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YVR于WAIC 2023展示首款手势识别应用 VR虚拟现实技术将在汽车领域取得哪些成果

2022年,XR产业逆势而上,爆发出强劲活力,在硬件、软件、内容及应用层面均获得全面升级。选取2022年XR产业代表性研究进展:轻薄化VR一体机和消费级AR眼镜的发布不断助推XR硬件产业迭代、PGC工具逐步标准化和低门槛UGC工具升温促进软件产业转型化发展、XR世界杯和XR音乐会应用内容为大众开启丰富的沉浸式赛事和演艺体验,点评了XR的研究热点。XR产业发展逐渐呈现软硬件一体、高品质多元化内容协同发展趋势,必将形成技术、产品、服务和应用共同繁荣的XR产业发展格局。

在全球经济受多重冲击背景下,扩展现实(extended reality,XR)行业伴随着元宇宙的崛起呈现出逆势而上的局面。目前,中国已有20多个省市将XR产业列入发展计划大力扶持,“十四五”规划也将虚拟现实(virtual reality,VR)列入数字经济重点产业。2022年11月,工信部等五部门联合印发《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划(2022—2026年)》,XR产业将迈入新一轮爆发期。这一年里,XR行业爆发出强劲的活力:从消费级VR头显热潮到Pancake光学“瘦身”方案,从增强现实(augmented reality,AR)眼镜走向消费级到嗅觉体验实现远程传输,从用户生成内容(UGC)工具升温到沉浸式赛事和演艺新体验,XR产业在软硬件、内容及应用层面均获得全面升级。本文选取2022年XR产业代表性研究进展,对部分关键技术和未来发展趋势进行分析和展望。

专用XR硬件的推出和性能提升是XR产业逐步走向成熟的驱动力。2022年芯片、光学模组、微显示屏等核心零部件全面升级,推动XR硬件产业链不断革新和完善。XR芯片领域,高通仍占据龙头地位,但随着2023年苹果混合现实(Mixed Reality,MR)头显Reality发布,芯片领域开始出现自研芯片趋势;光学模组方案整体向超短焦方案迁移;MicroOLED成为现阶段AR眼镜的微显示主流方案;嗅觉远程传输技术的突破催生多模态实时交互方式在更多场景的广泛应用。

在相当长一段时期内,XR终端将手机处理器作为主芯片。但XR设备比智能手机视野大,对环境感知、分辨率、刷新率等技术的要求高,对处理器芯片性能和能耗需求也更高。随着应用场景的丰富,XR设备市场认可度不断提升,XR专用芯片陆续推出,越来越多搭载专用XR芯片的XR终端设备发布。XR芯片性能的提升,有助于改善XR设备在高速无线通讯、高品质图像处理及多传感器信息融合等方面的体验,促进XR设备的进一步升级和产业化。

2022年9月27日,PICO4 VR一体机的发布点燃了消费级VR头显热潮,Quest Pro、SnowKylin等多款VR一体机新品相继发布。这些新品有一个重要的共性——搭载骁龙XR2芯片。骁龙XR2芯片是高通在2019年发布的全球首个支持5G的XR平台,比2018年发布的XR专用平台在性能上有了显著提升,也是首个支持低时延摄像头透视从而实现MR体验的XR平台,让用户可以通过佩戴XR设备进行混合现实交互与创作。2022年10月12日,高通宣布推出了引入全新图像处理管线(a)),该平台支持并行感知技术,包括头部、手势和手柄追踪、3D重建以及低于10ms时延的全彩视频透视MR体验。与骁龙XR2平台相比,骁龙XR2+实现50%的续航提升和30%的散热提升,支持在更小更轻薄的设备中赋能更丰富的沉浸式元宇宙体验,助推消费级XR产品的高度集成和应用。11月,高通又推出将搭载2023年发布的Meta Quest 3的第二代骁龙XR2(也称为Snapdragon 8 Gen 2或“Project Halliday”(图1(b)),该芯片综合能效较骁龙XR2平台提升15%。

Meta、苹果公司等巨头也纷纷布局自研芯片。苹果凭借其高端手机龙头地位,采用台积电5nm制程工艺定制XR头显芯片,苹果首款MR设备有可能采用的方案是:把M1作为高端处理器,再配置一个低端处理器,专门用于处理传感器数据。M系列芯片有望超越高通XR2成为最强XR芯片。Meta为摆脱对高通芯片的依赖,曾启动了代号为巴西利亚的XR芯片研发项目,但其自研芯片进展并不顺利,在2022年10月已发布的Quest Pro和即将发布的Quest 3VR头显上,仍然搭载的高通处理器芯片。Meta在加速器芯片RISC-V研发上取得了进展,该芯片是专用于AI处理的定制芯片,目前已集成在一款VR原型机上,但尚未量产发售。国际上,作为未来XR设备的主要供应商,苹果、Meta等对高通在XR芯片的霸主地位提出了新挑战。国内,国产芯片性能仍较落后,早期几款中低端VR一体机有搭载国产芯片,如采用全志VR9的电信天翼小V一体机,只满足低端观影等简单功能。近几年新推出的XR产品基本不使用国产芯片。目前,全志科技、瑞芯微、华为海思等国内芯片厂商,也逐步把业务扩展至XR一体机的主控芯片领域,但性能与高通芯片差距仍然明显。

VR光学作为VR头显的重要组成部分,以追求更小体积、更大视场角(FOV)、更优成像质量及更低成本为核心。因此,轻薄化成为VR头显光学器件发展的核心方向。

VR光学技术的发展主要经过了非球面透镜、菲涅尔透镜和Pancake3个阶段,体积重量不断减小。目前VR市场的主流方案是菲涅尔透镜,国内外技术相对成熟,成像清晰,FOV大,量产难度低,成本小,例如Quest2、PICO3等VR头显都选择了该类方案;但由于在透镜和显示模组之间必须保留一个用于对焦的空间,因此采用该方案的VR头显体积仍然较大,且容易产生畸变。随着VR头显在消费级市场的逐步渗透,C端消费者对VR头显的轻薄、成像质量及佩戴体验提出了更高要求。Pancake是指超短焦光学折叠光路方案,此方案不仅可以大大降低头显质量和体积,使光学模组进一步轻薄化,提升用户体验感和舒适度,也具备成像质量好、画面畸变小、可调节屈光度等优点,逐渐成为消费级VR头显光学发展和演进的方向。从2022年发布的热门VR头显性能参数(表1)看出:目前,Pancake成为VR头显轻薄化升级的首选方案。

早期基于Pancake方案发布的VR头显主要以分体机为主,无运算存储单元和6DoF追踪,无法独立运行,多用于观影和投屏显示。2022年,采用Pancake方案的6DoF VR一体机成为主流。相较于菲涅尔透镜,Pancake光学方案一方面可以大幅压缩屏幕到人眼的距离(图2(a)),达到菲涅尔方案的1/2到1/3(图2(b)),在轻薄性方面极为突出:2019年上市的3Glasses X1(Pancake)裸机重量仅有150g,较2017年的3Glasses D3(菲涅尔透镜)的重量上减轻了一半,厚度缩减了56mm;2022年发布的创维VR一体机Pancake1的镜片体积仅为2019年发布的创维V90(菲涅尔透镜)的1/4,厚度减少了50%以上;2022年发布的YVR2眼镜,整个光机厚度只有20mm,比传统菲涅尔镜片光机厚度减少50%左右,整机厚度压缩至42mm;2022年发布的Quest Pro的体积也比2021年发布的Quest2缩小了40%以上。另一方面,在屏幕分辨率一致情况下,Pancake较菲涅尔方案在清晰度上也有质的提升:2022年发布的PICO4(Pancake)较Pico3(菲涅尔透镜)前端重量减少26.2%,厚度减少38.8%,体积减少43%,光学清晰度提升近86%,像素密度单位(PPI)从773提升到1200,VR图像更加生动逼线月发布的VR一体机SnowKylin,采用自研Pancake光学模组,双目分辨率达到4560×2280(5K),1512PPI,画面更加清晰的同时将主机重量控制在190g,并且支持屈光调节,0°~800°近视用户无需佩戴眼镜使用。与当前采用Pancake方案的VR一体机整机重量在400~700g相比,SnowKylin最大程度的发挥了其自研Pancake光学模组的优势,不仅极大地控制了头显体积、减轻了头显重量,还有效抑制了Pancake方案可能产生的鬼影现象,画面更加纯净、清晰。

从Pancake和菲涅尔方案VR一体机参数对比表看出,2022年发布的热门VR头显的形态、功能和技术方案趋于统一,总体呈现出专业级设备(例如:QuestPro)和消费级设备(例如:Pico4、YVR2、创维Pancake1、SnowKylin等)2种不同的发展趋势。Pancake方案虽然可以实现光学模组的轻薄化,但其镜片成本是菲涅尔透镜的5倍以上,高良率下的批量生产对工艺的要求比传统的光学方案更高。此外,部分Pancake方案存在光效和鬼影问题,需通过改善透镜材料、形状等方式优化。业界也正逐步探索自由曲面、光波导、全息元件等前沿方案,以期进一步压缩光学模组厚度和重量,为用户提供更优良的沉浸体验。

AR眼镜需要同时看到现实世界和虚拟世界,因此,其对显示、光学及定位模块的要求都比VR头显要高。由于AR眼镜重量、显示效果和价格因素,之前的应用场景主要集中在2B端。2022年消费级AR眼镜研发取得重大突破,销量呈现井喷现象,Nreal、雷鸟创新、Rokid、小米米家、INMO影目分列2022年销量前五,其中Nreal Air眼镜第四季度出货量超过7万台,位列消费级AR眼镜品牌全球销量第一,在美国、日本也双双斩获当地智能眼镜品类销售第一。

Nreal Air眼镜采用分体式设计,搭载空间视网膜级显示效果的新一代Sony MicroOLED屏幕,内部采用自研“惊鸿锐影”光学引擎2.0,具有光学透视特性,屏幕长宽比16∶9,2D和3D模式下分辨率分别为1920×1080和3840×1080,FOV为46°,裸机重量79g,价格2299元。Nreal Air是全球首款获得低蓝光、无频闪、Eye comfort3项德国莱茵护眼认证的AR眼镜产品,支持与游戏主机、笔记本、平板、手机、掌机甚至智能汽车等多种设备连接,随时随地享受“口袋巨幕”:投屏模式下等效4m能投射130英寸巨幕,AR模式下等效6m距离可投射出201英寸巨幕(图3)。

2022年,雷鸟创新也推出了分体式XR眼镜雷鸟Air和Air 1S。Air 1S同样采用新一代Sony MicroOLED屏幕+Birdbath光学方案,分辨率为单眼1920×1080,FOV为45°,也通过了莱茵护眼3认证,裸机重量82g,可与PS、电脑、手机、Switch等设备连接,4m距离享受130英寸高清巨幕沉浸式影音体验(图4),办公文字、图像也很清晰,还有新增的隐私屏保护功能,2299元的价格更是有力地推动了C端消费级AR眼镜市场销量。

人类75%的情绪是由嗅觉产生的。长期以来的VR场景中,嗅觉体验一直处于缺失状态。随着交互场景的多元化需求,虚拟设备从视听觉交互开始向触觉、嗅觉等多感官立体化交互方式演进。2022年,瑞典斯德哥尔摩大学研究团队开发了一种可以独立储存各种液体气味的手持式嗅觉仪(NHO),该仪器可与HTC Vive手柄兼容(图5(a)),将物理气味与合成VR环境有机融合。测试者在VR品酒体验中,只要按下HTC Vive手柄即可触发并释放气味,总共可实现体验8种独特的气味。该仪器还设置了4种不同难度级别,难度越高,气味混合物越复杂,最后通过漂浮在桌子上方的4个虚拟圆圈提交答案(图5(b))。该研究可增强人类嗅觉体验,从而进行更多、更自然的嗅觉交互训练,在娱乐、科学或治疗方面具有较大潜力。

2022年11月,中国数字气味技术研发企业气味王国宣布完成其长期研发项目Telescent(嗅觉远程传递)系统,该系统基于“数字气味技术+机器狗技术+5G通信技术”,结合数字气味播放器可实现嗅觉信息的远程传输。在11月3—5日的中国杭州云栖小镇展会现场,体验者通过操控数十公里外研学基地的机器狗(图6(a)),使其在花田和温室大棚中穿梭,Telescent的气味远程互动装置则通过图像识别软件智能识别植物类型及其气味属性,再通过数字气味播放器释放出相应植物的数字气味(图6(b)),包括菊花、马樱丹、薄荷、迷迭香、千日红、向日葵等味道。气味王国线验店“气味元宇宙”还提供了脖戴式数字气味播放器,体验者可以隔着屏幕闻到涮好的牛肉散发出的浓郁香气,密林里幽兰与青草湿漉漉的清香,以及星空中忽隐忽现的神奇气味,颠覆了大众对嗅觉体验实现远程传输的认知。

XR开发工具包(software development kit,SDK)是指利用XR开发框架、通用开发引擎等,实现各种XR应用的逻辑编程、图形渲染和定位操控等开发工作的工具总和。 目前的XRSDK主要分为专业内容生产(PGC)工具和UGC工具2类。 PGC工具技术壁垒较高,Unity、UE两家基本形成垄断,主要助力程序员、软件开发商等B端客户实现专业数字内容开发;UGC开发工具上手门槛低,以Roblox Studio、代码乾坤等为代表,服务于不具备专业技术技能的普通用户,进行可视化数字内容的开发。 随着元宇宙生态发展的多样化需求,主流XRSDK逐渐标准化,低门槛UGC开发工具持续升温,迎来需求的增长。

XR SDK通常由专业性质的公司提供专业服务集合。基于不同SDK开发的应用程序可移植性差,造成XR行业应用程序碎片化问题严重。Khronos Group组织于2017年制定了一种免版权费的XR行业统一标准OpenXR,2019年正式宣布批准和公开发布,它提供了平台和终端的高性能跨平台接入,使应用程序无需移植或重写代码即可进入XR系统市场,可以帮助解决XR行业应用程序碎片化问题。目前越来越多的XR SDK开始集成OpenXR标准,对打造更加友好的XR开发者生态系统起到重要的推动作用。

2022年10月,Nibiru(南京睿悦信息技术有限公司)发布第一个正式版Cocos CreatorXR引擎(图7),该引擎是基于国产全自主研发三维交互引擎Nibiru Studio开发出来的一款无代码三维交互智能数据引擎,在Cocos Creator3.6.1版本中以官方插件的形式正式发布,开发者可以通过插件下载安装,或通过Dashboard模板/案例来启用Cocos CreatorXR。用户既可以在“所见即所得”的可视化界面中创建新的XR项目,也可以将已有项目工程转变为XR版本,通过OpenXR标准接口,一键打包发布到硬件平台,轻松解决硬件平台耦合及标准差异化问题,极大简化了设计难度,提高了设计效率。Cocos CreatorXR目前已支持包括Rokid Air,Meta Quest2,Huawei VR Glass,Pico Neo,Monado等多个品牌的设备兼容适配,率先成为支持XR设备的全功能国产引擎,填补了中国元宇宙软件产业领域自主可控引擎工具链的空缺,有助于推动各行业场景应用企业数字化转型及升级。

低门槛UGC开发工具作为直接面向普通内容创作者的XR SDK,正通过不断地升级迭代,降低开发者的入门和创作难度,帮助更多创作者更快捷地将创意落地,对整个XR硬件和内容生态的发展起到不可替代的催化和促进作用。

2022年6月,英国AR内容创建与发布平台Blippar将其无代码AR创建工具Blippbuilder(图9)集成至已有2.7亿月活用户的商业通信和协作平台Microsoft Teams,以期促进无编码经验的用户进行沉浸式个人或商业AR内容的创建和协作。9月,Blippbuilder集成Sketchfab为所有用户提供一个无缝3D资产采购解决方案,使其成为一款免费AR内容创建、发布和共享应用,用户只需免费注册或登录Blippbuilder账号便能访问菜单面板Sketchfab库。12月,Blippbuilder平台扩展支持了Magic Leap和Meta头显,使用户可以基于MR设备进行交互式元宇宙内容创作,并将开发的体验发布到社交媒体网站,而无需为不同设备添加格式化步骤。

2022年12月,沉浸式3D社交平台Spatial宣布推出基于Unity的新工具包Spatial Creator Toolkit(图10),用于支持不具备专业技能的普通用户进行沉浸式内容的访问和构建,用户可通过工具包一键发布视觉效果,还能通过网络、移动和VR载体进行发布。Spatial还宣布了集成Sketchfab,支持用户访问更多的3D模型和对象,从而获得定制性和创造性的交互式体验,使元宇宙游戏构建变得轻松无缝。新工具包的推出将有助于打造现场多人游戏体验,使更多用户参与元宇宙的方式从静态转变为动态和交互式。

从广播到电视,从PC到移动互联,再到VR,伴随着科技的不断突破,世界杯看球方式不断升级。VR看球、AR观赛成为2022年世界杯赛事体验的新风潮。

PICO通过打造“世界杯主会场”“世界杯狂欢夜”等VR看球场景(图11(a)),并与世界杯赛事信息紧密结合,为用户营造了氛围、互动感十足的视听觉震撼体验,不仅赢得了用户认可,也将VR行业转播大型赛事的能力和水平提到了全新的高度,更为VR内容的破局探索出了新的思路。相较传统电视直播,VR对直播技术及传输算法的要求更高。PICO采用自研的TrueLive全真超清显示技术,有效提升了视频解码及渲染效率,比实时直播标准提升近50%的观赛清晰度;基于火山引擎RTC方案,可提供随用户位置、头部姿势变化而变化的空间音频音效;在“世界杯狂欢夜”场景中,首次采用8K·360°·3D多机位实时直播,精准还原线下酒吧真实场景,并且通过自研切片算法融入云端实时合成比赛画面,不仅提升了直播过程的流畅性,也避免了用户线上互动的延迟问题,实现帧级同步,真实感更强。YVR、NOLO也分别与移动云VR携手打造3D互动全沉浸世界杯观赛模式(图11 (b)),将“赛事直播流+全员随机虚拟形象+3D空间互动”汇聚合一,跨平台覆盖移动云VR头显端、咪咕视频APP,实现VR场景下的“百人同屏”互动,创新大众层面的新虚拟观赛体验。

国际足联也通过AR技术为世界杯现场观众呈现了一场特殊的AR观赛体验。现场球迷只需通过手机打开国际足联官方应用FIFA+,将摄像头对准球场完成智能校准后,就能在手机屏幕上查看2支足球队的实时数据:各自的阵型、射门次数、进球转化率、犯规次数等(图12)。用户还可在手机屏幕上点击场上球员,查看该名球员的姓名、号码、个人最快速度、赛场上总移动的距离、上场时间及攻防时的跑动热点图等信息。

XR音乐会凭借其完全身临其境的体验、360°视角及高品质的音频和视觉效果,为歌迷提供与众不同的亲密、互动和无与伦比的音乐会体验。

索尼公司基于其专有的360 Spatial Sound技术在360 Reality Audio平台上实时分发三维声音和视频,为用户开启了一场VR音乐会临场音效体验(图13(a))。该平台还可以让歌手将人声、合唱、乐器等声源与位置信息映射,创建360度音乐体验,当听众播放生成内容时,他们将能沉浸其中。虚拟偶像乐队Gorillaz在2022年12月18日联手Google公司于伦敦皮卡迪利广场与纽约时代广场打造了一场基于位置的AR音乐会体验。该场音乐会由谷歌的ARCore地理空间API提供支持,将数字内容绑定到谷歌街景覆盖的真实世界位置,虚拟乐队成员形象、演唱会视觉效果与互动元素与真实的城市背景融为一体(图13(b)),让观众沉浸在独特的混合现实体验中。观众可以在iOS或Android应用程序Gorillaz Presents中观看演出,“现场”表演结束后,用户还可以随时在应用程序内反复观看表演。

2022年12月14日至16日,中国移动咪咕联合NOLO打造了一场元宇宙空间“星座·M”动感地带世界杯音乐盛典,成为全球首个数实融合、超精度建模、全景交互的超时空演唱会。除了平面空间体验,用户还可以通过NOLO CM1 VR一体机以第一视角开启360°自由探索,打破单一视角视线限制,或通过手柄开启“体感飞行”模式,享受360°沉浸式自由观演和超高清演艺视听盛宴(图14(a))。盛典还邀请了众多明星与数智人同台首秀(图14(b)),每位登陆者还可以领取星座·M专属通行证,个性化定制自己的元宇宙数智分身形象,开启一场无比沉浸的元宇宙派对。

2022年,XR硬件产业展现出了强大的活力,主流芯片、光学模组、微显示器、嗅觉交互等技术不断升级,VR头显向着轻薄化方向演进,AR眼镜走向消费级推动其销量快速增长产业活跃度空前高涨。但国内硬件产业基础仍较薄弱,整体而言,技术研发层面单点改进多、系统性的突破较少;应用研发层面较多,基础创新层面较少。目前XR硬件产业发展中还存在一些共性技术难点和瓶颈问题:XR专用处理芯片在设计能力和制程工艺上与国际先进水平仍存在较大差距,显示和封装材料等关键产线设备几乎全部依赖进口,光场显示等前瞻领域尚存在大量研发空间。因此,应科学统筹、集中力量、优化机制、协同攻关,着力补齐硬件产业链短板,突破高性能、低功耗XR专用处理芯片等关键器件的研发创新,推动新型高清微显示器件的规模化量产,促进光波导、光场显示等前沿技术的联合创新,发展一体、分体、车载、云端等多形态XR设备,加快轻薄化、高分辨率、大视场角近眼显示设备及沉浸式裸眼音视频系统研发,加快提升XR硬件产业核心竞争力。

随着XR应用需求的快速增长,PGC类工具开发效能远远无法满足多样化内容生态需求:一方面,各大厂商建立起自己的开发平台和软件生态,专业XRSDK总体呈现标准化趋势以简化开发和内容上线流程;另一方面,软硬件全面升级推动低门槛UGC工具盛行以促进更多普通用户参与到UGC内容创作。中国XR软件市场总体尚未形成规模,3D建模、动画、渲染、仿真系统等相关配套技术、产品仍严重依赖国外。因此,应重点突破中国XR软件产业发展中的共性技术难题,建设关键技术研发、测试、技术服务和人才培养平台,提升XR产业关键软件供给能力,加快软件自主创新,构建优质内容共建共享平台:开发PGC、UGC、AI生成内容(AIGC)等不同种类三维场景编辑器、高效拼接缝合、云端高精实时渲染等关键内容生成软件,重点发展几何、物理、生理、行为等高度拟线DOF拍摄、全息视频采集渲染、虚拟化身及基于地理位置信息服务的沉浸式交互内容生产工具,研发实时性、多任务XR操作系统,快速推动XR软件技术的规模化应用,实现XR软件产业的跨越式发展。

2022年,教育、医疗、影视、体育健身等应用领域内容供给持续丰富,“VR+”新模式、新场景、新业态不断涌现。但国内整体内容生态仍不够丰富:娱乐层面应用多,战略层面行业应用少;视觉展示类体验多,深层次、高质量交互类内容体验少。现阶段XR产品形态功能与行业应用联系不够紧密,尤其缺乏航空、医学、军事等高端行业应用系统和产品;对优质内容不够丰富问题,可通过不同层面同步推动大众类、低门槛类和高品质类XR内容的生产,形成内容生态与软硬生态互相促进的良性循环。因此,应以推动多场景应用融合为目标,鼓励地方政府出台促进XR应用创新的新举措,优化培育行业应用发展环境;支持地方高校与领军企业组建创新联合体,推进XR产业链上下游配套协作,形成区域性XR产业链协同创新联动机制;在工业、教育、医养、文旅等重点领域开展应用示范工作,形成一批有成效、可推广、易复制的创新应用类项目;发展基于云端及地理位置服务的XR运营平台,实现内容的聚合、分发、支付等功能,形成内容牵引力、软件推动力与硬件支撑力三力协同发展的XR产业发展格局。

2022年,轻薄化VR头显和消费级AR眼镜推动XR硬件产业升级、PGC工具逐步标准化和低门槛UGC工具升温促进软件产业转型化发展,XR世界杯和XR音乐会为大众开启了丰富的沉浸式赛事和演艺体验。中国XR产业展现出强大活力的同时,也暴露出核心零部件、关键软件和多场景应用融合发展中的共性难点和瓶颈问题,仍需推进关键技术融合创新,夯实产业基础,加快提升硬件产业核心竞争力;提升关键软件供给能力,加快软件自主创新,构建优质内容共建共享平台;推动多场景应用融合,鼓励创作者经济,持续丰富XR内容产品高质量供给,实现软硬件一体、高品质多元化内容协同发展趋势,打造技术、产品、服务和应用共同繁荣的产业发展格局。

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