泛VR时代来临

文/曹煊

泛VR时代来临

文/曹煊

纵观全球，虚拟现实已经进入泛VR时代，不再只是戴在头上的VR头盔，还包括AR/MR眼镜、全景直播、光场采集、模拟仿真、3D建模、全息显示等多方面的技术应用。其发展态势可以总结为：四大发展瓶颈（内容短缺、价格偏高、VR眩晕、互联互动）、三大支柱产业（移动处理器、显示器件、光学器件）、两个关键技术（定位技术、光场技术）和一个核心价值（为用户创造价值）。

曹煊

中国科学院自动化研究所博士

泛VR时代开启

虚拟现实（Virtual Reality，VR）经过几十年的技术变革和产业发展，尤其是经过了21世纪前十年的VR沉默期后，以2016年为元年的新一次VR浪潮蓄势而发，相比于前几次VR浪潮都来势更猛。放眼全世界，本次VR浪潮技术储备更成熟，资本更充裕，参与企业更多，而且技术体现形式更多样化，全球虚拟现实行业已经进入了一个“泛VR”时代。当谈及VR时，已经不仅仅局限于戴在头上的VR头盔，还包括模拟仿真、增强现实（Augmented Reality，AR）、混合现实（Mixed Reality，MR）、全景直播、光场采集、3D建模、全息显示、数字人脸等，它们都可以划归为泛VR 领域。

泛VR时代的发展态势可以总结为：四大发展瓶颈、三大支柱产业、两个关键技术和一个核心价值。四大发展瓶颈包括：内容短缺、价格偏高、VR眩晕、互联互动。三大支柱产业包括：移动处理器、显示器件、光学器件。两个关键技术包括：定位技术、光场技术。一个核心价值：为用户创造价值。VR产业的发展可谓日新月异。

四大瓶颈构成未来攻坚方向

内容短缺：VR需要3D内容，传统2D内容无法在VR头盔上显示，因此VR内容的现有量几乎为零，只能重新制作。VR内容的制作包括计算机生成和现场采集两种方式，计算机生成主要通过Unity3D Unreal等3D引擎完成，开发技术门槛高。现场采集需要昂贵的全景设备，普通消费者难以承受。反观当前的2D内容制作，每一个智能手机用户都是制造者，其制作的内容也可以在智能手机用户间轻松分享，而VR内容的制作还远远不具备这样的廉价性和易分享性。

价格偏高：放眼全球，资本方和技术方都对VR趋之若鹜，市场也表现出极大兴趣。然而大部分用户止步于体验，购买意愿并不强烈。艾媒咨询数据显示，受访的中国手机用户中28.7%表示愿意购买VR产品，而在剩下71.3%中有40.4%因为价格太高而不愿购买。在美国等西方国家C端用户消费能力更强，这个局面略有好转但也仍不及资本方预期。现阶段VR一个发展趋势是维持C端技术开发，转投B端盈利造血。

VR眩晕：VR眩晕主要由两方面的生理冲突所导致，一方面是视觉与内耳半规管之间的冲突，另一方面是双目视差与睫状肌屈张之间的冲突。人的视觉系统会帮人们感知自己在三维空间中的运动状态，闭上双眼走直线都非常困难。大脑同时会根据内耳半规管内淋巴液的流动判断当前头部的运动状态，半规管内的淋巴液就像“半瓶水”一样，当人体原地旋转多圈后突然停下，“半瓶水”还在晃动，就会引起眩晕。当我们体验过山车的VR游戏时，视觉信息告诉大脑我们正处于高速运动中，而我们身体却坐在椅子上静止不动，此时通过视觉感知到的运动信息和通过半规管感知到的运动信息发生冲突，从而产生VR眩晕。人通过双眼视差可以感知物体远近距离，同时人的单眼也可通过聚焦状态来感知物体远近距离。双目视差告诉大脑高山很远，手中的小鸟很近。而由于VR屏幕与人眼的距离始终固定，人眼始终聚焦在固定距离上。人眼不能在远处的高山和近处的小鸟之间切换聚焦状态，从而通过双目视差感知到远近距离与通过聚焦状态感知的远近距离产生冲突，这是导致VR眩晕的第二个原因。这两方面问题分别需要定位技术和光场技术解决，这将在后面结合具体产品分析。

互联互动：国际上有一种声音，认为VR将是继智能手机后下一代计算平台（Computing Platform）。我赞同这个观点，但还有很多问题需要克服，其中一个主要问题是VR用户的互联互动。以VR军事训练为例，士兵可以在VR的世界里训练反恐、营救、操作大型设备等，但目前都只能是单兵作战，而不能多士兵共同协作完成任务。要实现世界级的广域VR互联，面临着更大挑战，例如VR数据压缩和传输，VR标准统一等。只有当VR用户能够像使用智能手机一样畅通无阻互动时，才具备了成为下一代计算平台的基础。

三大支柱产业由国外企业垄断

很多人认为在虚拟现实行业，国内和国外处于同一起跑线，但这个说法只是部分正确。虚拟现实相关技术专利主要被美国和日本的专利权人所有，美国握有专利权大约67.7%，日本大约占有17.5%。

目前，移动处理器、显示器件、光学器件是虚拟现实产业的三大核心组成部分，但却无一例外被国外企业所垄断。国内唯一与虚拟现实国际前沿处于同一水平的是相关核心算法。随着国外大批相关领域的专家教授回国发展，包括光场、定位、光学设计等核心技术也在国内快速发展。

资本的疯狂引发了创业公司的疯狂，VR创业公司如雨后春笋般冒出。企业搭便车现象严重，一哄而上，原本高端的VR产业变得低端化。这一现象在国内尤为明显。而VR创业公司财力有限，没有涉足到上述的三大支柱产业。移动芯片市场主要被高通、苹果、联发科、三星所占有，其中高通就占据了约47%的市场（2015年数据）。VR显示屏一直被三星所垄断，主流的VR设备HTC Vive和Oculus Rift均采用三星的OLED显示屏。VR光学器件，尤其是光波导显示模块和微投影仪模块，国内还没有独立自主的商业化产品。

当然，国内也仍然存在着VR领域的佼佼者，他们大多是从国外带着一流技术回国的专家、教授。例如北京的耐得佳公司就是专门从事VR/AR眼镜中光学器件设计和开发的公司，在光学模组上跻身国家一流水平。再如，提供VR/AR内容光场解决方案的上海叠境数字科技，其创始人虞晶怡教授，有着麻省理工学院的研究背景，在光场采集和渲染方面有着十多年的研究，是业界公认的顶级专家。

两个关键技术缓解眩晕难题

定位技术：当头部旋转或移动时，VR头盔需要及时显示对应视点下的画面。当画面没有及时更新，就会导致上述的感知冲突从而引起VR眩晕。定位技术对于VR体验尤为重要，当定位精度低时会产生视觉错位。目前主流VR设备的定位都依赖于独立的外部设备，因此硬件成本较高，且定位范围被限制。HoloLens采用的SLAM定位技术依赖于头盔自带的深度相机，从而可以在自然场景中被定位。

光场技术：位于美国佛罗里达的Magic Leap获得来自谷歌、阿里巴巴等公司累计融资达近14亿美元（截止到2016年2月），其核心技术之一就是光场。光场是一种对空间中光线集合的描述，可以简单理解为数字化的离散的全息。现阶段的VR头盔会引导眼睛聚焦在固定距离的显示屏上，而光场显示技术允许用户自由聚焦在不同的平面上，观看虚拟场景更加自然逼真，同时睫状肌得到舒张和收缩，减缓了VR眩晕和人眼疲劳。

上述单方面的技术只能在一定程度上减轻VR眩晕问题，彻底解决需要同时具备上述两方面的技术。得益于深度传感器和计算机视觉算法的飞速发展，定位技术已经相对比较成熟，已经应用在国内外的VR/AR产品中，例如HTC Vive、Oculus Rift、HoloLens。相比之下，光场技术仍然属于黑科技范畴，一直被斯坦福和MIT等少数研究组织所引领。斯坦福的某团队一直与谷歌合作开发光场相关技术。Oculus也招募了一些在MIT研究光场的专家。可见光场并非Maglic Leap所独有，其他的巨头公司也都在布局光场技术。国内研究光场技术的公司屈指可数。

一个核心价值：为用户创造价值

如前所述，泛VR已经成为万金油，可应用在很多行业。准确市场定位能促使泛VR行业健康快速发展。智能手机是一种具有移动处理能力的通讯工具，本质上是一种工具。VR/AR应该定位为一种增强人感知能力的工具，当它能为用户带来价值时，用户愿意把时间花在这种工具上。英国手机保险公司MobileInsurance. co.uk的一项调查表明，英国人平均每天使用手机90分钟。《中国经济生活大调查》数据显示中国人平均每天休闲2.55小时，其中 1/3时间在玩手机。在特定领域（医疗、培训、游戏等）VR会在特定的时间段被使用。在日常生活中，AR可以随时被使用。单独的一天内难以反映出VR/AR用户的在线时间，因此采用“一周累计使用时间”来衡量用户对于VR/AR的依赖程度。如果一款VR/AR产品的用户一周累计使用时间接近手机的一周累计使用时间，这款产品无疑为用户创造了价值。

VR设备主要可以分为六种：手机盒子（CardBoard）、手机嵌入式VR（Gear VR）、VR一体机（九又VR）、VR分体机（Pico）、背负式VR（MSI）、PC式VR。手机盒子VR因其价格低廉是目前出货量最大的VR产品。但认可度较高的VR设备都是PC式VR，主要包括HTC Vive、Oculus Rift和Sony PSVR（PS游戏机可以认为是类似PC的台式独立处理器）。

显示屏选择上，三大主流VR设备都采用了OLED屏，因其余晖低，刷新率高，可以获得更好VR体验，但显示分辨率仍有待提高，而4K显示屏已经用在智能手机上，应用在主流VR头盔中是迟早的事。Sony采用ATW异步时间扭曲技术，在帧与帧之间插帧弥补帧率的不足，降低了对处理器性能要求同时又保持高帧率显示，因此其显示刷新率达到了120Hz。随着VR需求增长，移动处理器性能必将进一步提高，尤其是图形图像处理器会成倍提高。

三大主流VR设备的FOV大约都在100°-110°，这主要是受光学透镜的限制，而人眼的FOV大约为160°最佳。可以通过采用更大的OLED屏来获得更大的FOV，但也会导致VR头盔变得更大。最佳的解决方案是设计焦距更短、出瞳距离更大的光学透镜，但也会导致透镜变得很厚很重。因此HTC Vive和Oculus Rift均采用菲涅耳透镜（Fresnel Lens），既保证了较好的光学性能，又能保证透镜轻薄，但要求菲涅耳透镜的螺纹足够细才能获得良好VRml体验，这对光学器件的加工提出了很高要求。目前国际上也在尝试用新材料来制造光学透镜，相信未来VR头盔会变成VR眼镜，兼顾轻薄和大视野。

三大主流VR设备的定位技术各不相同，HTC Vive采用美国Valve的Light House技术，其原理是红外光发射器依次在水平和垂直方向上扫描，Vive头盔和手柄控制器上的红外光敏会依次被扫描“激活”，通过每个红外光敏被激活的时间差算出位置和姿态，其定位精度高（毫米级），定位范围较大（4.5米×4.5米），定位速度快，且支持多人定位。今年8月Valve已经决定将Light House定位技术对更多的VR厂商开放授权，这意味着Light House定位技术未来或许会出现在HTC Vive以外其他VR产品中。OculusRift采用红外主动光定位技术，在其头盔上隐藏着多个红外发光管，人眼看不见，但其支架上外形酷似麦克风的红外相机却能看见，通过解算头盔上红外光点的位置关系可以求解出头盔的位置和姿态。其定位精度较高，定位范围相对较小，通过多个红外相机的配合也能实现类似Vive的Room-Scale定位。相比之下，PSVR采用的可见光主动定位技术在精度、鲁棒性上都较前两者要差。因为可见光容易受到环境光的影响，会出现定位错误的情况。

表 三大主流VR设备对比

三大主流VR设备都不支持焦距调节，这意味着近视人群需要同时戴上近视眼镜和VR头盔。国内的一些VR头盔支持焦距调节但会降低VR体验。双眼的水平距离，又称为瞳距，因人而异，一般在55mm到75mm之间。三大主流设备都支持瞳距调节，当不同的用户佩戴时需要重新调节瞳距，如果能设计出瞳直径更大的透镜，就无需调节便可满足不同瞳距人群的佩戴要求。

三大主流VR设备都自带麦克风，这是为了便于不同VR用户之间语音沟通。HTC Vive还支持连接手机，可以通过VR头盔查看消息、接听电话。在VR广域互联互动方面，Oculus Rift有着更大的天然优势，其背后的Facebook已经形成了一张覆盖全世界的用户网，相信未来Oculus Rift将会首先将VR应用在社交中。相比之下，Sony PSVR在VR游戏方面储备了更多的内容资源，用户基础更广，在VR社交方面的进展还比较缓慢。

就在十几天前，三大主流VR设备都采用有线传输，本来就双眼蒙蔽的用户极易被线缆绊倒。而就在今年“双十一”HTC发布了TPCAST Vive无线套件，甩掉了VR设备的长辫子。这是VR产业的重大进步，同时也说明了VR的春天才刚刚到来，还需要持续投入，才能收获秋天的果实。

从三大主流VR设备采用的芯片可看出，VR产业的芯片市场被国外半导体厂商所占有。HTC Vive的外设较多，采用的芯片也较多，整体售价也更高，但VR体验也更好。至于光场技术，在已上市的VR产品中还看不到影子。随着IT巨头在VR/ AR产业的持续投入和光场领域教授专家的技术转化，光场肯定会成为VR/AR的标配。

结束语

随着VR产业进一步发展和VR市场扩大，体积、重量、续航时间、显示效果等都将大幅改善，VR整体体验会进一步提升。在众多VR企业中，大部分必然会在这次产业浪潮中被淘汰，关键看VR产品能否为用户带来价值，能否让用户像依赖手机一样依赖VR，愿意投入更多时间给它。

未来，VR的概念会消失，因为虚拟部分将变得足够真实，与现实完全融合在一起，以至于虚拟的就是真实的，真实的也可能是虚拟的，从而不需再区分。到那时，我们通过VR与朋友享受着沙滩阳光，吃着美味牛排，实际上却是独自一人坐在家里，嘴里什么也没有，然而我们还特别满足和享受。VR技术模糊了虚拟和现实的边界，我们不应给VR技术贴上好或者不好的标签，因为任何新技术的出现就必然有它存在的合理性，否则就不会出现。

责任编辑：卫丽红