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基于全息光学的虚拟现实与增强现实技术进展

时间:2023-02-05 18:32:32 | 浏览:1457

虚拟现实与增强现实产业的发展虚拟现实与增强现实产业发展历史和现状虽然虚拟现实(virtual reality,VR)和增强现实(augmented reality,AR)技术充满了未来感,但是它们并不是新鲜事物。20世纪90年代,VR技术曾

虚拟现实与增强现实产业的发展

虚拟现实与增强现实产业发展历史和现状

虽然虚拟现实(virtual reality,VR)和增强现实(augmented reality,AR)技术充满了未来感,但是它们并不是新鲜事物。20世纪90年代,VR技术曾伴随着三维显示技术的爆发而红火一时,并被诸多领域所关注。1995年,日本任天堂公司发布了著名的革命性VR游戏产品“虚拟男孩”(VirtualBoy),瞬间成为当年最受关注的科技产品之一。然而,由于图像质量不理想、产品售价昂贵、时间延迟较大和生态内容不够丰富等问题,早期的VR产品均未取得显著的成绩,第一次VR浪潮也随之转入低谷。进入21世纪后,计算机软硬件技术均得到了长足的发展,计算机性能已经足以支持图形质量更高、时间延迟更小的VR/AR产品。2008年苹果公司的iPhone发布后,智能手机产业得到了空前的发展。智能手机产业的发展促使显示器件和传感器价格下降、尺寸缩小和性能提高,为VR/AR产品的普及奠定了坚实的技术基础。

2012年4月,谷歌公司联合创始人Brin佩戴谷歌眼镜空降发布会,宣告了谷歌眼镜的正式亮相。作为2012年最具关注度的科技产品之一,谷歌眼镜成功开启了新一轮的VR热潮。随后,其他科技巨头也迅速跟进,积极投身于VR技术的研发,并在此基础上将AR和混合现实(mixed reality,MR)等技术也带入了快速发展的轨道。随着VR/AR技术的快速发展,VR/AR产品的使用场景已扩展到许多领域,如视频、游戏、工程、军事、教育、医疗、房产和零售等。许多企业搭上了VR/AR发展的东风,在品牌效应和资本投资等方面都获得了巨大的成功。

由于VR/AR广泛的应用场景和巨大的市场价值,因此得到了来自消费者和产业界共同的关注,并被认为是最有可能成为继个人电脑和智能手机后的“下一代计算平台”。为紧跟时代发展,在“下一代平台”到来之前站稳脚跟,各行业的领袖企业都积极行动,以求在VR/AR产业中占有一席之地。

总体上,目前VR/AR产业布局可以分为硬件和内容两大部分。其中,硬件部分可分为感知、处理、反馈和整机集成4大板块,内容部分则涵盖了视频、游戏、直播等诸多方面。图1展示了如今VR/AR的产业布局情况及各主要领域内的代表性企业。在硬件领域,美国、韩国和中国台湾处于领跑地位;在内容领域,美国、日本和中国大陆则稍稍领先。

图1 国际企业在VR/AR行业的产业布局

虚拟现实与增强现实产业发展预测

目前,VR/AR产业布局虽然已经较为完善,但是无论从技术上还是市场上,对比个人电脑和智能手机产业,VR/AR产业仅停留在初级发展阶段。“初级”主要体现在硬件成本高、产品售价贵、内容质量偏低和市场容量较小等4个方面。随着技术的进步、成本的下降以及内容的进一步丰富,VR/AR产业一定会在将来迎来更大的发展。据美国高盛集团预计,2025年时,VR/AR产业每年创造的价值将达800亿美元。其中,硬件领域创造的价值接近450亿美元,主要集中在头盔显示器件(head mount display,HMD)、处理器、追踪系统和触觉反馈等4 个方面;软件领域创造的价值约为350 亿美元,主要集中在游戏、视频和直播等领域(图2)。目前,中国需及时掌握VR/AR产业发展态势、紧跟产业步伐、加大产业投入,才能保持具有自主知识产权的VR/AR产业的健康和长远发展。

图2 2025年VR/AR产业内容领域产生的市场价值预测

虚拟现实和增强现实产品中的显示技术

虚拟现实和增强现实的区别

要了解目前主流VR/AR产品使用的技术方案,就有必要对VR/AR进行区分。VR产品可以让使用者置身于不同于现实的另一个世界中。这个世界,可以是完全由计算机创造的虚拟世界(如游戏、电影中的场景),也可以是不在眼前的真实世界(如体育直播)。AR产品则是让使用者看清眼前真实场景的同时,再看到一些真实世界中不存在的事物。一般来说,VR产品屏幕不透明,而AR产品则使用可以透光的屏幕(图3)。

图3 沉浸式VR眼镜与透视式AR眼镜

除VR/AR概念以外,近年来还涌现出了许多新的相关概念,如混合现实(mix reality,MR)和扩展现实(extended reality,XR),例如,微软公司将自主开发的头戴产品Hololens称为MR产品,而没有将其归类为AR产品。从本质上看,MR产品是一种更高形态的AR产品,该产品允许使用者在真实世界中与虚拟信息进行交互,从而将显示内容变得更加贴近现实。XR则是由美国高通公司提出的另一全新概念,认为XR技术涵盖了VR、AR和MR等技术,使用者可以根据自己的意愿选择真实世界和虚拟世界的融合程度,在各种模式间进行自由切换。从原理上来说,这些全新概念都可以归类在VR/AR概念中(图4)。可以预见,随着技术的发展,VR/AR技术将在未来相互融合,设备将能够智能地从一种模式转换到另一种模式,因此,本文对这些概念将不做详细区分,统一以VR/AR描述。

图4 VR、AR、MR和XR等概念的联系与区别

主流虚拟现实和增强现实产品方案

1、基于双目视觉的VR/AR