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5G让AR/VR插上翅膀

2020-05-11   

中国电源产业网

导语:早在 2014 年 4 月 15 日谷歌就推出了增强现实眼镜 Google Glass,2015 年 AR 手游 《Pokemon GO》将 AR 游戏再一次带入大众视野。2014 年 Facebook 以 20 亿美金收购 虚拟现实公司 Oculus,VR 设备开始受到了市场的追捧。随后索尼、HTC 等厂商纷纷推 出了自己的 VR 产品。2014 年 3 月,索尼在游戏开发者大会上展示了 PlayStaion VR 的 原型机,2015 年三月的世界移动大会上,HTC 也展出了其 VR 产品 HTC VIVE,将 VR 市 场推向了一个高潮。2016 年 3 月 16 日,在 GDC 大会上索尼正式宣布旗下首款虚拟现实 头戴设备 PS VR 将于 2016 年 10 月正式推出。据国外媒体 9to5Mac 报道,最近苹果公 司 iOS 13 操作系统的代码,披露了有关增强现实眼镜的部分信息。开发人员在 iOS 13 测试版中发现了一款 STARTester 应用程序,或可用于之后的 AR 应用。Tim Cook 之前 曾多次在公开场合表示,苹果看好 AR 领域。

一、AR 有望成为新一代信息交互平台

早在 2014 年 4 月 15 日谷歌就推出了增强现实眼镜 Google Glass,2015 年 AR 手游 《Pokemon GO》将 AR 游戏再一次带入大众视野。2014 年 Facebook 以 20 亿美金收购 虚拟现实公司 Oculus,VR 设备开始受到了市场的追捧。随后索尼、HTC 等厂商纷纷推 出了自己的 VR 产品。2014 年 3 月,索尼在游戏开发者大会上展示了 PlayStaion VR 的 原型机,2015 年三月的世界移动大会上,HTC 也展出了其 VR 产品 HTC VIVE,将 VR 市 场推向了一个高潮。2016 年 3 月 16 日,在 GDC 大会上索尼正式宣布旗下首款虚拟现实 头戴设备 PS VR 将于 2016 年 10 月正式推出。据国外媒体 9to5Mac 报道,最近苹果公 司 iOS 13 操作系统的代码,披露了有关增强现实眼镜的部分信息。开发人员在 iOS 13 测试版中发现了一款 STARTester 应用程序,或可用于之后的 AR 应用。Tim Cook 之前 曾多次在公开场合表示,苹果看好 AR 领域。

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2015 年~2016 年 VR/AR 大热,成为消费电子的一个亮点,但是在实际体验时,晕眩感、 分辨率低、体积大、价格贵等缺点却使得 AR\VR 产品一直不瘟不火。时隔四年,随着芯 片、显示技术、通讯手段、和算法等技术的不断进步,AR/VR 在 2019 年重新成为热 门话题,各大厂商又纷纷发力 AR/VR 领域,随着 5G 的到来,AR/VR 将成为最值得期 待的应用场景!

AR\VR 应用场景与交互方式有一定的区别,相比之下,VR 纯虚拟场景更加侧重于娱乐游 戏体验,AR 更多的与现实交互的特性,使得其具有潜力成为下一代信息平台。

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二、5G 时代下 AR/VR 会有什么新变化?

1、5G 推动 AR、VR 发展的关键——高速传输

目前在 4G 网络的传输速度下,用户很难以流畅的速度体验 VR 视频。而对于 AR 体验来 说,当识别的景象发生连续大量的动态变化时,单单依靠终端也难以负荷庞大的计算量。

5G 时代可以通过云端计算,在边缘云上做大量的处理,用高 CPU/GPU 做这种处理不会 过多地消耗功耗,通过 5G 的快速连接可以迅速的传到本地,将有力支撑用户 VR/AR 产 品体验的提升。5G 所采用的频率是远高于 4G 网络的。而频率越高,频段就越宽。频段 加宽,就可以使单位传输量得到大幅度提升,进而带来超高速的传输速率的提升。

例如,华为 VR OpenLab 联合视博云等合作伙伴在今年 2 月举办的西班牙 MWC 展览会 上,发布了最新的 VR解决方案——Cloud VR,即将 VR运行能力由终端向云端进行转移, 以此来推动 VR/AR 应用在智能手机端的普及。

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2、微基站优化 VR 体验

相比于 4G 网络建造的宏基站,5G 网络所采用的基站更多的是微型基站。5G 采用移动 边缘计算机制,即将处理逻辑下沉到网络的边缘,也就是更靠近用户的基站上。一旦用 户发出请求,数据便可以在极短的时间内传输到基站,而基站也可以更快速地给用户以 反馈,因此 5G网络能够让 VR/AR 应用在移动终端的时延极大地缩短。

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3、5G 时代,应用场景更加广泛

4G 仅能够满足部分 VR/AR 应用,5G 则使高速率、高可靠性、低时延的信息传输得以实 现,因此 5G时代的到来将拓展现有 4G 的价值,开辟出全新的应用场景,带来更多样的 用户体验,为更多行业提供便利。根据 IDC 最新发布的 2019 年 VR/AR 市场十大预测, IDC 认为,技术革新与应用是 VR/AR 市场 19 年的重要发展趋势,目前行业应用正在进 一步展开和深入,细分领域消费场景不断得到丰富,未来将会有更多的产业领域向 VR/AR 技术伸出橄榄枝。

AR 产业生态发展正趋于成熟,目前 AR 技术已经被广泛地应用在医疗、教育、工业工程、 娱乐、社交、营销、零售、电商等领域。

AR 在教育场景在教育领域的发展已实现多点开花,其应用形态多样,除了移动端,还可 以是 AR 头显等。微软发布《沉浸式教育体验白皮书》指出,AR 应用在课堂上会给教师 和学生带来积极的影响,而且成本足够实惠,支持规模化。5G 赋能的 AR 技术还可以让 不同地区的师生聚集在一个虚拟课堂上课,并实现真实、实时的互动,从而帮助教育资 源打破地域限制。此外,AR 也被应用在文物古迹、图书、建模、实操培训等场景中。受 到政策倾斜和教育投入增大影响,预计超过 1000 所学校将采用 VR/AR 技术。IDC 市场 追踪报告显示,预计 2018 年国内教育市场 VR/AR 出货量份额将占整体市场接近 7%。随着相关政策的推动,未来将有更多的高校采用 VR/AR 内容进行课程培训,带动教育市 场需求继续增长。

AR 技术的应用在工业互联网的智能化发展和数字工厂的建设中发挥重要作用。通过将 AR技术与物联网结合,可以实现生产和物流的可视化管控;在设备维检中增加AR技术, 通过 3D 还原及操作步骤提示,可以在大幅提高操作与装备效率的同时,保持高维检准 确度。AR 技术与工业场景融合,可帮助企业进行生产的智能化和数字化升级,降本提效 促安全,行业空间和渗透潜力巨大。

5G 网络的大范围搭建,打开了 AR 技术在医疗领域应用的大门。5G 网络下,VR/AR 时 延能够降至 10ms 内,这意味着 AR 技术可以被延展到时效性更强的救治和诊疗中从而 发挥更大的价值,极大拓宽医疗领域应用场景。AR 技术正推动着救治模式的革新,远程 救治和智能会诊的实现,让缺乏医疗资源地区的患者也能够及时就医,这对于医疗资源 公平化的推进意义重大。在医疗教学场景,目前 AR 的应用已较为成熟,虚拟解剖、血管 观察、手术操作模拟等均有相关的软件上市。据高盛预估,到 2025 年 VR/AR 的医疗健 康预期用户约为 340 万,市场规模将达到 51 亿美元。

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VR 技术还被线下品牌商和电商应用于营销及零售领域,给消费者提供更多样化的购物体 验,进而起到提振销量增加品牌影响力的作用。目前市场上已有多家大型消费品牌在营 销内容中尝试 AR 技术,如可口可乐城市罐、网易 AR乐平、京东&百度的 AR 红酒节等, 用户在参与品牌设计的营销活动时,能够有更具趣味性、交互性和个性化的体验,从而 增大消费意愿。VR\AR 与电商购物相结合,通过虚拟现实技术将商品直接展示在现实场 景中,方便消费者更全面了解商品信息,购物体验提升的同时,也起到了提升消费者下 单率的作用。IDC 表示,未来超过 30%的展示类场景将通过租赁方式整合提供设备、软 件、服务,让使用方不需承担高额硬件费用。

AR 技术在社交领域的应用已经历了多年探索,除了我们熟知的支付宝扫福字“集五福” 活动,以 Facebook、Instagram、美拍等为代表的社交应用也纷纷进行了 AR 相机的探索 的发展,用户使用该功能即可享受 AR 试妆、AR 表情生成并一键分享的社交体验。

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此外,观影一体机 VR 市场将继续增长,IDC 预测 35%的 VR 一体机将被应用于家庭观 影,家庭 IMAX 观影有望被定义,引领全球观影 VR 市场发展。2018 年国内 VR 一体机 市场迎来快速发展,相关产品涌现国内外市场,如华为、小米、HTC、爱奇艺、Facebook 等纷纷推出自己的产品,随着更高分辨率显示屏技术的发展,产品价格和体验改善将促 使未来 VR 一体机走进更多家庭。

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三、AR\VR 将走进千家万户,市场发展空间巨大

根据中国信息通信院的最新数据显示,全球虚拟现实产业规模接近千亿元人民币, 2017-2022 年均复合增长率有望超过 70%。在整体规模方面,根据 Greenlight 预测, 2018 年全球 AR\VR 市场规模超过 700 亿元人民币,同比增长 126%。其中,VR 整体市场超过 600 亿元,VR 内容市场约 200 亿元,AR 整体市场超过 100 亿元,AR 内容市场 接近 80 亿元,预计 2020 年全球虚拟现实产业规模将超过 2000 亿元,其中 VR 市场 1600 亿元,AR 市场 450 亿元。

中国的虚拟现实技术的日渐成熟,市场规模将进一步扩大,中商产业研究院预计 2018 年中国虚拟现实市场规模将突破百亿元大关。到了 2020 年中国虚拟现实市场规模将达 到 300 亿人民币。

四、AR 眼镜的显示技术方案有哪些?

光学模组是 AR 眼镜的核心元件,AR 的显示系统主要包括图像源和光学系统两部分,图 像源目前主要有 LCD、LCOS、OLED 几种,光学显示方案主要包括:棱镜、自由曲面棱 镜、光波导、光场等。

从 Google Glass 问世至今, AR 光学经历了多种形态的发展,大体上可分为四类:棱镜, 自由曲面,光波导、光场。

棱镜光学——早期的光学方案

谷歌眼镜是由谷歌公司于 2012 年 4 月发布的一款“拓展现实”眼镜,可实现搜索、短 信、拍照、摄像、社交分享等众多功能。Google Glass 主要结构包括微型投影仪和摄像 头,采用的是半透半反棱镜,利用的是光学反射投影原理,将光投到一块反射屏上,然 后通过一块凸透镜将光路折射到人眼,在人眼前形成虚拟屏幕,进而可以显示简单的文 本信息和数据。

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但是这个方案的缺点在于厚度与显示区域尺寸是呈正比的,视场角越大,眼睛体积也越 大,因为通常情况下会把眼睛往轻薄化去做,因此整个产品的视场角当时也落在了 15 度 左右。因此 Google Glass 的缺点是视场角小、光能利用率低(约为 20%),光线需要先 后经过半反半透膜层两次,导致画面较暗。

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自由曲面棱镜——改进的棱镜技术

自由曲面指表面的形状不能被连续加工的,用来描述镜头表面的数学表达式比较复杂, 具有任意性特点的曲面,因此它的设计难度也较高。其工作原理是光线经过棱镜的变换, 形成虚拟放大的图像,自由曲面全反射的出射面和自由曲面的反射面通过消除色差和畸 变使得成像质量更加清晰,并且可以增加视场角。它的缺点就在于体积较大。

Epson 一直专注于自由曲面技术,相继发布了三款 AR 智能眼镜。第三代产品 BT-300 的 重量仅剩 69 克,搭配光学自由曲面技术和光波导技术,但是视场角仅为 23 度。

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光波导——理想的光学方案

光波导方案从光学效果和外观形态来说算是比较理想的光学方案。光波导工作的大致原 理是光线通过透镜(组)后,输入到耦入部分,经过偏折后在波导片中折叠传播,最终 经过耦出部分再次偏折进入人眼中。

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光波导总体上可以分为几何光波导(阵列光波导)和衍射光波导,阵列光波导代表光学 公司是以色列的 Lumus,但是目前市场上还未出现大规模的量产的 AR 产品。衍射光 波导主要分为表面浮雕光栅波导和全息体光栅波导。

阵列光波导

几何光波导也可称为阵列光波导,“几何光波导”的概念最先由以色列公司 Lumus 提 出,其工作原理是耦合光进入到波导,经过一个反射面或者棱镜,再以某种方式导出波 导,进入人眼,通过光学透镜实现耦合。

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几何光波导的优势就是在于可以将光学模组体积变小并且把视场角放大,可以实现设备 轻薄化的趋势,但是它的难点在于工艺流程繁杂,良率难以保证,尤其是镀膜工艺,一 方面,镀膜时要保证每一个镜面有不同的反射透射比;另一方面,每个面的镀膜层数可 达几十层,生产工艺较难。

衍射光波导

衍射光波导的工作原理是通过衍射光栅完成光的耦合,衍射光栅可以选择材料表面浮雕 技术或者是全息技术,但本质都是在材料中引起了折射率的变化,改变光的传输方向。其工作原理是光路耦合进入波导传输,投影图像到达全息光栅,通过光栅的衍射改变光 线方向耦合进入光波导,之后光线到达出射全息光栅进入人眼。

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衍射光波导技术与几何光波导相比主要优势在于不需要像几何光波导中的玻璃切片和粘 合工艺,可量产性和良率要高很多。还可以拥有更大的显示区域、视场角,使得镜片更 加轻薄。但是缺点在于设计难度大、生产工艺难并且成本较高。

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光场——多景深显示是突破的关键

光场技术作为 AR 的另外一大技术路线,典型的例子就是 Magic Leap。光场的工作原理 是光导纤维投影仪,基于激光在光导纤维中传播后从纤维的端口射出时输出方向和纤维 相切的原理,改变纤维在三维空间中的形状,控制激光射出的方向,直接投射到视网膜。光场的优势就是可以允许用户自由对焦。

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但是光场目前的缺点就在于数据运算量极高,而且整个技术发展也不是很成熟,导致整 个方案成本较高。

五、AV\VR 之 3D Sensing:智能硬件向 AR 全面发展的重 要利器

AR/VR 为什么要采用 3D 摄像头技术?

1、获得周围环境图像的 RBG 数据与深度数据,进行三维重建;

2、实现手势识别、动作捕捉等人机交互方式。

根据硬件实现方式的不同,目前行业内所采用的主流 3D 感应技术主要有三种:结构光、 TOF、双目立体成像。结构光技术的基本原理是,通过近红外激光器,将具有一定结构特 征的光线投射到被拍摄物体上,再由专门的红外摄像头进行采集,而抓取物体的不同深 度区域,采集不同的图像相位信息,然后通过运算单元将这种结构的变化换算成深度信 息,以此来获得三维结构。而 TOF 是发出一道经过处理的光,碰到物体以后会反射回来, 捕捉来回的时间,已知光速和调制光的波长,能快速计算出到物体的距离,从而获取 3D 信息。

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已经比较成熟的方案是结构光和 TOF。其中结构光方案最为成熟,已经大规模应用于工 业 3D 视觉,但是极易受到外界光的干扰、反应速度较慢、精度较低,而 TOF 在这几个 方面均比结构光方案具有一定的优势,因此 TOF 目前在移动端较被看好的方案。双目立 体成像方案技术较新,还不够成熟,目前在自动驾驶领域应用较多。双目成像立体视觉 分辨率最高,而 ToF 技术分辨率最低;硬件方面,结构光需要高要求的照明复杂系统, 其余两项只需要简单的照相机和复杂的系统;双目成像立体视觉的计算能力最高;结构光技术适合中长距离的深度感应,ToF 只适用于短距离的捕捉;除了双目成像,结构光 和 ToF 都最好在室内使用,并且结构光技术需要电源。

3D 摄像头技术提供的手势识别功能将成为未来 AR/VR 领域的核心交互手段。目前各 大厂商推出的 VR 设备大都需要控制器,游戏控制器的优势在于控制反馈及时、组合状 态多。以 HoloLens 为例,就拥有一组四个环境感知摄像头和一个深度摄像头,环境感 知摄像头用于人脑追踪,深度摄像头用于辅助手势识别并进行环境的三维重构。

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HoloLens 相比以往任何设备的强大之处,在于其能够实现对现实世界的深度感知并进行 三维建模。HoloLens 拥有拥有一组四个环境感知摄像头和一个深度摄像头,环境摄像头 获得周围图像RBG信息,深度摄像头则利用TOF技术获得视觉空间深度图(Depth Map) 并以此重建三维场景、实现手势识别。

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LCOS(液晶覆硅技术)是小型化 AR 头显的关键技术之一。三片式的 LCOS 成像系统, 首先将投影光源发出的白色光线,通过分光系统系统分成红绿蓝三原色的光线,然后, 每一个原色光线照射到一块反射式的 LCOS 芯片上,系统通过控制 LCOS 面板上液晶分 子的状态来改变该块芯片每个像素点反射光线的强弱,最后经过 LCOS 反射的光线通过 必要的光学折射汇聚成一束光线,经过投影机镜头照射到屏幕上,形成彩色的图像。

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六、AR\VR 之显示:AMOLED 渗透率提升

AMOLED 持续渗透,趋势是从中小尺寸到大尺寸,从智能手机向平板、PC到头戴式设 备、TV。

AMOLED 代替 LCD 的重要性来自于以下几个方面:

需求 1:信息娱乐等高端显示提出高成像质量需求。以对比度为例,OLED 由于自发光原 理,像素熄灭便可实现真正的黑,而 LCD 则是通过液晶分子的旋转和偏振片来遮挡背光 源的白。这本质上决定了 OLED 具有更高对比度和更低功耗。而高清、高频、高质量显 示体验则是未来用于手机、电竞、VR 等应用屏幕的需求所在。

需求 2:AMOLED 更易实现异形屏设计与生产灵活性。OLED 自发光,无需背光模组和滤 光器,避免了全面屏窄边框处背光源经由导光板出射光辉度和亮度不均等问题。同时, LCD 背光模组异型切割难度(C 角刀轮切割+CNC 易致屏幕崩边)和成本更高(激光切 割)。

需求 3:相比于 TFT-LCD,AMOLED 的材料成本更低,如果能实现部分关键设备国产化 和制程良率提升,将是具有更高价值量的显示技术。小尺寸 AMOLED 成本已经能够实现 与 LCD 相媲美,大尺寸技术问题尚待解决。2018 年面板行业景气度处于上行阶段。继高世代 TFT-LCD 面板后,以 AMOLED 为代表 的新型显示面板投资进入高峰期,增资拓产动作频繁。2018 年 OLED/LCD 及相关配套建 线投资总计超 7000 亿,其中 OLED 投资规模接近 2000 亿。

目前大陆已投产 OLED 产线共计 12 条,在建及筹建 OLED 产线 7 条,总投资规模超 3500 亿元,其中京东方总投资金额高达 1395 亿元。而在 2015 年底,投产和在建的产线数字 仅为 4 条和 6 条。资本红利正当时,政府资金加速涌入助力开启“技术+产品+产业链”布 局。以维信诺为例,截止 3Q18,公司由年初至报告期期末计入当期损益的政府补助达到 8.56 亿元。12 月 19 日维信诺再发公告,再获得政府补助项目共计 6 项,属于为取得、 购建或以其他方式形成长期资产的政府补助总额人民币 20.00 万元;属于与收益相关的 政府补助总额人民币 55,857.4812 万元。

七、AR\VR 产业链梳理

AR 产业链主要分为硬件和软件两部分,其中硬件主要包括芯片、传感器、显示器件等, 软件分为基础软件和应用软件。存储包括兆易创新、芯片包括北京君正、全志科技等, CMOS 厂商包括豪威科技(韦尔股份),镜头产业链包括舜宇光学、欧菲光、联合光电、联 创电子、光宝科技(立讯精密)、利达光电、水晶光电、福晶科技,永新光学、歌尔股份 (AR 代工)、联创电子等,光学解决方案包括歌尔股份、水晶光电、利亚德等。



编辑:中国电源产业网

来源:国盛证券

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