2022年VRAR行业深度研究报告.docx
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1、2022年VRAR行业深度研究报告1. 元宇宙的入口:沉浸式宇宙和交互式宇宙VRAR 设备是元宇宙的入口,对于元宇宙未来的发展,我们认为会有两种理解,或者说 有两条发展路径,一是以 VR 为代表的沉浸式宇宙,二是以 AR 为代表的虚拟与现实交 互式宇宙。VR(Virtual Reality),即虚拟现实,通过构建数字化虚拟世界,佩戴设备的 人依靠先进的人机交互设备沉浸在虚拟世界中。AR(Augmented Reality)/MR( Mixed Reality),即增强现实技术,也被称为混合现实,强调虚拟与现实的混合和交互。1.1. 以 VR 为代表的沉浸式元宇宙在以 VR 为代表的沉浸式元宇宙
2、里,场景中所有的物品都是虚拟的。如电影 Ready Player One头号玩家所展现的,现实世界混乱破败,但是在通过 VR 设备进入虚拟 世界“绿洲”之后,玩家可以享受超级跑车、美味佳肴,甚至变身高达和哥斯拉,探索 The Shining 酒店等物理世界中不存在的东西。1.2. 以 AR 为代表的交互式元宇宙元宇宙未来发展的另一条路径,则是强调虚拟和现实之间交互的增强现实,AR 为基于 现实的拓展,通常是通过设备将数字世界叠加到物理世界上。任天堂、The Pokemon Company、Niantic Labs 联合制作开发的宠物养成对战类 RPG 手游 Pokemon GO 在 2016
3、年爆火,让全世界认识了增强现实技术。在这款游戏中,玩家可以在现实世界中 不同场景(地理位置和景色),发现和抓捕宝可梦(数字宠物),进行喂食等互动和养 成。电影 Ironman 2 中展现的钢铁侠 Tony Stark 的操作台是一种基于投影的增强现实,钢铁 侠可以利用手势将投影出的物体展示在真实空间中。而在 Avengers 中,Tony Stark 穿 戴战甲之后可以在实时看见现实世界的同时与人工智能互动,利用人工智能甄别视线范 围内的攻击目标。各类艺术作品给我们展示了沉浸式元宇宙和交互式元宇宙的愿景。包括多样化的的应用 场景、高度的沉浸感、丰富的人机交互形式。虽然短时间内,科学技术无法完全
4、达到电 影中所展现的效果,但是伴随着科技水平的不断发展,元宇宙有望不断包含在娱乐、工 业等各种场景之中。在元宇宙中人的创造力是无穷的,时间和空间可以被有效的延伸, 在现有宇宙中人类受时空的限制做不到的事情可以在虚拟现实的宇宙当中实现。2. VR/AR 的发展:技术和内容双驱动2.1. 虚拟现实技术的成熟度:稳步爬坡复苏期Gartner 技术成熟度曲线解释了一项新技术出现之后,在媒体的曝光频率和技术的发展 随着时间而变化的过程。技术成熟度曲线都将技术的生命周期划分为五个关键阶段。技术萌芽期:在技术萌芽期,潜在的技术突破即将开始。早期的概念验证报道 和媒体关注引发广泛宣传。通常不存在可用的产品,商
5、业可行性未得到证明。期望膨胀期:早期宣传产生了许多成功案例 ,通常也伴随着多次失败。某些公 司会采取行动,但大多数不会。 泡沫破裂谷底期:随着实验和实施失败,人们的兴趣逐渐减弱。技术创造者被 抛弃或失败。只有幸存的提供商改进产品,使早期采用者满意,投资才会继续。稳步爬升复苏期:有关该技术如何使企业受益的更多实例开始具体化,并获得 更广泛的认识。技术提供商推出第二代和第三代产品。更多企业投资试验;保 守的公司依然很谨慎。生产成熟期:主流采用开始激增。评估提供商生存能力的标准更加明确。该技 术的广泛市场适用性和相关性明显得到回报。虚拟(增强)技术可以分为五大类:近眼显示、感知交互、网络传输、渲染计
6、算与内容 制作。近眼显示方面,快速响应液晶屏、折反式(Birdbath)已规模量产,Micro LED 与衍 射光波导成为重点探索方向。感知交互方面,内向外追踪技术已全面成熟,手势追踪、 眼动追踪、沉浸声场等技术使能自然化、情景化与智能化的技术发展方向。网络传输方 面,5G+F5G 构筑虚拟现实双千兆网络基础设施支撑,传输网络不断地探索传输推流、 编解码、最低时延路径、高带宽低时延、虚拟现实业务 AI识别等技术。渲染计算方面, 云渲染、人工智能与注视点技术等进一步优化渲染质量与效率间的平衡。内容制作方面, WebXR、OS、OpenXR 等支撑工具稳健发展,六自由度视频摄制技术、感知交互:由内
7、向外追踪定位(Inside-Out)技术全面成熟: VR 头显的追踪定位技术可分为两类,一为 Outside-in 外向内追踪定位,另一种为 Inside-out 内向外追踪定位。Inside-out 在过去两年已经被主流方案所采用。 Outside-in 外向内追踪定位,又称为 Lighthouse 定位系统。Lighthouse 定位系统通常需 要事先放置至少两个定位点设备,摆放在房间对称的两个位。两个定位器会发射出激光、 红外线、可见光等覆盖两个定位器之间的空间,并建立三维位置信息,通过三角定位的 方法确定佩戴者的位置和移动方向。Outside-in 外向内追踪定位是目前主流定位中最精
8、准的定位方式之一,并且稳定性较好。无论是玩大型动作游戏,还是 FPS游戏,效果都 不错,可以通过增加定位器的数量,来扩大可移动定位的范围。Outside-in 外向内追踪 定位的第一个缺点是不方便要做到 Outside-in 定位需要提前架设好 Lighthouse 定位 基站,架设基站得需要一定的空间,对于较小的空间相对不太友好。其次,采用 Outside-in 技术的头显,价格相对于 Inside-out 技术更昂贵。Inside-out 内向外追踪定位,相对于 Outside-in 外向内追踪定位来说最大的特点是无 需架设额外的定位装置,仅依靠 VR 头显内的摄像头进行定位。Inside
9、-out 的原理是依 靠光学追踪在 VR 头显中安装摄像头,让设备检测外部环境的变化,再经过 SLAM 算法计算出摄像头的空间位置。 Oculus Quest 2 即为 Inside-out 内向外追踪定位头显,Oculus Quest 2 正面配备了 4 颗 环境摄像头,当设备的位置发生变化的时候,通过计算位移就可以反向得出设备在空间 中的运动坐标。经过 Oculus Quest 第一代的优化以后,Oculus Quest 2 定位方面更加 精准,即便是在复杂光线的环境下,跟踪也基本上不会出现丢失的情况。除此之外, Oculus Quest 2 还支持手部追踪。 因为便携性一直都是与 VR
10、设备密不可分的因素之一, Inside-out 内向外追踪定位方案, 也是目前 VR 发展的主流方向。感知交互:眼动追踪成为虚拟现实终端的新标配眼动追踪技术主要运用在三大方面:注视点渲染、感知交互和用户行为分析。 注视点渲染:基于眼动追踪,仅对 XR 视野内用户注视的中心区域进行高精度渲染,而 对视野内的其他区域进行低分辨率渲染,在降低 GPU 着色负载的同时保持高帧率,以 此更好配置有限的算力资源,让用户获得出色体验。在搭载了 Tobii 眼动追踪系统的 Pico Neo3ProEye 设备上所进行的基准测试显示,动态注视点渲染可将帧率提高 78%,能耗降低 10%。 眼动交互:眼动追踪有着
11、交互成本低,交互路径短的优点。传统头显基于陀螺仪和手柄 来锁定和选择目标,需要在特定的空间环境,对环境亮度、空间大小、私密性甚至用户 体力等要求较高。采用眼动交互方式,头动仅控制视野,眼动锁定目标,令 XR 设备在 更宽松环境下得以使用,用户体验更加轻松自然。 用户行为分析:厂商和开发者可以借助眼动追踪信息进行用户行为分析,从而对产品、 游戏制作等进行优化和定制。早期虚拟现实终端(如 HTC Vive、Hololens V1、Meta2 等)以 6DoF 头动追踪技术作为 眼动追踪的近似替代,在达成沉浸体验门槛后,日益进阶的用户需求开始对眼动追踪提 出了更高要求。眼动追踪主要涵盖注视点追踪、瞳
12、孔位置尺寸追踪、眼睑数据采集、生 物识别等,得益于该领域在虚拟现实融合创新与以人为中心研发思路上的技术潜力,眼 动追踪日渐成为 VR/AR 终端的新标配,且应用场景趋于多元。例如,注视点追踪可用 于眼控交互、可变注视点渲染与注视点光学、FOV 一致性补偿、可变焦显示系统中的辐 辏调节冲突控制等任务场景。眼动追踪技术主要分为基于特征与基于图像的发展路径。 两种方案均须红外摄像头与 LED 完成,前者通过光线在角膜外表面上普尔钦斑(Purkinje image)反射以推算瞳孔位置,已成为 SMI(苹果)、EyeFluence(谷歌)、HololensV2、 Magic Leap One、七鑫易维、
13、Tobii 等代表性产品的技术方案。当前,眼动追踪技术发 展的难点与焦点在于眼动算法如何基于所采集的原始眼动行为来“透视”用户意图。此 外,除追踪精度指标外,用户个体与环境差异(眼球角膜、佩戴眼镜、周围光线等)对 系统通用性提出了更高要求。时下多数眼动追踪系统须先行完成用户标定校准后方可使 用,业界积极尝试在现有眼动系统架构中更多引入深度神经网络等人工智能算法,以期 精简用户使用流程,并增强系统通用性。显示方案:消费级 VR 因延迟、刷新率和分辨率产生的眩晕基本消除消费级 VR 的产品形态较为成熟,因延迟、刷新率和分辨率产生的眩晕基本消除。分辨 率决定显示清晰度,4K 屏已经成为了如今 VR
14、的主流配置,刷新率决定了流畅性,如今 的 VR 设备大多为 90HZ 甚至更高。 近眼显示技术受限于核心光学器件与新型显示的的发展,随着市场需求日渐清晰,产业 内对近眼显示领域表现出更高期待。在显示技术领域,快速响应液晶与硅基 OLED(OLEDoS)作为主流的显示技术,处于实质规模量产阶段,微型发光二极管 (Micro-LED)有望迅速发展。快速响应液晶被广泛用于 2020 年发布的新一代代表性 VR 终端,如 Facebook Quest2 即采用一块改良后的 Fast-LCD 替换了上代产品中的两块 AMOLED。当前快速响应液晶屏成为多数 VR 终端的常用选择,主要表现为以超高清 (如
15、 5.5 英寸 3840*2160 分辨率)、轻薄(2.1 寸 1600*1600)、成本(5.5 寸 2160*1440)为 设计导向的三类技术规格。AR 光学方案仍在演进中光学方案是 AR 产品的核心,光学方案仍在演进中,产业处于以硬件技术发展驱动为主 的阶段。AR 的显示模组包含微显示屏幕和光学镜片两部分,微显示屏幕的选择取决于 采用的光学方案种类。2021 年发布的 AR眼镜中,采用 Birdbath 和自由曲面光学方案的 眼镜都采用了硅基 LED 屏幕,而采用光波导方案的 AR 眼镜,则选择了 Micro LED 和 lcos 两种方案。 光学方案是 AR 设备的关键和主要成本项。A
16、R(增强现实)设备需要将光学输出显示在 透明镜片上,需要技术难度较高的光学方案,主要技术路线有离轴光学、棱镜、自由曲 面和光波导方案,其中光波导方案是公认的下一代方案。可进一步分为几何(阵列)光 波导和衍射光波导两大技术路线。 衍射光波导是目前业内的先进技术,可以分为两类:表面浮雕光栅波导和体全息光栅波 导。但体全息光栅波导色彩均匀性差,且在产品化和产业配套等方面也远不如表面浮雕 光栅波导,故表面浮雕光栅波导更受厂商青睐,被普遍认为是 AR 行业未来的主流显示 技术路线。相较于棱镜、自由曲面、全息反射薄膜,几何光波导等显示技术路线,衍射 光波导技术具有视场角大、眼动范围大、量产性强、图像质量最
17、高等特点,并可减少设 备镜片的厚度,使设备更加轻便。微软 HoloLens,Maigc Leap One,DAQRI 等 AR 头 显采用的即是衍射光波导技术。眼镜 6DOF、手柄 6DOF 以及六自由度视频带来了更加沉浸的体验基于视觉追踪的手柄 6DOF 成为主流。VR 眼镜 6DOF 交互包含两大部分:头部 6DOF 和手柄 6DOF。由于高通 XR 芯片只集成了头部 6DOF 视觉追踪算法 license,目前采用高 通 XR 芯片的 VR 眼镜可以实现头部 6DOF 功能,但手柄 6DOF 功能需要自研开发。目 前,手柄 6DOF 有视觉、超声波、电磁波等方案,基于计算机视觉的手柄 6
18、DOF 追踪方 案,利用 VR 眼镜上的摄像头可实现手柄 Inside-out 的 6DOF 追踪,硬件集成度高,成 本低,但是前期对算法的开发难度高,目前仅有几家厂商能够实现基于视觉的手柄 6DOF 技术能力。 基于计算机视觉的手柄追踪方案成为当前主流的方案,随着 Quest2(基于计算机视觉 的手柄追踪方案)的热销,Pico Neo3,爱奇艺奇遇 3、爱奇艺奇遇 Dream、HTC VIVE Focus3 等,均采用了基于视觉的手部 6DOF 追踪方案。 手柄独立 6DOF 功能可能是下一代 VR 感知交互的方向。Quest2 的手柄是基于眼镜的 4 个摄像头追踪,因此手柄上设计了一个比较
19、大体积的追踪环。由于眼镜摄像头覆盖角有 限,因此手柄追踪会存在视觉盲区。下一代产品手柄将取消追踪环设计,而直接在手柄的顶部安装 1 个、底部安装 2 个摄像头,让手柄具有独立的 6DOF 功能。虚拟化身社交性的虚拟化身我们预计在 2023 年有所突破。目前社交性的虚拟化身已经处于实现 的过程中,或者处于已经实现并持续被优化的过程中。 2021 年 12 月 24 日腾讯音乐娱乐集团(TME)宣布将正式推出国内首个虚拟音乐嘉年 华 TMELAND,并已在 TME 旗下 QQ 音乐等平台上线预约页面。用户可以在这里创造 个人专属虚拟形象,与其他人交流互动,还可以参与虚拟直播、虚拟演唱会等数字场景。
20、 此外,百度 AI开发者大会召开时,参会者在会议室里面捏脸创造一个虚拟形象参会。社 交性的虚拟化身更早的应用还包括 Fortnite 演唱会等。未来的全身型虚拟化身也值得关注,终端的设备可能不只是头戴、头显的,包括很多的 终端,一些触感的虚拟设备也是比较重要的。 我们认为,目前整体行业发展刚好处于泡沫破裂了以后开始缓慢的爬坡恢复中,所以会 被许多人误认为是炒作,但是有许多科技公司可能在未来 13 年在设备端和技术端推出 一些有所突破的技术。2.2. 沉浸度体验的发展阶段信息通信研究院的另外的一个层次的产业发展时代的划分是根据沉浸度体验的层级分为 初级沉浸、部分沉浸、深度沉浸和完全沉浸 4 个阶
21、段。2022 年至 2025 年,已经进入深 度沉浸,规模上量和生态繁荣的发展阶段。2.3. VRAR 产业链目前的 VRAR 的产业链主要包括以下硬件、软件、内容和应用几个方面: 1)硬件:硬件产业链包括了核心元器件,感知交互,终端,配套外设等。其中,终端 包括 VR 和 AR,终端的生产方式包括了 ODM 和 OEM。核心器件主要包括芯片、显 示屏幕、光学器件等。例如,高通 XR2 芯片是目前主流选择,是基于高通骁龙 865 芯片的优化和定制,VR 一体机大部分都采用了高通的方案,AR 既有 XR 系列芯片 的终端,也有部分终端采用了可穿戴芯片。与手机产业链相比,相对独立的模块主 要是感知
22、交互模块。 2)软件:软件包括系统软件和工具软件。软件包括了操作系统和 UI,工具软件主要是 SDK、开发引擎、建模工具、渲染软件等。操作系统以基于安卓系统二次开发为主, 芯片大部分采用高通 XR2。开发平台典型的如高通 Spaces 平台专注为高通芯片驱 动的头显提供开发工具,可以提供空间定位、手势追踪、环境识别 SDK 等。开发引 擎包括了以 Unity(Unity Mars)和 Unreal 为代表的专业开发引擎,以 Roblox、代 码乾坤为代表的 UGC 引擎。SDK 常见的有 Google-AR Core、Apple-AR Kit、华为AR Engine、百度-VR suite、O
23、culus- Developer Hub。 3)内容:内容包括内容制作和分发等。内容制作方面具体包括了游戏、影视、直播、 社交等。分发主要是内容分发平台,Steam 平台作为最早的 VR 内容平台,内容审 核较为宽松,也是目前内容最多的平台。 4)应用:应用包括了消费端的应用和企业端的应用。企业端常见的应用有医疗健康、 教育培训、军事安防、工业生产等行业。消费端的应用仍然以娱乐为主。3. 现象级产品引领市场,C 端迎来拐点3.1. VR:进入一体机时代,头显进一步轻薄化VR 产品从 2014 年至今,可以分为三个阶段,分为 20142016 的 VR 盒子时代, 20162020 的 PCVR
24、 时代,2020 至今的 VR 一体机时代。20142016 的 VR 盒子时代:2014 年 Facebook 收购 Oculus,硬件终端方面也可以将 从 2014 到 2016 年划分为 VR 盒子的时代,VR 盒子只是一个手机和一个外部相结合的 设备,增加了光学显示的一些技术,和 3D 成像比较类似。 20162020 的 PCVR 时代:2016 年被称为虚拟显示产业发展的元年,标志性的事件是 PCVR 的推出。PCVR 包含头戴设备,玩家移动范围不能出圈,算法依赖连接的 PC 端 主机运作。2016 年,Oculus,Google,Microsoft 都推出了 PCVR 的一些产品
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