增強現(xiàn)實技術和產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢展望

張楨

1 概述

1.1 增強現(xiàn)實定義與特點

增強現(xiàn)實（Augmented Reality， AR）是一種將計算機實時生成的虛擬信息（圖片、視頻、聲音等）無縫融合到真實世界中，以實現(xiàn)對現(xiàn)實增強的技術。AR具有虛實結合、實時互動、三維注冊（虛擬物體與真實場景在三維空間的一致性，即空間上的整合）3大特點。通過AR技術，體驗者既能看到真實世界，又能通過設備與虛擬世界互動，達到超越現(xiàn)實的感官體驗。

1.2 AR應用領域

AR技術可以幫助使用者解放雙手，實現(xiàn)實時信息展示與交互，能夠有效解決眾多行業(yè)痛點，未來應用和市場潛力巨大。工業(yè)領域，從組裝生產、巡檢質檢到遠程運維，目前已形成了完整、可復制的AR解決方案，成為工業(yè)互聯(lián)網方面的重要應用之一。僅在2020年，已有華菱湘鋼“5G+AR跨國遠程協(xié)同解決方案”、海爾集團“AR智慧工廠”等成功案例落地。安防領域，AR頭戴設備通過與公安專網連接、與航班數(shù)據(jù)實時聯(lián)動等方式，在車站巡查、港口稽查、應急管理等方面發(fā)揮了重要作用。如公安部警采中心采購的北京亮亮視野科技有限公司（以下簡稱“亮亮視野”）AR智能警務眼鏡已在全國多個省市投入實戰(zhàn)，成功抓捕多名在逃人員。文旅方面，通過AR技術可以復原歷史文物，豐富展覽信息。如百度通過AR技術打造的秦始皇兵馬俑展示、圓明園大水法重現(xiàn)等項目，為游客帶來“穿越式”的游覽體驗。

行業(yè)普遍認為，AR技術還將在醫(yī)療、教育、消防等具有市場潛力的重點民生領域進一步開發(fā)應用。隨著企業(yè)持續(xù)深挖垂直領域需求，AR技術在企業(yè)級應用加速推進，即將迎來全面爆發(fā)時期。

2 AR關鍵技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

AR技術具有多領域交叉復合的發(fā)展特性，下面主要介紹近眼顯示、感知交互、網絡傳輸?shù)汝P鍵技術。

2.1 近眼顯示

近眼顯示光學模組是AR硬件的核心，占AR硬件成本的50%左右，也是主要技術瓶頸之一。AR近眼顯示系統(tǒng)主要包括光學器件和微顯示屏（圖1）。

2.1.1 光學器件

根據(jù)光學原理的不同，AR光學器件可分為棱鏡式、自由曲面（自由曲面棱鏡、自由曲面Birdbath）、陣列波導、衍射光波導（表面浮雕、體全息、超表面）等多種技術類型。其中，棱鏡式、自由曲面技術發(fā)展相對成熟，已實現(xiàn)低成本量產，國際上以谷歌、愛普生等企業(yè)為代表，國內主要企業(yè)包括北京耐德佳顯示技術有限公司（以下簡稱“耐德佳”）、亮風臺（上海）信息科技有限公司（以下簡稱“亮風臺”）、深圳惠?？萍加邢薰荆ㄒ韵潞喎Q“惠?？萍肌保┑?。

陣列波導根據(jù)光的反射原理，通過陣列反射鏡堆疊實現(xiàn)圖像的輸出。其涉及的膠合對準工藝難度大，難以實現(xiàn)規(guī)模化量產，并且存在不易消除的“格柵現(xiàn)象”，目前主要面向企業(yè)級應用，代表企業(yè)有以色列的Lumus和國內的北京靈犀微光科技有限公司、深圳瓏璟光電技術有限公司（以下簡稱“瓏璟光電”）等。

衍射光波導技術可使AR頭戴設備像普通眼鏡一樣輕薄，被業(yè)內認為是消費級AR眼鏡的優(yōu)選路線，成為行業(yè)科技巨頭布局的重點。微軟Hololens是該技術路線的行業(yè)標桿產品，美國初創(chuàng)企業(yè)Digilens在體全息光波導方面具有領先優(yōu)勢，蘋果也通過收購Akonia公司進行布局。國內，清華大學曾理江教授、北京理工大學劉娟教授、浙江大學鄭臻榮教授等團隊以及北京至格科技有限公司、亮亮視野、上海鯤游光電科技有限公司（以下簡稱“鯤游光電”）等創(chuàng)新型企業(yè)也在開展衍射光波導技術前沿研究，重點解決視場角低、色散嚴重、易眩暈等問題，實現(xiàn)輕量化、大視場、真三維顯示。

2.1.2 微顯示屏

微顯示屏作為AR近眼顯示關鍵器件之一，目前硅基液晶顯示（LCoS）和微型有機發(fā)光二極管（Micro OLED）仍保持市場主導地位。其中，LCoS顯示技術在AR領域應用較早，具有高PPI和亮度，但其需要較復雜的背光系統(tǒng)，難以滿足小型化、輕量化的需求。

Micro OLED顯示技術是自主發(fā)光，不需要復雜的背光結構，體積小，同時具有高PPI、低功耗等優(yōu)勢，已在AR領域有較多應用，國內廠商也紛紛投入Micro-OLED產線建設。但由于Micro OLED本身的發(fā)光原理限制，亮度偏低，尚無法完全替代傳統(tǒng)的LCoS顯示技術。

隨著AR近眼顯示對微顯示屏光學顯示效果要求進一步提升，具有超高亮度、高PPI、納秒級響應速度、低功耗等優(yōu)異特性的微型發(fā)光二極管（Micro LED）有望成為下一代主流顯示技術，目前國內以上海顯耀顯示科技有限公司為代表的優(yōu)勢企業(yè)正在開展布局。

2.2 感知交互

感知交互技術決定虛擬信息與真實世界的融合深度，注重視覺、觸覺、聽覺等多感官通道的一致性體驗，以及環(huán)境理解的準確度。主要涉及環(huán)境感知與注冊和人機交互2大技術領域。

2.2.1 環(huán)境感知與注冊

環(huán)境感知與注冊的關鍵在于定位和建圖。SLAM作為其核心技術，同時也是AR感知交互的基礎能力，業(yè)界投入較大，且日趨成熟。目前結構光、雙目視覺、飛行時間（Time of Fight，TOF）等是深度攝像頭主流技術路線，但由于SLAM技術與應用場景具有強相關性，環(huán)境光線直接影響到攝像頭的使用效果，軟硬件體系工程化設計和整合難度大。微軟在SLAM技術工程化方面處于領先地位，其明星產品Hololens二代融合了強大的SLAM功能。國內部分AR產品也開始搭載SLAM模塊，但在準確度和功耗方面與國際一流水平仍有較大差距。

2.2.2 人機交互

人機交互涵蓋手勢交互、語音識別、眼動追蹤等多種方式，呈多元化發(fā)展趨勢。手勢交互作為AR的主要交互方式，目前基于手柄的非裸手交互控制依然是主流方向。語音識別技術已相對成熟，國內百度，科大訊飛在該方面處于領先水平。眼動追蹤是利用安裝在人眼前的紅外光源對人眼發(fā)射紅外線，然后通過紅外相機拍攝人眼返回的紅外線圖像，計算人眼注視方向，以操控顯示內容。一方面眼動追蹤可以作為AR的輔助交互功能；另一方面可與近眼顯示、渲染處理等領域融合，實現(xiàn)變焦顯示和注視點渲染。

未來AR將是多通道的感知交互融合發(fā)展，較強的環(huán)境感知能力、三維虛實融合能力、超低功耗計算能力、高性能交互能力將成為重點發(fā)展方向。

2.3 網絡傳輸

5G技術具有高帶寬、低延時的網絡傳輸特性，為AR更優(yōu)畫質、實時交互、更強沉浸感體驗提供了基本保障，同時借助5G技術可以實現(xiàn)AR內容上云、渲染上云，以減小終端的計算負載，推動AR設備向輕便化、無線化發(fā)展?！?G+AR”已經成為AR網絡傳輸領域的研究熱點。目前，我國5G技術在專利、產品解決方案和商用進程等方面均處于全球領先水平。3大電信運營商將AR作為5G技術應用的展示點，與上下游企業(yè)合作發(fā)展“5G+AR”融合應用。隨著我國5G技術的發(fā)展，大規(guī)模組網將在部分城市率先實現(xiàn)，加速推進AR應用。

3 增強現(xiàn)實產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 全球增強現(xiàn)實產業(yè)規(guī)模

全球AR產業(yè)自2015年開始起步，經歷了2016—2017年的狂熱，2018年進入冷靜期，2019年以來AR產業(yè)迎來穩(wěn)步發(fā)展的新階段。據(jù)中國信息通信研究院數(shù)據(jù)顯示，2020年全球AR產業(yè)規(guī)模約280億元，預計2020—2024年期間全球AR產業(yè)規(guī)模年均增長率約66%，AR市場將迎來新的爆發(fā)。

3.2 國際增強現(xiàn)實產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

國際AR產業(yè)發(fā)展主要由科技巨頭引領，由于起步相對較早，產業(yè)已初具規(guī)模。國際科技巨頭在AR領域布局重點事件詳見表1。

微軟在打造AR頭戴設備方面歷經近10年技術深耕，分別于2015年和2019年推出Hololens一代和二代產品，引起市場廣泛關注。截至到2019年10月，Hololens已獲得美國軍方20萬套近10億美元訂單。2021年4月，微軟公司又獲得美國軍方12萬套價值預計高達218.8億美元的訂單，微軟將在未來10年為美國軍方提供AR設備和相關技術支持，作為AR/虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality， VR）VR領域的“超級大單”，這是AR技術在軍工領域規(guī)?；瘧玫闹卮笸黄啤?/p>

谷歌從2012年開始在AR軟硬件方面集中發(fā)力，陸續(xù)發(fā)布AR眼鏡Google Glass、試驗性AR項目 Project Tango、AR開發(fā)平臺ARCore，技術布局上從VR向AR逐漸傾斜。

蘋果圍繞AR全產業(yè)鏈布局，一方面通過頻繁收購該領域核心企業(yè)以完善內部生態(tài)，另一方面持續(xù)更新迭代為iPhone和iPad快速創(chuàng)建AR應用程序的ARKit軟件平臺。據(jù)行業(yè)推測，蘋果將在近2年發(fā)布AR/VR頭戴產品。

3.2 我國增強現(xiàn)實產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國AR產業(yè)相對國外起步較晚，但近幾年發(fā)展迅速，在產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，國內已有大批企業(yè)進入市場布局。

軟件平臺方面，以華為、百度等為代表的國內龍頭企業(yè)圍繞各自核心技術優(yōu)勢進行布局，面向開發(fā)者的平臺相繼上線。2017年百度發(fā)布面向企業(yè)級應用的DuMix AR內容制作平臺，已服務工業(yè)、教育等近十個行業(yè)。2018年華為對標蘋果ARkit和谷歌ARCore，研發(fā)出基于安卓系統(tǒng)的AR Engine開發(fā)平臺。

關鍵硬件方面，我國擁有耐德佳、亮亮視野、亮風臺、鯤游光電以及瓏璟光電、惠?？萍嫉纫慌鷦?chuàng)新型頭部企業(yè)，其中大部分企業(yè)已形成光學器件和頭戴設備的規(guī)?；慨a，并在行業(yè)各細分領域商業(yè)化應用。雖然國內AR產業(yè)起步稍晚，但在上游硬件目前已具備國際競爭力。

4 我國增強現(xiàn)實技術與產業(yè)展望

4.1 面臨主要問題

一是關鍵技術和核心器件創(chuàng)新能力亟待提升。AR技術仍待突破真正虛實深度融合和自然交互技術，我國緊跟國際發(fā)展，但光波導、光場等AR近眼顯示前沿技術尚處于技術跟隨階段；深度傳感器的準確度和功耗與國際一流水平相差較大；圖像處理芯片GPU等核心元器件主要依賴于進口；終端產品軟硬件工程化平臺與設計能力有待進一步提升。

二是缺乏具有產業(yè)帶動作用的應用場景。目前在種類繁雜、專業(yè)性強、差異化大的行業(yè)應用，AR尚未突破規(guī)?；瘧?，面臨小眾化、雷同化等問題。在個人消費端缺少殺手級的應用場景和內容，雖有初代產品進入個人用戶市場，但大眾普遍接受度較低。整體來看，AR應用普及難度較大。

三是產業(yè)高質量創(chuàng)新發(fā)展生態(tài)體系尚不成熟。國內AR產業(yè)鏈已初步形成，但尚未有引領型企業(yè)（如微軟、蘋果）。以AR為主營業(yè)務，營收超過千萬元的公司較少，產業(yè)主體間合作不足，尚未形成以AR技術為核心/主導的產業(yè)集聚發(fā)展生態(tài)體系。

4.2 發(fā)展建議

一是以硬科技創(chuàng)新為引領，加強前沿技術攻關。支持優(yōu)勢企業(yè)聯(lián)合高校院所圍繞AR技術和產業(yè)發(fā)展核心瓶頸開展攻關。加快輕量化、真三維、高分辨、低功耗的近眼顯示技術研發(fā)；結合人工智能、云計算等前沿技術，開展感知交互軟硬件工程體系研究，優(yōu)化傳感融合算法，向多通道、高精度、低延時、低功耗等方向發(fā)展。完成一批原創(chuàng)性重大科技成果，引領全國AR產業(yè)自主創(chuàng)新能力提升，搶占國際AR技術制高點。

二是開展規(guī)模化應用試點，加快AR商業(yè)化進程。要緊抓5G時代機遇窗口期，探索AR與場景創(chuàng)新深入融合，豐富行業(yè)及消費領域的應用場景，催生新產業(yè)新生態(tài)新模式，助力數(shù)字經濟發(fā)展。推動醫(yī)療、教育、消防等重點行業(yè)和特色領域率先實現(xiàn)較強示范帶動作用，實現(xiàn)規(guī)模化落地應用，加速AR技術熟化和應用普及。

三是打造具有國際影響力龍頭企業(yè)，帶動產業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。在近眼顯示、感知交互等關鍵技術和短板領域，扶持培育一批具有技術優(yōu)勢，深耕硬件領域細分環(huán)節(jié)的創(chuàng)新型領軍企業(yè)，形成具有國際影響力的龍頭企業(yè)。支持行業(yè)龍頭企業(yè)整合產業(yè)鏈上下游優(yōu)勢資源，不斷補鏈強鏈，打造高質量創(chuàng)新發(fā)展生態(tài)體系。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.03.011

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