增强现实技术和产业发展现状及趋势展望

张桢

1 概述

1.1 增强现实定义与特点

增强现实（Augmented Reality， AR）是一种将计算机实时生成的虚拟信息（图片、视频、声音等）无缝融合到真实世界中，以实现对现实增强的技术。AR具有虚实结合、实时互动、三维注册（虚拟物体与真实场景在三维空间的一致性，即空间上的整合）3大特点。通过AR技术，体验者既能看到真实世界，又能通过设备与虚拟世界互动，达到超越现实的感官体验。

1.2 AR应用领域

AR技术可以帮助使用者解放双手，实现实时信息展示与交互，能够有效解决众多行业痛点，未来应用和市场潜力巨大。工业领域，从组装生产、巡检质检到远程运维，目前已形成了完整、可复制的AR解决方案，成为工业互联网方面的重要应用之一。仅在2020年，已有华菱湘钢“5G+AR跨国远程协同解决方案”、海尔集团“AR智慧工厂”等成功案例落地。安防领域，AR头戴设备通过与公安专网连接、与航班数据实时联动等方式，在车站巡查、港口稽查、应急管理等方面发挥了重要作用。如公安部警采中心采购的北京亮亮视野科技有限公司（以下简称“亮亮视野”）AR智能警务眼镜已在全国多个省市投入实战，成功抓捕多名在逃人员。文旅方面，通过AR技术可以复原历史文物，丰富展览信息。如百度通过AR技术打造的秦始皇兵马俑展示、圆明园大水法重现等项目，为游客带来“穿越式”的游览体验。

行业普遍认为，AR技术还将在医疗、教育、消防等具有市场潜力的重点民生领域进一步开发应用。随着企业持续深挖垂直领域需求，AR技术在企业级应用加速推进，即将迎来全面爆发时期。

2 AR关键技术发展现状及趋势

AR技术具有多领域交叉复合的发展特性，下面主要介绍近眼显示、感知交互、网络传输等关键技术。

2.1 近眼显示

近眼显示光学模组是AR硬件的核心，占AR硬件成本的50%左右，也是主要技术瓶颈之一。AR近眼显示系统主要包括光学器件和微显示屏（图1）。

2.1.1 光学器件

根据光学原理的不同，AR光学器件可分为棱镜式、自由曲面（自由曲面棱镜、自由曲面Birdbath）、阵列波导、衍射光波导（表面浮雕、体全息、超表面）等多种技术类型。其中，棱镜式、自由曲面技术发展相对成熟，已实现低成本量产，国际上以谷歌、爱普生等企业为代表，国内主要企业包括北京耐德佳显示技术有限公司（以下简称“耐德佳”）、亮风台（上海）信息科技有限公司（以下简称“亮风台”）、深圳惠牛科技有限公司（以下简称“惠牛科技”）等。

阵列波导根据光的反射原理，通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出。其涉及的胶合对准工艺难度大，难以实现规模化量产，并且存在不易消除的“格栅现象”，目前主要面向企业级应用，代表企业有以色列的Lumus和国内的北京灵犀微光科技有限公司、深圳珑璟光电技术有限公司（以下简称“珑璟光电”）等。

衍射光波导技术可使AR头戴设备像普通眼镜一样轻薄，被业内认为是消费级AR眼镜的优选路线，成为行业科技巨头布局的重点。微软Hololens是该技术路线的行业标杆产品，美国初创企业Digilens在体全息光波导方面具有领先优势，苹果也通过收购Akonia公司进行布局。国内，清华大学曾理江教授、北京理工大学刘娟教授、浙江大学郑臻荣教授等团队以及北京至格科技有限公司、亮亮视野、上海鲲游光电科技有限公司（以下简称“鲲游光电”）等创新型企业也在开展衍射光波导技术前沿研究，重点解决视场角低、色散严重、易眩晕等问题，实现轻量化、大视场、真三维显示。

2.1.2 微显示屏

微显示屏作为AR近眼显示关键器件之一，目前硅基液晶显示（LCoS）和微型有机发光二极管（Micro OLED）仍保持市场主导地位。其中，LCoS显示技术在AR领域应用较早，具有高PPI和亮度，但其需要较复杂的背光系统，难以满足小型化、轻量化的需求。

Micro OLED显示技术是自主发光，不需要复杂的背光结构，体积小，同时具有高PPI、低功耗等优势，已在AR领域有较多应用，国内厂商也纷纷投入Micro-OLED产线建设。但由于Micro OLED本身的发光原理限制，亮度偏低，尚无法完全替代传统的LCoS显示技术。

随着AR近眼显示对微显示屏光学显示效果要求进一步提升，具有超高亮度、高PPI、纳秒级响应速度、低功耗等优异特性的微型发光二极管（Micro LED）有望成为下一代主流显示技术，目前国内以上海显耀显示科技有限公司为代表的优势企业正在开展布局。

2.2 感知交互

感知交互技术决定虚拟信息与真实世界的融合深度，注重视觉、触觉、听觉等多感官通道的一致性体验，以及环境理解的准确度。主要涉及环境感知与注册和人机交互2大技术领域。

2.2.1 环境感知与注册

环境感知与注册的关键在于定位和建图。SLAM作为其核心技术，同时也是AR感知交互的基础能力，业界投入较大，且日趋成熟。目前结构光、双目视觉、飞行时间（Time of Fight，TOF）等是深度摄像头主流技术路线，但由于SLAM技术与应用场景具有强相关性，环境光线直接影响到摄像头的使用效果，软硬件体系工程化设计和整合难度大。微软在SLAM技术工程化方面处于领先地位，其明星产品Hololens二代融合了强大的SLAM功能。国内部分AR产品也开始搭载SLAM模块，但在准确度和功耗方面与国际一流水平仍有较大差距。

2.2.2 人机交互

人机交互涵盖手势交互、语音识别、眼动追踪等多种方式，呈多元化发展趋势。手势交互作为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。语音识别技术已相对成熟，国内百度，科大讯飞在该方面处于领先水平。眼动追蹤是利用安装在人眼前的红外光源对人眼发射红外线，然后通过红外相机拍摄人眼返回的红外线图像，计算人眼注视方向，以操控显示内容。一方面眼动追踪可以作为AR的辅助交互功能；另一方面可与近眼显示、渲染处理等领域融合，实现变焦显示和注视点渲染。

未来AR将是多通道的感知交互融合发展，较强的环境感知能力、三维虚实融合能力、超低功耗计算能力、高性能交互能力将成为重点发展方向。

2.3 网络传输

5G技术具有高带宽、低延时的网络传输特性，为AR更优画质、实时交互、更强沉浸感体验提供了基本保障，同时借助5G技术可以实现AR内容上云、渲染上云，以减小终端的计算负载，推动AR设备向轻便化、无线化发展。“5G+AR”已经成为AR网络传输领域的研究热点。目前，我国5G技术在专利、产品解决方案和商用进程等方面均处于全球领先水平。3大电信运营商将AR作为5G技术应用的展示点，与上下游企业合作发展“5G+AR”融合应用。随着我国5G技术的发展，大规模组网将在部分城市率先实现，加速推进AR应用。

3 增强现实产业发展现状

3.1 全球增强现实产业规模

全球AR产业自2015年开始起步，经历了2016—2017年的狂热，2018年进入冷静期，2019年以来AR产业迎来稳步发展的新阶段。据中国信息通信研究院数据显示，2020年全球AR产业规模约280亿元，预计2020—2024年期间全球AR产业规模年均增长率约66%，AR市场将迎来新的爆发。

3.2 国际增强现实产业发展现状

国际AR产业发展主要由科技巨头引领，由于起步相对较早，产业已初具规模。国际科技巨头在AR領域布局重点事件详见表1。

微软在打造AR头戴设备方面历经近10年技术深耕，分别于2015年和2019年推出Hololens一代和二代产品，引起市场广泛关注。截至到2019年10月，Hololens已获得美国军方20万套近10亿美元订单。2021年4月，微软公司又获得美国军方12万套价值预计高达218.8亿美元的订单，微软将在未来10年为美国军方提供AR设备和相关技术支持，作为AR/虚拟现实（Virtual Reality， VR）VR领域的“超级大单”，这是AR技术在军工领域规模化应用的重大突破。

谷歌从2012年开始在AR软硬件方面集中发力，陆续发布AR眼镜Google Glass、试验性AR项目 Project Tango、AR开发平台ARCore，技术布局上从VR向AR逐渐倾斜。

苹果围绕AR全产业链布局，一方面通过频繁收购该领域核心企业以完善内部生态，另一方面持续更新迭代为iPhone和iPad快速创建AR应用程序的ARKit软件平台。据行业推测，苹果将在近2年发布AR/VR头戴产品。

3.2 我国增强现实产业发展现状

我国AR产业相对国外起步较晚，但近几年发展迅速，在产业链各环节，国内已有大批企业进入市场布局。

软件平台方面，以华为、百度等为代表的国内龙头企业围绕各自核心技术优势进行布局，面向开发者的平台相继上线。2017年百度发布面向企业级应用的DuMix AR内容制作平台，已服务工业、教育等近十个行业。2018年华为对标苹果ARkit和谷歌ARCore，研发出基于安卓系统的AR Engine开发平台。

关键硬件方面，我国拥有耐德佳、亮亮视野、亮风台、鲲游光电以及珑璟光电、惠牛科技等一批创新型头部企业，其中大部分企业已形成光学器件和头戴设备的规模化量产，并在行业各细分领域商业化应用。虽然国内AR产业起步稍晚，但在上游硬件目前已具备国际竞争力。

4 我国增强现实技术与产业展望

4.1 面临主要问题

一是关键技术和核心器件创新能力亟待提升。AR技术仍待突破真正虚实深度融合和自然交互技术，我国紧跟国际发展，但光波导、光场等AR近眼显示前沿技术尚处于技术跟随阶段；深度传感器的准确度和功耗与国际一流水平相差较大；图像处理芯片GPU等核心元器件主要依赖于进口；终端产品软硬件工程化平台与设计能力有待进一步提升。

二是缺乏具有产业带动作用的应用场景。目前在种类繁杂、专业性强、差异化大的行业应用，AR尚未突破规模化应用，面临小众化、雷同化等问题。在个人消费端缺少杀手级的应用场景和内容，虽有初代产品进入个人用户市场，但大众普遍接受度较低。整体来看，AR应用普及难度较大。

三是产业高质量创新发展生态体系尚不成熟。国内AR产业链已初步形成，但尚未有引领型企业（如微软、苹果）。以AR为主营业务，营收超过千万元的公司较少，产业主体间合作不足，尚未形成以AR技术为核心/主导的产业集聚发展生态体系。

4.2 发展建议

一是以硬科技创新为引领，加强前沿技术攻关。支持优势企业联合高校院所围绕AR技术和产业发展核心瓶颈开展攻关。加快轻量化、真三维、高分辨、低功耗的近眼显示技术研发；结合人工智能、云计算等前沿技术，开展感知交互软硬件工程体系研究，优化传感融合算法，向多通道、高精度、低延时、低功耗等方向发展。完成一批原创性重大科技成果，引领全国AR产业自主创新能力提升，抢占国际AR技术制高点。

二是开展规模化应用试点，加快AR商业化进程。要紧抓5G时代机遇窗口期，探索AR与场景创新深入融合，丰富行业及消费领域的应用场景，催生新产业新生态新模式，助力数字经济发展。推动医疗、教育、消防等重点行业和特色领域率先实现较强示范带动作用，实现规模化落地应用，加速AR技术熟化和应用普及。

三是打造具有国际影响力龙头企业，带动产业链协同发展。在近眼显示、感知交互等关键技术和短板领域，扶持培育一批具有技术优势，深耕硬件领域细分环节的创新型领军企业，形成具有国际影响力的龙头企业。支持行业龙头企业整合产业链上下游优势资源，不断补链强链，打造高质量创新发展生态体系。

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

参考文献

[1] 周忠.虚拟现实增强技术综述[J].中国科学，2015，45（2）：157—180.

[2] 胡天宇.增强现实技术综述[J].电脑知识与技术，2017，13（34）：194—196.

[3] 范丽亚.增强现实硬件产业的发展及展望[J].科学导报，2019，37（15）：114—124.

[4] 陈曦.5G助力虚拟现实规模应用[J].信息通信技术与政策，2019（11）：48—50.

[5] 中国信息通信研究院.虚拟（增强）现实白皮书 [EB/OL].http：//www.caict.ac.cn/kxyj/qwfb/bps/202103/t20210330_372624.htm.

[6] 赛迪智库.一文读懂虚拟现实产业最新发展趋势[EB/OL].http：//www.cena.com.cn/industrynews/20210221/110675.html.