VR/AR:元宇宙发展的“充分不必要条件”-技术圈

来源：华尔街见闻、锦缎等

物联网智库整理发布

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导读

2014年时，当时还叫Facebook的公司收购了Oculus，一度被认为是一笔失败的投资，而时间拉回到现在，当“元宇宙”火了以后，从技术的角度再来看当时的收购案是否失败，或许得到不同的答案。

最近半年以来，百度指数中“元宇宙”词条的资讯指数从0最高暴增到了337294，可谓是异常火爆。

在移动互联网红利快被吃尽的当下，各大企业都在急于寻找下一条增长曲线，元宇宙概念的出现可谓恰逢其时，这也就不难理解如今各行各业的炒作和狂热了。

人人都想从元宇宙中“分一杯羹”，科技巨头们则致力于掐住元宇宙时代的“动脉——我们知道，智能手机是移动互联网时代的入口，那元宇宙世界的入口会是什么呢？在现阶段大部分人的畅想中，大概率是VR、AR等设备。

所以，今天我们就来聊聊这些元宇宙的“前置技术”或者说“充分不必要条件”都发展到了何种程度。

VR:最大概率的元宇宙入口

想必大家都看过《头号玩家》这部畅想未来元宇宙的电影，电影的情节由游戏开始展开，这也与目前大部分互联网公司的判断基本一致：游戏是元宇宙的一块大蛋糕，而能够承载这种游戏交互和体验的设备，目前来看大部分公司都投票给了VR。

早在20世纪90年代初，钱学森就开始了解到“Virtual Reality”这一概念，便想到将之应用于人机结合和人脑开发的层面上，并建议将其中文翻译为为“灵境”。他认为，灵境技术的产生和发展将扩展人脑的感知和人机结合的体验，使人与计算机的结合进入到深度结合的时代。

而到了2016年时，VR曾经火过一次，那一年也被称为“VR元年”，一时间各路资本疯狂涌入。但是疯狂的背后，技术不成熟、商业化落地难让很多VR企业一直处于不断烧钱却不断亏损的状态，这条赛道的前景急转直下，在很长一段时间里，VR变得销声匿迹。

而在今年，随着元宇宙的爆火，VR又出现在了大家的面前。和上一波的炒作不同的是，目前各大互联网厂商都在加速布局：Meta、微软、字节、爱奇艺等公司都在做相关产品或者收购公司，显示出了和2016年截然不同的景象。

在上一波的浪潮中，当时的VR设备多采用了两块1080p的屏幕，和手机的显示效果一致，但是由于屏幕距离眼睛的距离比手机小很多，颗粒感和画面的纱窗效应非常严重。同时，由于LED屏幕存在的余晖效应并且延迟较高，显示元器件大多选择的是OLED屏幕，但在当时三星无法解决OLED屏幕良品率的问题，导致价格居高不下。

时间到了现在，当前主流的VR使用的解决方案是快速响应液晶，如Oculus Quest 2用一块改良后的Fast-LCD替换了之前产品的AMOLED屏。这块屏幕的特性主要是延时低，可改善画面拖影、降低眩晕感，缓解动画模糊，具备动态渲染技术，使游戏运行更流畅，更兼顾了成本。

iPhone13的屏幕像素密度已经达到了460ppi，而头戴式设备因为屏幕距离眼睛非常近，4K的分辨率也是不够的，VR显示器的理想像素密度需要在2000ppi以上。但这已经远超目前LCD和OLED显示器可以达到的水平。

而被称为下一代显示技术的Micro-LED将有可能解决这一问题。Micro-LED在对比度、反应时间、能耗、可视角度、分辨率等各方面指标均强于LCD以及OLED，具备低功耗、高亮度、高对比、反应速度快、厚度薄等优势，体积约为目前主流LED大小的1%，每一个像素都能定址、单独驱动发光，将像素点的距离由原本的毫米降到微米级。

国内主要面板厂商（如京东方、华星光电、三安光电等）目前也都在有紧跟布局Micro-LED，但现阶段产品良率还稍显不足。综合当前Micro-LED厂商量产计划来看，可能要在2022年后才能实现规模化。所以密切关注Micro-LED的规模化量产时间，或许可以作为判断VR设备进一步发展的指标。

除了屏幕和显示之外，佩戴在头部的VR设备的重量可以说是用户体验最直观的感受。

目前，微软HoloLens 2的重量是566g，Oculus Quest 2的重量为503g，而HTC VIVE Focus 3的重量高达785g，在头部佩戴这种重量的设备非常容易疲劳。之前采用菲涅尔透镜的VR设备，要求透镜与显示面板之间必须保持一定距离，导致设备一直非常的厚重。

而短焦光学已打磨发展了几年的时间，已有自由曲面和基于反射偏振的折叠光路（Pancake）两种方案。为了解决设备厚重的问题，现在利用超薄VR（Pancake）的半透半反偏振膜的双透镜系统折叠光学路径已经成为了解决方案的主流。Pancake可以细分为两片式和多片式两种方案，目前市面上常见的两片式居多，由于其对生产工艺的要求简单，成本可控且成像效果有保障，因此也是目前大多数VR眼镜所采用的短焦光学方案。

操作系统方面，Andriod和IOS系统在手机端已经非常成熟，而在VR中，结合VR的显示特性使得虚拟现实OS有望成为首个3D化操作系统。目前市场上是以虚幻、寒霜、起源引擎等为3D图形开发引擎为代表的技术已经非常成熟并且随着算力的提升还在高速发展当中，完全能够承担将2D升维变成3D虚拟现实操作系统的任务。

除了操作系统以外，追踪也是VR设备必备的一项技术。由于佩戴VR设备后用户的双眼无法看到周围的环境状况，在移动过程中的安全和设置边界就显得至关重要。追踪技术目前主要有两类：“Outside-in”和“Inside-out”。

外向内追踪技术(Outside-in Tracking)需要在室内放置传感器，有较高的准确度，因为传输数据量少，延迟低，可以降低部分不适感。但是外接设备的限制也很明显，例如：追踪物体远离传感器的测距或是被物体遮挡时，就无法获得位置讯息；操作者不能随意离开传感器的有效监测区，也就限制了其自由活动范围。

而内向外追踪技术(Inside-out Tracking)不需任何外接传感器，能够实现设备的无绳化，不受遮挡和传感器监测范围限制，支持更高的自由度（三轴及旋转共六个自由度，即6DOF）。因为不依靠外界设备，需要用相应的算法计算出物体的位置信息，所以对算力的要求更高，精度低于外向内追踪技术。随着机器视觉算法的逐步成熟，Inside-out方案仅靠VR头显上的摄像头即可准确定位，有效降低了硬件成本。

AR:虚拟和现实的交融

对于VR设备来说，它的优点和缺点都是来自于“完全沉浸式的体验”，缺少与现实世界的交互，如果未来的元宇宙只是虚拟世界，那只是一种增强版的游戏而已，而AR则补齐了这块短板，让虚拟和现实能够更好的融合，让元宇宙能够赋能千行百业。

AR与VR的不同之处，在于AR设备需要透视的功能，既要看到真实的世界，也要看到虚拟的世界，所以必须通过光学设备来将虚拟和现实进行层叠显示。目前较成熟的AR技术的光学显示方案主要分为棱镜（Google Glass）、birdbath（联想Mirage AR）、自由曲面、离轴全息透镜和光波导。

其中，棱镜、birdbath、自由曲面这三种方案较难取得显示效果和设备重量的平衡，即视场角越大，光学镜片就越厚，体积响应的就大。离轴全息透镜方案虽然能够减小装置体积，但是需要定制且视域小、分辨率低，也称不上实用。而光波导方案不论从光学效果、外观形态，还是量产前景来说，都具备最好的发展潜力，可能会是让AR眼镜走向消费级爆款产品的最佳选择。过去几年，在微软（HoloLens）、Google、Megic Leap、DigiLens等厂家的推进下，光波导技术逐渐成为AR硬件显示的主流方案。

其实，波导技术并不是什么“新玩意”，在光通信系统中，用来传输信号的光纤组成了无数条连接大洋彼岸的海底光缆，就是一种波导，只不过传输的是我们看不见的红外波段的光。

AR设备的光波导方案目前主流采用的是几何光波导中的偏振阵列光波导方案和衍射光波导中的表面浮雕光栅波导方案和体全息光栅波导方案。光波导方案的基础原理是通过在显示区域材料中放入夹层的方式，把光源发出的光通过夹层的控制，把光源直接反射到人眼，从而实现可视化。

而从软件层面来说， SLAM (simultaneous localization and mapping，同步定位与建图) 是AR必备的核心技术，它最早在机器人领域提出，通常指机器人从未知环境和地点出发，在运动过程中通过重复观测到的环境特征定位自身位置和姿态，再根据自身位置构建周围环境的增量式地图，从而达到同时定位和地图构建的目的。

为了实现虚拟与现实的融合，在任意元素的定位和虚拟延展上都需要SLAM进行定位。SLAM可以向陌生地方的用户回答你在哪、周围有什么、接下来该怎么走。通过整合的地图绘制、场景建模、路径规划，SLAM同样也在自动驾驶领域大放异彩（波士顿动力和特斯拉的FSD就是纯视觉的SLAM）。

从VR/AR产业的技术演进图来看，有些技术已经成熟，还有很多技术需要很长的路要走，更需要其他相关技术和产品的共同辅助来演进。

除了VR/AR之外，元宇宙的底层技术还有很多，如：5G，区块链，物联网，人工智能等。每一项技术都是一块“木板”，而“木桶效应”中最短的那块，会通过影响用户体验从而影响元宇宙的爆发速度。

参考资料：

1.《元宇宙技术考》，锦缎

2.《元宇宙入口：VR终于要起飞了》，华尔街见闻

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