AR眼镜:挑战下一代个人移动计算平台

2019-05-08 10:34
文/魏一振 张卓鹏

自2012年以来,整个消费电子行业都在寻找下一个核心结点和下一代个人移动计算平台,于是涌现了各种可穿戴设备和智能家居设备,如AR眼镜、VR眼镜、智能手表、智能手环、智能电视、智能音箱等等。经过多年的探索和尝试,业界逐步达成共识:AR眼镜有望成为下一代的个人移动计算平台。

2015年以来,智能手机创新渐缓,市场日趋饱和,个人消费电子行业面临新的时代更替。AR眼镜将成为下一代个人移动计算平台,本文分几部分探讨AR技术和行业。(1)AR时代正在来临,介绍AR(Augmented Reality)是什么,为什么AR眼镜会成为下一代移动计算平台。(2)AR眼镜是多学科交叉技术发展的产物,介绍AR相关技术和产业链。(3)AR市场和机会巨大,介绍AR设备的市场和应用领域。

AR时代正在来临

增强现实(Augmented Reality,以下简称AR),即将计算机提供的虚拟信息或图像与现实世界进行叠加呈现给用户。AR追求虚实融合的效果,让人们在置身真实场景的同时,又能观看到虚拟的3D影像内容,从而提升用户对现实世界的感知能力。AR具备3个主要特征:

(1)融合虚拟和现实:与VR技术不同的是,AR技术不会把使用者与真实世界隔开,而是将计算机生成的虚拟物体和信息叠加到真实世界的场景中来,以实现对现实场景更直观深入的了解和解读。增强的信息可以是与真实物体相关的非几何信息,如视频、文字,也可以是几何信息,如虚拟的三维物体和场景。

(2)实时交互:AR系统具备多种人机交互接口和方式,如语音、手势、视线等,人们能够以自然方式与增强现实环境进行交互操作,这种交互要满足实时性。

(3)三维注册:“注册”(这里也可以解释为跟踪和定位)指的是将计算机产生的虚拟物体与真实环境进行一一对应,且用户在真实环境中运动时,也将继续维持正确的对准关系。


图1. 比较AR与VR

这是一种全新的显示形式,图1比较了AR与VR(Virtual reality,虚拟现实)的区别。AR场景中人和现实世界、计算机产生的虚拟世界都有交互,用户通过AR设备产生的虚拟信息提升探索现实世界的能力,即“同时看到真实世界和虚拟内容”,因此AR的主战场是“现实世界”,天生具有很强的移动属性。相反,VR场景中人只和虚拟世界有交互,用户使用VR设备探索人为建立的虚拟世界,追求沉浸感,即“看不到真实世界,只看到虚拟内容”,因此VR的主战场是“虚拟世界”。


图2. AR行业的发展

在1968年,Ivan Sutherland提出头戴式三维显示[1],包含了AR眼镜的基本内涵:光学透视、虚拟显示、三维建模和渲染、头部追踪以及人机交互。进入21世纪,美国公司Vuzix、ODG等开始为军方提供AR眼镜,增强单兵作战能力;在技术逐渐成熟的同时,也开始推出面向个人消费电子市场的AR眼镜,但影响力有限。诺基亚、索尼、Lumus等公司则开始研发用于虚拟显示的光波导技术[2-4],并逐渐发展为当前AR眼镜的核心技术之一。2013年,谷歌发布Google glass并引发市场的广泛关注,但因相关技术尚不成熟,2015年就停止了发售。科技巨头微软收购了诺基亚的光波导技术,将其应用于自家的AR眼镜产品Hololens。2015年发布的Holones是第一款真正意义的AR眼镜[5],具备了光波导显示、3D追踪和注册、操作系统、手势识别等全新功能,如图3所示。


图3. 微软Hololens照片(左)与功能特点(右)

从此,越来越多的科技巨头公司通过收购、投资、自研等方式进入AR行业,如苹果、微软、谷歌、Facebook、阿里、联想、华为、百度等。2016年,任天堂发布Pokemon Go,全新的游戏体验引发了AR热潮。2017年,苹果推出ARKit,谷歌发布ARCore,推动发展了智能手机的AR功能和体验。进入2018年,备受关注的AR初创公司Magic Leap发布了首款AR眼镜Magic Leap One,苹果、华为、微软等公司纷纷宣布AR战略,AR行业开始进入高速发展期。


图4. 全球智能手机出货量(百万部)

早期的个人消费电子产品(如电视机、录像机、收音机等)并不具备计算能力,且功能单一,用户花费在各种电子产品上的时间较为分散。从PC机开始,消费者开始拥有个人的计算平台。随着计算能力的飞速提升,PC机功能越来越丰富和强大,集成了视频、音乐、游戏、因特网等种种应用,成为众多消费电子产品的核心和结点。进入智能手机时代,核心结点化趋势进一步增强,许多消费电子产品开始消亡(相机、收音机、音乐播放器等)。一方面,智能手机具备移动便携特性,占据了用户的碎片化时间;另一方面,强大的计算能力能够集成和支持更多的功能,满足用户在通信、娱乐、工作等各方面的需求。然而,智能手机市场自2015年已经进入饱和期,出货量增长乏力(如图4所示)。2018年全球智能手机共销售14.4亿部,更较2017年下滑了3%(数据援引研究机构捷孚凯)。

自2012年以来,整个消费电子行业都在寻找下一个核心结点是什么?下一代个人移动计算平台是什么?于是涌现了各种可穿戴设备和智能家居设备,如AR眼镜、VR眼镜、智能手表、智能手环、智能电视、智能音箱等等。经过多年的探索和尝试,业界逐步达成共识:AR眼镜有望成为下一代的个人移动计算平台。原因:

(1)AR眼镜较智能手机更为移动便携,不仅能争取到用户更多的碎片化时间,更能利用碎片化空间。(2)人类日常80%信息通过眼睛获取,AR眼镜将提供极致的3D视觉体验,且显示尺寸极大提升。(3)AR技术融合虚拟和现实世界,通过虚拟空间拓展用户的感知空间,能够极大地提升生产力。(4)近年来光波导、芯片、AI、5G等技术的发展笃实了AR眼镜的技术基础。目前,国内外科技公司纷纷布局AR行业,逐步形成了AR+的共识。从模糊的概念到产品成型、最终落地,并相继运用到人类生活和工作的各个领域,AR时代正在来临。

AR技术和产业涉及多学科交叉发展

AR眼镜的工作流程可分为信息输入、虚实融合、信息输出3个阶段,如图5所示。

(1)信息输入阶段。一方面,用户通过光学Combiner(如光波导、自由曲面反射镜、半透半反镜等)可以直接看到外界环境,可以通过语音、手势、视线焦点等方式“表达”指令;另一方面,AR眼镜终端的各类传感器(摄像头、结构光、IMU、眼球追踪等)采集真实世界的图像和信息,同时“观察”用户行为和指令。

(2)虚实融合阶段。AR眼镜终端基于计算机视觉、图形学和人工智能(AI)等技术理解周围环境、识别交互信息,进而生成渲染恰当的虚拟内容。在这阶段,AR和AI技术紧密结合,AI赋予AR眼镜智能化,实现对环境、语义、体感的综合识别和理解。


图5. AR眼镜工作流程图

(3)信息输出阶段。AR眼镜通过光学系统(微图像源和光学Combiner)、智能语音输出虚拟内容,并与外界环境叠加,呈现出虚实融合的3D显示效果。

可见,AR眼镜是多学科交叉技术发展的产物,包含了光学与显示技术(能够结合虚拟内容和真实世界)、识别与追踪技术(能够准确地进行3D追踪和注册)、输入与交互技术(用户能够与虚拟内容实时地进行交互反馈)等等。因此,AR技术和产业的发展涉及多学科交叉融合,这一点也体现在AR产业链上,如图6(来自SUPER VENTURES)所示。

(1)在基础设施和技术方面,包括了云计算、5G网络传输、人工智能、图像识别等。

(2)在元器件模组方面,既有传统器件如CPU、GPU、内存、摄像头等,也有新型器件如显示光波导、眼球追踪模组、微图像源、结构光投射器、AR触觉模组等。

(3)在终端设备方面,目前以智能手机的AR功能升级为主,未来则会出现越来越多的头戴式AR眼镜。

(4)在软件工具方面,产生了不同于智能手机的全新操作系统和各种App,如3D内容生成和渲染、3D地图和导航、3D捕捉、AR交互、物体和人脸识别等。

(5)在应用方面,AR技术将深入到各行各业,从而改变我们生活工作的方方面面。因此,AR行业的竞争将涉及综合技术能力的比拼。


图6. AR产业链

AR市场巨大,前景诱人

据AR/VR行业咨询公司Digi-Capital预测,2018年是这个行业过渡的第一年,在2019年它会经历重组和变革,而拐点预计在2020年年底出现。全球AR/VR市场将从2017年的114亿美元增长至2021年的2150亿美元,复合增长率达到113.2%,如图7所示。到2021年,全球移动AR客户群预计达到30亿人,远多于VR用户,将占据市场主导地位。可见,AR技术天生的移动属性、虚实融合的特点,使其比VR适用场景更多、市场更为广阔。


图7. 全球AR/VR市场预测


图8. AR/VR市场细分预测

Digi-Capital同时预测了2020年AR和VR市场的细分情况,如图8所示。在VR场景中,VR游戏将占据近半市场份额,而VR硬件、电影、主题乐园分享剩余份额。相比而言,AR市场更为广阔,细分应用领域涉及工作和生活的方方面面。其中AR硬件将是最大的细分市场,AR购物、数据、语音、影视、企业服务则分列第2到6位置,AR游戏、主题公园等反而成为狭缝市场。

当前AR技术已经进入各行各业,开始前期应用探索。美国航天航空局(NASA)的Sidekick项目与微软合作,使用Hololens眼镜为宇航员提供虚拟助手。通过观察宇航员的动作、研究图表以及额外信息,可以帮助专家通过复杂程序指导国际空间站上的宇航员执行任务。Realmax公司开发了消防智能眼镜和配套的AR软件,通过远程操控、即时成像定位、无线通信等技术来解决消防现场指挥、肉眼观察环境等难题。加拿大的菲利普·柯里恐龙博物馆通过AR技术展现恐龙3D复原影像,以及对应的侏罗纪、三叠纪、白垩纪和泥盆纪的生态系统。沃尔沃汽车与微软合作,探索使用增强现实技术提供创造定制体验的自由,消费者可以使用AR技术去选择想要的汽车类型,比如颜色、形状,同时,消费者也可以对于汽车的特点、服务及功能有一个更好的理解。宜家推出IKEA Place应用,使用ARKit自动扫描环境,根据房间尺寸调整虚拟家具3D模型大小,同时带有逼真的灯光和阴影,从而让用户充分发挥想象力,设计自己的空间。移动应用开发商Taqtile Mobility研发了用于观看高尔夫球赛、足球赛的AR应用,可以为体育粉丝提供独特的观看体验,包括球场、比赛得分和球员统计数据等。相信在不久的将来,AR技术会深入到我们工作生活的方方面面。

   

图9. 各类AR应用照片/效果图(图片来源网络搜索)



结束语

在不久的未来,AR眼镜将代替智能手机成为最流行的消费电子产品。AR应用广泛、市场巨大,这个行业也将成为中美欧各国企业竞争的主要战场之一。在智能手机时代,美国公司占据了产业链的最核心环节(芯片、操作系统、生态),获取了最丰厚的利润,比如苹果(生态、芯片、iOS系统)、谷歌(android系统)、高通(芯片)等。即将来临的AR时代则给我们国家千载难逢的弯道超车机会,有机会在光学引擎、芯片、操作系统、生态等关键领域建立核心竞争力。

参考文献

[1]    I. Sutherland “A head-mounted three-dimensional display”, Fall Joint Computer Conference 1968

[2]    Tapani Levola, and Pasi Laakkonen, “Replicated slanted gratings with a high refractive index material for in and outcoupling of light”, OPTICS EXPRESS 15, 2067-2074 (2007).

[3]     Hiroshi Mukawa, Katsuyuki Akutsu, et al., “A full-color eyewear display using planar waveguides with reflection volume holograms”, Journal of the SID 17, 185-193 (2009).

[4]     Yaakov Amitai, “A Two-Dimensional Aperture Expander for Ultra-Compact, High-Performance Head-Worn Displays”, SID 05 DIGEST P-27, 360-363(2005).

[5]     Bernard C. Kress and William J. Cummings, “Towards the Ultimate Mixed Reality Experience: HoloLens Display Architecture Choices”, SID 2017 DIGEST, 127-131(2017).



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