虛擬現(xiàn)實人機(jī)交互技術(shù)專利分析

隨著計算機(jī)技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)科技的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)從科研階段逐步商業(yè)化進(jìn)入人們的生活。為了給用戶帶來良好的虛擬現(xiàn)實體驗，基于虛擬現(xiàn)實的人機(jī)交互也成為了一個熱門的研究領(lǐng)域。自然和諧并且逼真的人機(jī)交互自然成為虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域中的關(guān)注焦點。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種集成計算機(jī)技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)于一體可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng)。HCI人機(jī)交互是研究人與計算機(jī)之間通過輸入輸出信號相互理解的交流與通信，在最大程度上為人們完成信息管理、服務(wù)和處理等功能。作為計算機(jī)科學(xué)中的一個重要研究領(lǐng)域，人機(jī)交互從計算機(jī)誕生至今已發(fā)展經(jīng)歷了四個主要階段：機(jī)器語言階段，字符界面階段，圖形用戶界面階段和自然人機(jī)交互階段。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到人機(jī)界面中主要有以下幾個方面優(yōu)點：更加逼真的視覺感受、更加自然和諧的操作方式、更加安全、可靠、高效的人機(jī)交互方式和便于實現(xiàn)遠(yuǎn)程人機(jī)交互。

本文在中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）和德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫（DWPI）中，通過檢索、篩選、統(tǒng)計和分析國內(nèi)外有關(guān)虛擬現(xiàn)實的專利申請，梳理了虛擬現(xiàn)實人機(jī)交互技術(shù)專利發(fā)展，并對該領(lǐng)域重點申請人的專利申請以及布局進(jìn)行詳細(xì)闡述。

一、申請趨勢分析

圖1為1998-2019年全球虛擬現(xiàn)實專利申請隨年代變化的情況。隨著計算機(jī)

技術(shù)的飛速發(fā)展以及圖像處理技術(shù)的不斷創(chuàng)新，從圖2可以看出，從2007年開始，全球關(guān)于虛擬現(xiàn)實人機(jī)交互的專利申請開始出現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢，直到2010年進(jìn)入快速增長期。國內(nèi)專利庫中關(guān)于虛擬現(xiàn)實人機(jī)交互的申請出現(xiàn)較晚，直到2008-2009年才有少量申請，從2010年就進(jìn)入快速增長期。隨著全球各大公司在2014-2015發(fā)布了虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品這一高潮期之后，顯示設(shè)備和三維測試能力有待提升，這是導(dǎo)致2018-2019年期間專利數(shù)量下滑的原因之一。

二、技術(shù)原創(chuàng)國分析

圖3顯示了虛擬現(xiàn)實人機(jī)交互技術(shù)原創(chuàng)過分布情況，從各國的專利申請量來看，美國獨占鰲頭，中國、日本和韓國緊隨其后。目前，在國內(nèi)的虛擬現(xiàn)實交互

領(lǐng)域中，國內(nèi)企業(yè)、各大院校研究所的申請占了一定優(yōu)勢，但是相對于其他信息技術(shù)領(lǐng)域，還需進(jìn)一步發(fā)展。

三、全球重要申請人分析

如圖4所示，虛擬現(xiàn)實人機(jī)交互排名前列的申請人，主要集中在美國、日本以及韓國，可見虛擬現(xiàn)實人機(jī)交互這一新興行業(yè)是各大企業(yè)爭相占領(lǐng)的技術(shù)熱點

領(lǐng)域。美國微軟公司的申請量高居榜首，其近年一直大力發(fā)展虛擬現(xiàn)實技術(shù)，索尼公司居于亞軍，谷歌公司、三星以及LG緊隨其后。虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域的后起之秀，亞馬遜、Magic Leap以及Immersion也榜上有名。微軟提出的基于深度相機(jī)的Kinect動作采集裝置，通過機(jī)器視覺的方式獲得手部運(yùn)動狀態(tài)信息。由光學(xué)傳感器通過光線反射時間計算被檢測物體的參數(shù)，使得用戶不需要佩戴額外的穿戴設(shè)備，可以在三維空間中自由活動，并且提供了非接觸的交互體驗。谷歌眼鏡同樣以相機(jī)采集的圖像作為用戶輸入的主要手段。亞馬遜提出的VR購物給用戶購物帶來了全新的體驗。2014 年Magic Leap 曾經(jīng)展示過自己所研發(fā)的同名增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，體驗者會看到細(xì)節(jié)豐富、大小合適的3D 怪獸和機(jī)器人出現(xiàn)在周圍的真實世界當(dāng)中。索尼公司以娛樂業(yè)務(wù)為其發(fā)展的重要支線，在2014年GDC游戲者開發(fā)大會上發(fā)布了PlayStation的VR游戲設(shè)備;通過圖像采集結(jié)合手柄的輸入方式獲得用戶操作。三星公司的Gear VR利用慣性傳感器和手柄采集用戶交互動作，其配合虛擬現(xiàn)實顯示技術(shù)能讓使用者在虛擬世界中進(jìn)行游戲，體驗身臨其境地釣魚或者射擊。

四、技術(shù)發(fā)展演進(jìn)路線

自從20世紀(jì)80年代初Jaron Lanier提出了虛擬現(xiàn)實的概念到2000年之間，虛擬現(xiàn)實技術(shù)處于探索和理論階段，其主要活躍在高等院校和企業(yè)科研的試驗中。在這期間，已經(jīng)逐漸有部分公司開始申請專利，但在全球范圍內(nèi)，每年的申請量也不足50件，依然處于起步期間，主要出現(xiàn)了依托數(shù)據(jù)手套以及慣性測量單元獲取用戶肢體動作，將用戶肢體信息傳遞給處理單元，從而實現(xiàn)人機(jī)交互。2001-2010這十年間，虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐步發(fā)展，隨著計算機(jī)設(shè)備計算能力的提高，涌現(xiàn)出了更多的基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用以及逐步出現(xiàn)了新的人機(jī)交互方式。例如，微軟公司提出了利用深度相機(jī)采集圖片，獲取用戶肢體動作信息，使得用戶徹底擺脫了手持設(shè)備的束縛可以在三維空間自由活動。2011-至今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)快速發(fā)展并且處于市場啟動期，各大公司逐漸發(fā)布虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品，開拓消費市場，以Kinect、Leap Motion、HTC VIVE等產(chǎn)品為代表。預(yù)計在接下來十年，虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品集成度越來越高、產(chǎn)品便捷性、公眾接受度越來越高，具有成熟的技術(shù)支撐以及盈利模式，行業(yè)競爭加劇。

本文結(jié)合國內(nèi)外專利申請的狀況對基于虛擬現(xiàn)實的人機(jī)交互的發(fā)展歷程進(jìn)行了回顧，可以看出人機(jī)交互手段從依托繁重的數(shù)據(jù)采集設(shè)備到無需可穿戴設(shè)備進(jìn)行了質(zhì)的飛躍。到2010年，基于虛擬現(xiàn)實的人機(jī)交互進(jìn)入了快速發(fā)展階段，更多企業(yè)加入到了該領(lǐng)域的競爭中，國內(nèi)的相關(guān)技術(shù)也開始追趕世界水平，但是由于我國的虛擬現(xiàn)實起步較晚，還具有更大的發(fā)展空間。

作者簡介：

王婧（1988-），女，籍貫：四川內(nèi)江，職稱和學(xué)歷：研究實習(xí)員，碩士研究生，研究方向或?qū)I(yè)：人機(jī)交互系統(tǒng)專利審查。