,查看細節。

在 AI 設計方案基礎上,用戶可按照喜好參與到家裝設計中來,自主更改家居風格、拖拽和替換家居物品,實時渲染完成相應裝修 3D 效果,如貝殼未來家 AI 設計業務等。在線下家居佈置效果 AR 預覽場景中,房屋交易中線下看房難以取代,客戶現場看房時會根據房間空間位置等信息,設想未來室內家具佈置效果。由於空間尺寸不精確、受房間當前雜亂陳設等影響,以往用戶只能“粗放設計”。

借助 AR 技術,用戶不受當前房屋環境客觀限制,以虛實融合的方式即刻預覽未來裝飾效果,給客戶帶來對房屋空間的切實感知和全新想像。此外,虛擬現實+地產營銷已成為 5G 首批規模商業應用。

在 4G 時代的看房業務,由於受限 4G 網絡並考慮瀏覽經濟性,需要將 150MB(以一套 100 平米房屋為例)的 3D 高清數據壓縮數倍,致使部分細節呈現失真乃至丟失。隨著 5G 的正式商用,其大帶寬和低時延的技術特性,使 3D 數據的快速傳輸成為可能,為用戶帶來高清房源即點即看的進階體驗。另外,相比 4G 網絡下用戶瀏覽 VR 房源實景的效果(單流),5G 大帶寬能力可輕松實現雙流高清數據同時傳輸,在用戶手機上同步呈現裝修前實景圖和雲端渲染後裝修設計效果。

4、虛擬現實+醫療健康:傳統醫學手段的有效補充

在醫療健康領域,針對醫生短缺、醫療資源分佈不均、診療方式單一等現狀問題,虛擬現實的高沉浸性、高可重復性、高定製化性、遠程可控性等特點,有助於豐富教學和診療手段、降低治療風險、提高設備利用率、促進高素質人才和醫療資源下沉,為醫患雙方創造便利條件,推動醫療准確性、安全性與高效性的持續進階。現階段虛擬現實+醫療尚無法完全取代真實診療過程,但現已作為傳統醫學手段的有效補充,具備規模推廣的條件,有望成為醫療行業的重要輔助技術手段之一。

虛擬現實+醫療廣泛用於模擬醫學、醫療工具、診療方案方面,主要涉及醫學教育培訓、心理/精神疾病治療、強化臨床診治、醫學康復護理和遠程醫療指導等業務場景。其中,基於虛擬現實的醫學教育培訓便於醫學用戶以更加直觀、高效、安全的方式學習專業知識,實踐專業技能,同時有助於節省醫學教育成本。如緩解瞭解剖醫學解剖樣品供應嚴重短缺,幫助醫學生在虛擬手術台上反復練習,加快對解剖結構的理解,解決了醫生職業的准入門檻高、在夯實基礎知識的同時需要配合大量解剖練習掌握實戰技巧等問題。

此外,可面向外科醫生在重大手術前開展模擬和訓練,進而對手術過程中可能出現的問題提前預知,如 Level Ex 通過對人體組織動力學、內窺鏡設備光學和運動流體的現實模擬,針對外科手術醫生提供了一種避免對人產生傷害的手術訓練方式;心理/精神類疾病診治中採用虛擬現實療法可免於創建真實治療環境,通過為患者模擬不同的環境場所,提供認知行為刺激或進行暴露療法,刺激病患大腦中相關的感應區,提供了一種治療心理精神類疾病的無藥物方法,且患者可居家治療。如凡聚科技構建出可誘發心理障礙患者恐懼和焦慮等情緒的虛擬場景,通過暴露療法治療恐高症、幽閉恐懼症患者。

Relax VR 模擬海灘、海洋、海風、海浪等場景,對用戶進行放鬆,緩解其壓力、焦慮和抑鬱;臨床診療強化借助 VR 技術對患者病灶體征等進行實時模擬,可應用於臨床疾病輔助診斷,達到減少疼痛、消除患者緊張和恐懼效果,幫助醫生獲取更加全面的病患信息,減少患者在就診過程中不便,如手術計劃協助系統可通過計算機斷層掃描(CT),磁共振(MR)、超聲心動圖和 C 型臂透視圖像,創建器官、血管等 3D 全息影像,醫生可借此與患者交流病情,識別最佳的治療方法,進行針對性的術前規劃,從而達到更好的治療效果;醫學康復護理借助虛擬現實訓練內容為患者的神經系統提供有意義的刺激,同時利用多感覺訓練來改善大腦的神經可塑性,從而引起功能恢復。

VR 讓患者在虛擬環境中扮演角色,充分調動利用患者自主性,通過訓練動作與之進行交互,虛擬環境及時給予患者評估和反饋,充分激發患者參與治療積極性,使被動治療變為主動治療。如微軟開發的 VR 系統 Canetroller,創新性地將視障人員視覺性體驗轉換為聽覺體驗。MindMaze 專注於將虛擬現實與運動捕捉技術與腦機界面相結合,改善患者中風康復治療;遠程醫療指導通過超高清回傳再現的 VR/AR 視頻,結合反饋設備為遠程支援醫生提供更真實的病況,可為病人提供高階會診服務,提高手術成功率。

5、虛擬現實+ 教育培訓:教學模式由被動接受向自主體驗升級

在教育培訓領域,針對傳統教學過程中部分課程內容難於記憶、難於實踐、難於理解等現狀問題,虛擬現實有助於提升教學質量與行業培訓效果。在面向大眾的教育教學方面,Edgar Dale 的“學習尖塔”理論認為,學生對於學習情境的參與度越高,記憶就越牢固,借助體驗習得的知識經驗效率遠高於傳統教學培訓方式(文字符號、錄音廣播、靜態圖片等)。

依託虛擬現實技術,學生通過與各種虛擬物品、復雜現象與抽象概念進行互動,得以身臨其境的體驗現實世界中難以實現的“實操”機會,進而激發學習熱情,增強注意力水平,提升知識保留度,降低潛在安全風險。此外,虛擬現實有助於輔助教師高效授課,釋放新一代信息技術帶來創新潛力。

在教育部等多部委聯合印發的《教師教育振興行動計劃(2018—2022 年)》中指出,要充分利用虛擬現實等新技術,推進教師教育信息化教學服務平台建設和應用,推動以自主、合作、探究為主要特徵的教學方式變革。在面向企業的技能培訓方面,根據各類企業培訓目標定位的差異,通常可分為面向任務過程的培訓、多人協同設備設施培訓與基於 AI 的軟技能培訓等。

與 K-12 等具備標准課程設置的教育市場不同,企業市場中 VR 培訓在各垂直行業呈現高度定製化、情景長尾化的特點,且對 VR 創新應用項目的投資回報要求更為明確。例如,在面向石油化工行業的職業教育領域,易智時代依託雲 VR 平台為石化企業員工提供了設備操作演練、工藝流程模擬、安全事故還原、結構原理講解、智能巡檢、技能考核等多場景的垂直行業 VR 培訓解決方案,旨在提高培訓效果與效率。

6、虛擬現實+ 文娛休閒:新型信息消費模式的新載體

在文娛休閒領域,針對傳統文娛體驗互動性有限、社交性不足、體驗形式單一等現狀問題,虛擬現實支持融合型、分享型和沉浸型數字內容與服務,有助於圍繞信息技術融合創新應用,打造信息消費升級版,培育中高端消費領域新增長點。虛擬現實在文娛休閒中主要用於商超、旅遊、社交、游戲、劇集與活動直播等應用場景。作為高頻次、大流量、趨勢性的消費場景,智慧商業綜合體匯集人流、物流、資金流和信息流,是推廣信息化應用和培育新型信息消費模式的新載體和理想試驗田。

以數字化賦能實體商業,以流量平台激活實體商圈,以虛擬現實場景引領消費新時尚,推進商業綜合體和萬家實體商戶上雲用數賦智,是推動消費業態推陳出新,深化商旅文體協同,提升綜合體、消費者和商戶的獲得感,滿足人民群眾對美好生活的需要的關鍵舉措。

2020 年中國電信推出了 5G MEC 商業綜合體雲 XR 數字孿生平台,面向商家提供了基於 MEC 的商場信息化應用、數字孿生系統、客流軌跡精細化分析等應用,面向消費者提供了虛擬導購、虛擬景觀、紅包探寶、點評導航、娛樂空間、虛擬化身直播等功能,旨在加速推動虛擬現實等新型智能交互技術與線下消費場景的深度融合。

2020 年萬達集團舉辦商業中心 5G 創新應用大賽,並聯合產業夥伴發布《商業中心 5G 創新應用白皮書》,XR 成為商業中心智能服務的核心業務。智慧旅遊方面,AR 實景導覽與 VR 行前預覽,豐富了景點的游覽方式,營造沉浸式的互動體驗。

如通過將莫高窟景區文物與風景融合呈現,華為河圖實現了自動識物的自助講解、文物復原、場景再現等功能,幫助遊客對景觀概要“知其然,亦知其所以然”。線上社交方面,虛擬現實通過手勢識別、虛擬化身、表情識別等更加個性化、更具表現力、日益豐富沉浸的互動形式,突破了傳統線上社交的體驗瓶頸,開啟了網絡社交 2.0。

2020 年臉書啟動 VR 社交平台Horizon 試運營,用戶可利用 Grant 等創作工具自行構建可與他人共享的虛擬世界互動體驗。3D 游戲方面,成熟的受眾群體以及玩家對於新技術的積極態度使得虛擬現實游戲成為文娛休閒領域的市場重點。

Valve 推出的首款 VR 游戲《半條命:艾利克斯》成為 2020 年VR 游戲爆款,該游戲在物品場景互動性、畫面細節擬真度等方面進步顯著,為 STEAM VR 平台新增發展百萬用戶。劇集視頻及活動直播方面,VR 巨幕影院、360 3D 視頻等媒體形式突破屏幕尺寸和空間位置的限制,為用戶提供影視作品、綜藝節目、體育賽事、風景名勝等內容題材,並引入社交互動元素,給用戶帶來新的觀賞體驗。

智東西認為,VR和AR與“新基建”背景下的多個重點領域密切相關。在今年新冠疫情的影響下,視頻社交、視頻會展等虛擬現實創新應用市場逆勢增長,表現出對新型基礎設施更加迫切的需求,並對通信基礎設施的帶寬、時延等網絡傳輸能力、對算力基礎設施的計算、存儲能力提出了不斷進階支撐要求。2020年,VR、AR迎來了快車道的發力窗口期,我國在這個行業中的很多細分領域與國際差距不大,若能抓住此次機遇,未來會早就一個國際領先的產業鏈條。

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