泛VR時代來臨

文/曹煊

泛VR時代來臨

文/曹煊

縱觀全球，虛擬現(xiàn)實已經(jīng)進入泛VR時代，不再只是戴在頭上的VR頭盔，還包括AR/MR眼鏡、全景直播、光場采集、模擬仿真、3D建模、全息顯示等多方面的技術(shù)應(yīng)用。其發(fā)展態(tài)勢可以總結(jié)為：四大發(fā)展瓶頸（內(nèi)容短缺、價格偏高、VR眩暈、互聯(lián)互動）、三大支柱產(chǎn)業(yè)（移動處理器、顯示器件、光學器件）、兩個關(guān)鍵技術(shù)（定位技術(shù)、光場技術(shù)）和一個核心價值（為用戶創(chuàng)造價值）。

曹煊

中國科學院自動化研究所博士

泛VR時代開啟

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）經(jīng)過幾十年的技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，尤其是經(jīng)過了21世紀前十年的VR沉默期后，以2016年為元年的新一次VR浪潮蓄勢而發(fā)，相比于前幾次VR浪潮都來勢更猛。放眼全世界，本次VR浪潮技術(shù)儲備更成熟，資本更充裕，參與企業(yè)更多，而且技術(shù)體現(xiàn)形式更多樣化，全球虛擬現(xiàn)實行業(yè)已經(jīng)進入了一個“泛VR”時代。當談及VR時，已經(jīng)不僅僅局限于戴在頭上的VR頭盔，還包括模擬仿真、增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）、混合現(xiàn)實（Mixed Reality，MR）、全景直播、光場采集、3D建模、全息顯示、數(shù)字人臉等，它們都可以劃歸為泛VR 領(lǐng)域。

泛VR時代的發(fā)展態(tài)勢可以總結(jié)為：四大發(fā)展瓶頸、三大支柱產(chǎn)業(yè)、兩個關(guān)鍵技術(shù)和一個核心價值。四大發(fā)展瓶頸包括：內(nèi)容短缺、價格偏高、VR眩暈、互聯(lián)互動。三大支柱產(chǎn)業(yè)包括：移動處理器、顯示器件、光學器件。兩個關(guān)鍵技術(shù)包括：定位技術(shù)、光場技術(shù)。一個核心價值：為用戶創(chuàng)造價值。VR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可謂日新月異。

四大瓶頸構(gòu)成未來攻堅方向

內(nèi)容短缺：VR需要3D內(nèi)容，傳統(tǒng)2D內(nèi)容無法在VR頭盔上顯示，因此VR內(nèi)容的現(xiàn)有量幾乎為零，只能重新制作。VR內(nèi)容的制作包括計算機生成和現(xiàn)場采集兩種方式，計算機生成主要通過Unity3D Unreal等3D引擎完成，開發(fā)技術(shù)門檻高?，F(xiàn)場采集需要昂貴的全景設(shè)備，普通消費者難以承受。反觀當前的2D內(nèi)容制作，每一個智能手機用戶都是制造者，其制作的內(nèi)容也可以在智能手機用戶間輕松分享，而VR內(nèi)容的制作還遠遠不具備這樣的廉價性和易分享性。

價格偏高：放眼全球，資本方和技術(shù)方都對VR趨之若鶩，市場也表現(xiàn)出極大興趣。然而大部分用戶止步于體驗，購買意愿并不強烈。艾媒咨詢數(shù)據(jù)顯示，受訪的中國手機用戶中28.7%表示愿意購買VR產(chǎn)品，而在剩下71.3%中有40.4%因為價格太高而不愿購買。在美國等西方國家C端用戶消費能力更強，這個局面略有好轉(zhuǎn)但也仍不及資本方預(yù)期?，F(xiàn)階段VR一個發(fā)展趨勢是維持C端技術(shù)開發(fā)，轉(zhuǎn)投B端盈利造血。

VR眩暈：VR眩暈主要由兩方面的生理沖突所導(dǎo)致，一方面是視覺與內(nèi)耳半規(guī)管之間的沖突，另一方面是雙目視差與睫狀肌屈張之間的沖突。人的視覺系統(tǒng)會幫人們感知自己在三維空間中的運動狀態(tài)，閉上雙眼走直線都非常困難。大腦同時會根據(jù)內(nèi)耳半規(guī)管內(nèi)淋巴液的流動判斷當前頭部的運動狀態(tài)，半規(guī)管內(nèi)的淋巴液就像“半瓶水”一樣，當人體原地旋轉(zhuǎn)多圈后突然停下，“半瓶水”還在晃動，就會引起眩暈。當我們體驗過山車的VR游戲時，視覺信息告訴大腦我們正處于高速運動中，而我們身體卻坐在椅子上靜止不動，此時通過視覺感知到的運動信息和通過半規(guī)管感知到的運動信息發(fā)生沖突，從而產(chǎn)生VR眩暈。人通過雙眼視差可以感知物體遠近距離，同時人的單眼也可通過聚焦狀態(tài)來感知物體遠近距離。雙目視差告訴大腦高山很遠，手中的小鳥很近。而由于VR屏幕與人眼的距離始終固定，人眼始終聚焦在固定距離上。人眼不能在遠處的高山和近處的小鳥之間切換聚焦狀態(tài)，從而通過雙目視差感知到遠近距離與通過聚焦狀態(tài)感知的遠近距離產(chǎn)生沖突，這是導(dǎo)致VR眩暈的第二個原因。這兩方面問題分別需要定位技術(shù)和光場技術(shù)解決，這將在后面結(jié)合具體產(chǎn)品分析。

互聯(lián)互動：國際上有一種聲音，認為VR將是繼智能手機后下一代計算平臺（Computing Platform）。我贊同這個觀點，但還有很多問題需要克服，其中一個主要問題是VR用戶的互聯(lián)互動。以VR軍事訓(xùn)練為例，士兵可以在VR的世界里訓(xùn)練反恐、營救、操作大型設(shè)備等，但目前都只能是單兵作戰(zhàn)，而不能多士兵共同協(xié)作完成任務(wù)。要實現(xiàn)世界級的廣域VR互聯(lián)，面臨著更大挑戰(zhàn)，例如VR數(shù)據(jù)壓縮和傳輸，VR標準統(tǒng)一等。只有當VR用戶能夠像使用智能手機一樣暢通無阻互動時，才具備了成為下一代計算平臺的基礎(chǔ)。

三大支柱產(chǎn)業(yè)由國外企業(yè)壟斷

很多人認為在虛擬現(xiàn)實行業(yè)，國內(nèi)和國外處于同一起跑線，但這個說法只是部分正確。虛擬現(xiàn)實相關(guān)技術(shù)專利主要被美國和日本的專利權(quán)人所有，美國握有專利權(quán)大約67.7%，日本大約占有17.5%。

目前，移動處理器、顯示器件、光學器件是虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)的三大核心組成部分，但卻無一例外被國外企業(yè)所壟斷。國內(nèi)唯一與虛擬現(xiàn)實國際前沿處于同一水平的是相關(guān)核心算法。隨著國外大批相關(guān)領(lǐng)域的專家教授回國發(fā)展，包括光場、定位、光學設(shè)計等核心技術(shù)也在國內(nèi)快速發(fā)展。

資本的瘋狂引發(fā)了創(chuàng)業(yè)公司的瘋狂，VR創(chuàng)業(yè)公司如雨后春筍般冒出。企業(yè)搭便車現(xiàn)象嚴重，一哄而上，原本高端的VR產(chǎn)業(yè)變得低端化。這一現(xiàn)象在國內(nèi)尤為明顯。而VR創(chuàng)業(yè)公司財力有限，沒有涉足到上述的三大支柱產(chǎn)業(yè)。移動芯片市場主要被高通、蘋果、聯(lián)發(fā)科、三星所占有，其中高通就占據(jù)了約47%的市場（2015年數(shù)據(jù)）。VR顯示屏一直被三星所壟斷，主流的VR設(shè)備HTC Vive和Oculus Rift均采用三星的OLED顯示屏。VR光學器件，尤其是光波導(dǎo)顯示模塊和微投影儀模塊，國內(nèi)還沒有獨立自主的商業(yè)化產(chǎn)品。

當然，國內(nèi)也仍然存在著VR領(lǐng)域的佼佼者，他們大多是從國外帶著一流技術(shù)回國的專家、教授。例如北京的耐得佳公司就是專門從事VR/AR眼鏡中光學器件設(shè)計和開發(fā)的公司，在光學模組上躋身國家一流水平。再如，提供VR/AR內(nèi)容光場解決方案的上海疊境數(shù)字科技，其創(chuàng)始人虞晶怡教授，有著麻省理工學院的研究背景，在光場采集和渲染方面有著十多年的研究，是業(yè)界公認的頂級專家。

兩個關(guān)鍵技術(shù)緩解眩暈難題

定位技術(shù)：當頭部旋轉(zhuǎn)或移動時，VR頭盔需要及時顯示對應(yīng)視點下的畫面。當畫面沒有及時更新，就會導(dǎo)致上述的感知沖突從而引起VR眩暈。定位技術(shù)對于VR體驗尤為重要，當定位精度低時會產(chǎn)生視覺錯位。目前主流VR設(shè)備的定位都依賴于獨立的外部設(shè)備，因此硬件成本較高，且定位范圍被限制。HoloLens采用的SLAM定位技術(shù)依賴于頭盔自帶的深度相機，從而可以在自然場景中被定位。

光場技術(shù)：位于美國佛羅里達的Magic Leap獲得來自谷歌、阿里巴巴等公司累計融資達近14億美元（截止到2016年2月），其核心技術(shù)之一就是光場。光場是一種對空間中光線集合的描述，可以簡單理解為數(shù)字化的離散的全息?，F(xiàn)階段的VR頭盔會引導(dǎo)眼睛聚焦在固定距離的顯示屏上，而光場顯示技術(shù)允許用戶自由聚焦在不同的平面上，觀看虛擬場景更加自然逼真，同時睫狀肌得到舒張和收縮，減緩了VR眩暈和人眼疲勞。

上述單方面的技術(shù)只能在一定程度上減輕VR眩暈問題，徹底解決需要同時具備上述兩方面的技術(shù)。得益于深度傳感器和計算機視覺算法的飛速發(fā)展，定位技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟，已經(jīng)應(yīng)用在國內(nèi)外的VR/AR產(chǎn)品中，例如HTC Vive、Oculus Rift、HoloLens。相比之下，光場技術(shù)仍然屬于黑科技范疇，一直被斯坦福和MIT等少數(shù)研究組織所引領(lǐng)。斯坦福的某團隊一直與谷歌合作開發(fā)光場相關(guān)技術(shù)。Oculus也招募了一些在MIT研究光場的專家?？梢姽鈭霾⒎荕aglic Leap所獨有，其他的巨頭公司也都在布局光場技術(shù)。國內(nèi)研究光場技術(shù)的公司屈指可數(shù)。

一個核心價值：為用戶創(chuàng)造價值

如前所述，泛VR已經(jīng)成為萬金油，可應(yīng)用在很多行業(yè)。準確市場定位能促使泛VR行業(yè)健康快速發(fā)展。智能手機是一種具有移動處理能力的通訊工具，本質(zhì)上是一種工具。VR/AR應(yīng)該定位為一種增強人感知能力的工具，當它能為用戶帶來價值時，用戶愿意把時間花在這種工具上。英國手機保險公司MobileInsurance. co.uk的一項調(diào)查表明，英國人平均每天使用手機90分鐘?！吨袊?jīng)濟生活大調(diào)查》數(shù)據(jù)顯示中國人平均每天休閑2.55小時，其中 1/3時間在玩手機。在特定領(lǐng)域（醫(yī)療、培訓(xùn)、游戲等）VR會在特定的時間段被使用。在日常生活中，AR可以隨時被使用。單獨的一天內(nèi)難以反映出VR/AR用戶的在線時間，因此采用“一周累計使用時間”來衡量用戶對于VR/AR的依賴程度。如果一款VR/AR產(chǎn)品的用戶一周累計使用時間接近手機的一周累計使用時間，這款產(chǎn)品無疑為用戶創(chuàng)造了價值。

VR設(shè)備主要可以分為六種：手機盒子（CardBoard）、手機嵌入式VR（Gear VR）、VR一體機（九又VR）、VR分體機（Pico）、背負式VR（MSI）、PC式VR。手機盒子VR因其價格低廉是目前出貨量最大的VR產(chǎn)品。但認可度較高的VR設(shè)備都是PC式VR，主要包括HTC Vive、Oculus Rift和Sony PSVR（PS游戲機可以認為是類似PC的臺式獨立處理器）。

顯示屏選擇上，三大主流VR設(shè)備都采用了OLED屏，因其余暉低，刷新率高，可以獲得更好VR體驗，但顯示分辨率仍有待提高，而4K顯示屏已經(jīng)用在智能手機上，應(yīng)用在主流VR頭盔中是遲早的事。Sony采用ATW異步時間扭曲技術(shù)，在幀與幀之間插幀彌補幀率的不足，降低了對處理器性能要求同時又保持高幀率顯示，因此其顯示刷新率達到了120Hz。隨著VR需求增長，移動處理器性能必將進一步提高，尤其是圖形圖像處理器會成倍提高。

三大主流VR設(shè)備的FOV大約都在100°-110°，這主要是受光學透鏡的限制，而人眼的FOV大約為160°最佳?？梢酝ㄟ^采用更大的OLED屏來獲得更大的FOV，但也會導(dǎo)致VR頭盔變得更大。最佳的解決方案是設(shè)計焦距更短、出瞳距離更大的光學透鏡，但也會導(dǎo)致透鏡變得很厚很重。因此HTC Vive和Oculus Rift均采用菲涅耳透鏡（Fresnel Lens），既保證了較好的光學性能，又能保證透鏡輕薄，但要求菲涅耳透鏡的螺紋足夠細才能獲得良好VRml體驗，這對光學器件的加工提出了很高要求。目前國際上也在嘗試用新材料來制造光學透鏡，相信未來VR頭盔會變成VR眼鏡，兼顧輕薄和大視野。

三大主流VR設(shè)備的定位技術(shù)各不相同，HTC Vive采用美國Valve的Light House技術(shù)，其原理是紅外光發(fā)射器依次在水平和垂直方向上掃描，Vive頭盔和手柄控制器上的紅外光敏會依次被掃描“激活”，通過每個紅外光敏被激活的時間差算出位置和姿態(tài)，其定位精度高（毫米級），定位范圍較大（4.5米×4.5米），定位速度快，且支持多人定位。今年8月Valve已經(jīng)決定將Light House定位技術(shù)對更多的VR廠商開放授權(quán)，這意味著Light House定位技術(shù)未來或許會出現(xiàn)在HTC Vive以外其他VR產(chǎn)品中。OculusRift采用紅外主動光定位技術(shù)，在其頭盔上隱藏著多個紅外發(fā)光管，人眼看不見，但其支架上外形酷似麥克風的紅外相機卻能看見，通過解算頭盔上紅外光點的位置關(guān)系可以求解出頭盔的位置和姿態(tài)。其定位精度較高，定位范圍相對較小，通過多個紅外相機的配合也能實現(xiàn)類似Vive的Room-Scale定位。相比之下，PSVR采用的可見光主動定位技術(shù)在精度、魯棒性上都較前兩者要差。因為可見光容易受到環(huán)境光的影響，會出現(xiàn)定位錯誤的情況。

表 三大主流VR設(shè)備對比

三大主流VR設(shè)備都不支持焦距調(diào)節(jié)，這意味著近視人群需要同時戴上近視眼鏡和VR頭盔。國內(nèi)的一些VR頭盔支持焦距調(diào)節(jié)但會降低VR體驗。雙眼的水平距離，又稱為瞳距，因人而異，一般在55mm到75mm之間。三大主流設(shè)備都支持瞳距調(diào)節(jié)，當不同的用戶佩戴時需要重新調(diào)節(jié)瞳距，如果能設(shè)計出瞳直徑更大的透鏡，就無需調(diào)節(jié)便可滿足不同瞳距人群的佩戴要求。

三大主流VR設(shè)備都自帶麥克風，這是為了便于不同VR用戶之間語音溝通。HTC Vive還支持連接手機，可以通過VR頭盔查看消息、接聽電話。在VR廣域互聯(lián)互動方面，Oculus Rift有著更大的天然優(yōu)勢，其背后的Facebook已經(jīng)形成了一張覆蓋全世界的用戶網(wǎng)，相信未來Oculus Rift將會首先將VR應(yīng)用在社交中。相比之下，Sony PSVR在VR游戲方面儲備了更多的內(nèi)容資源，用戶基礎(chǔ)更廣，在VR社交方面的進展還比較緩慢。

就在十幾天前，三大主流VR設(shè)備都采用有線傳輸，本來就雙眼蒙蔽的用戶極易被線纜絆倒。而就在今年“雙十一”HTC發(fā)布了TPCAST Vive無線套件，甩掉了VR設(shè)備的長辮子。這是VR產(chǎn)業(yè)的重大進步，同時也說明了VR的春天才剛剛到來，還需要持續(xù)投入，才能收獲秋天的果實。

從三大主流VR設(shè)備采用的芯片可看出，VR產(chǎn)業(yè)的芯片市場被國外半導(dǎo)體廠商所占有。HTC Vive的外設(shè)較多，采用的芯片也較多，整體售價也更高，但VR體驗也更好。至于光場技術(shù)，在已上市的VR產(chǎn)品中還看不到影子。隨著IT巨頭在VR/ AR產(chǎn)業(yè)的持續(xù)投入和光場領(lǐng)域教授專家的技術(shù)轉(zhuǎn)化，光場肯定會成為VR/AR的標配。

結(jié)束語

隨著VR產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展和VR市場擴大，體積、重量、續(xù)航時間、顯示效果等都將大幅改善，VR整體體驗會進一步提升。在眾多VR企業(yè)中，大部分必然會在這次產(chǎn)業(yè)浪潮中被淘汰，關(guān)鍵看VR產(chǎn)品能否為用戶帶來價值，能否讓用戶像依賴手機一樣依賴VR，愿意投入更多時間給它。

未來，VR的概念會消失，因為虛擬部分將變得足夠真實，與現(xiàn)實完全融合在一起，以至于虛擬的就是真實的，真實的也可能是虛擬的，從而不需再區(qū)分。到那時，我們通過VR與朋友享受著沙灘陽光，吃著美味牛排，實際上卻是獨自一人坐在家里，嘴里什么也沒有，然而我們還特別滿足和享受。VR技術(shù)模糊了虛擬和現(xiàn)實的邊界，我們不應(yīng)給VR技術(shù)貼上好或者不好的標簽，因為任何新技術(shù)的出現(xiàn)就必然有它存在的合理性，否則就不會出現(xiàn)。

責任編輯：衛(wèi)麗紅