基于技术驱动与服务创新的虚拟现实产业发展研究.pdf
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1、DOI 10.15302/J-SSCAE-2024.01.007中国工程科学 2024 年 第 26 卷 第 1 期基于技术驱动与服务创新的虚拟现实产业发展研究袁茜茜 1,吕星月 1,冯大权 1*,王振中 2(1.深圳大学数字创意研究中心,深圳 518060;2.中央广播电视总台技术局,北京 100020)摘要:虚拟现实(VR)技术以高度沉浸感为用户带来全新的多感官交互体验,推动产生新兴服务业态并以新服务模式促进传统行业转型升级,推动高附加值、高层次和多元化服务产业体系建设。本文梳理了VR产业链结构和关键技术发展现状,剖析了VR与服务业融合应用的前景、方法与场景分类,分析了VR产业的发展趋势以
2、及我国VR产业在产业链供给、应用落地、行业规范和专业人才培育等方面面临的主要问题。研究建议:加强基础研发投入,突破核心技术难点;培育领头试点项目,打造示范应用平台;构建配套服务体系,营造良好的产业发展环境;健全高技能人才队伍建设,提升我国在全球VR产业布局中的竞争优势,加速服务业的智能化、交互性、定制化发展。关键词:虚拟现实技术;新兴服务业;产业链;技术驱动;融合发展中图分类号:TP3 文献标识码:ADevelopment of Virtual Reality Industry Based on Technology Drive and Service InnovationYuan Xixi
3、1,Lyu Xingyue 1,Feng Daquan 1*,Wang Zhenzhong 2(1.Digital Creative Technology Research Center of Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;2.Technology Bureau of China Media Group,Beijing 100020,China)Abstract:The virtual reality(VR)technology brings a new multi-sensory interactive experience to use
4、rs with a high degree of immersion,generates emerging service formats,empowers the upgrading of traditional industries,and provides high value-added,high-level,and diversified services to society.This study outlines the VR industry chain and the development trends of key technologies,and analyzes th
5、e prospects,methods,and scenario classification of the integration of VR and the service industry.The study reveals the development trends and major challenges of Chinas VR industry in terms of industrial chain supply,application implementation,industry standards,and professional talent cultivation.
6、Furthermore,we propose the following recommendations:(1)strengthening investment in basic research and development,focusing on breaking through core technical difficulties;(2)cultivating leading pilot projects to create demonstration platforms;(3)building a supporting service system to create a soun
7、d industrial development environment;and(4)increasing efforts in talent training and international cooperation to enhance Chinas competitive advantages in the global arrangement of the VR industry,thereby accelerating the intelligent,interactive,and customized development of the service industry.Key
8、words:virtual reality technology;emerging service industry;industrial chain;technology drive;integrated development收稿日期:2023-12-08;修回日期:2024-01-19通讯作者:*冯大权,深圳大学电子与信息工程学院副教授,研究方向为数字创意技术、电信技术;E-mail:资助项目:中国工程院咨询项目“四链深度融合下我国战略性新兴产业高质量发展战略研究”(2023-PP-006)本刊网址: 硬件设备,如头戴式显示器和运动追踪系统向轻便、舒适且高效的方向演进610,图形渲染技术
9、和实时光线追踪技术增加了内容显示的逼真感11,12,手势识别、眼球追踪和全身动作捕捉(动捕)等交互技术进一步丰富了用户的沉浸式体验1315。硬件成本、内容质量、技术标准等是当前VR技术发展面临的主要挑战。在产业发展方面,当前全球VR产业呈现出稳步向好的发展态势,全球VR产业链主要集中在美国、欧洲、中国和日本等国家和地区。美国专注于技术研发、科技创新和娱乐内容创作,欧洲以学术研究、高精度研发和多样化内容设计为主,中国和日本则在设备组装、硬件制造以及新型产品研发等方面具备优势1619。随着VR产业的成熟,VR将成为大部分主流内容供应商的主要内容生产平台之一,VR硬件产品在普及率大幅提升的同时将实现
10、多个领域的全面应用。本文从技术驱动和服务融合创新的角度对VR产业发展现状和趋势进行研究,旨在为VR服务产业高质量发展和加快应用落地提供思路。本文梳理了VR产业链主要模块的发展现状,分析了核心技术的研发趋势,产业链的高效供给是服务业创新发展的重要基础;研究了VR与行业应用融合的方法,并对应用场景进行了分类,有助于挖掘应用潜力和制定战略化发展策略;揭示了当前我国VR产业的发展趋势和面临的主要问题,并提出了加快VR产业发展的对策建议。二、基于技术驱动的虚拟现实产业发展现状(一)虚拟现实产业链VR技术发展形成了一条完整的产业链,主要包括硬件、软件、内容制作与分发、应用与服务四大板块(见图1)。目前,我
11、国VR产业链主要集中在整机设备、开发工具软件、分发平台和近眼显示技术方面,应用则主要分布在文化旅游、教育培训、工业生产、体育健康和智慧城市领域20,21。根据国际数据公司(IDC)预测,20212026年我国VR市场将以42.2%的复合增长率保持高速增长,在涨幅方面超越美国和西欧等国家和地区,位列全球首位。1.硬件板块硬件设备是用户与虚拟环境交互的重要媒介,硬件配套外设终端设备核心器件感知交互芯片显示屏幕传感器光学器件通信模块声学器件空间定位交互功能眼动追踪全身动捕VR一体机移动端PC端VR盒子体感设备全景设备三维设备操控设备软件系统软件工具软件操作系统中间件UI开发引擎SDK建模工具渲染工具
12、内容制作与分发内容制作内容分发影视直播三维/全景游戏社交 应用程序 平台应用与服务企业级消费级影视娱乐直播游戏社交工业生产文化旅游商贸创意教育培训体育健康融合媒体图1VR产业链梳理图注:UI为用户界面;PC为个人计算机;SDK为软件开发工具包。036中国工程科学 2024 年 第 26 卷 第 1 期直接影响VR体验的真实感和沉浸感,是制约VR产业发展的关键。硬件产业链包括核心元器件、感知交互设备、终端设备、配套外设等。VR终端设备经历了移动式形态、分体式形态和一体式形态的演变进程,其中轻量化一体式VR设备以高沉浸感和便捷性成为产业优化的主要方向。据IDC预测,2026年,我国消费级VR头戴式
13、显示器(头显)出货量将近700万台22(见图2)。芯片是消费级VR设备的关键成本,其次是显示模组和光学模组,高通XR2芯片是当前VR一体机的主流芯片。VR光学器件经历了非球面透镜、菲涅尔透镜和超短焦光学折叠光路(Pancake)三个发展路径,其中Pancake采用的折叠光路设计在轻薄性和成像质量方面具有优势,被视作下一代VR近眼光学的首选方案23。快速响应液晶显示屏幕采用次毫米发光二极管背光源提升显示亮度,弥补了Pancake方案光损高的缺点,将进一步提高短焦VR产品的使用体验24。2.软件板块VR软件通过建模和设计虚拟仿真场景,扩展优化应用功能,提升服务效率和创新能力。VR软件产业包括系统软
14、件和工具软件:系统软件包括操作系统、UI和中间件;工具软件主要是开发引擎、建模工具、SDK、渲染工具等。操作系统主要基于安卓系统进行设计,开发引擎包括专业开发引擎和用户生成内容引擎。高通Spaces平台专注为高通芯片驱动的头显提供开发工具,包括空间定位、手势追踪、环境识别SDK等。常见SDK包括Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR等提供的与硬件设备通信、跟踪和输入相关的应用程序编程接口(API)和工具25。基于头戴式显示器的VR系统包含的基本计算模块如图3所示。国外软件产业在VR领域处于领先地位,国内软件产业也取得了长足发展,推出了一系列创新产品和解决方案。3
15、.内容制作与分发板块VR内容市场涉及多种垂直行业,内容提供商在多个行业中专注提供内容、构建场景,并利用VR 技术提供解决方案。内容产业主要包括内容表示、内容生成与制作、内容编码、实时交互、内容储存、内容分发等。内容制作涉及游戏、影视、直播、社交等领域。内容分发主要包括VR应用程序和分发平台,如应用商店、网站、播放器、VR主题公园和体验店等。Steam 平台是创建最早的内容最丰富的VR内容平台,为VR内容的分发提供了便利的渠道,吸引了大量的开发者和内容创作者入驻。国内互联网平台积极布局VR内容产业,为内容创作者提供了更多的展示和分发机会。4.应用与服务板块VR产业链下游的应用与服务根据用户群体不
16、同主要划分为消费级应用和企业级应用。消费级应用以游戏为主,包括直播、影视、娱乐、社交等。企业级应用主要有医疗健康、教育培训、工业生产、文化旅游等行业。此外,企业级应用涉及部分政府级应用,如军事安防、智慧城市、科普等。国内外VR应用产业领域都处于快速发展阶段,VR技术的应用场景不断丰富,应用服务市场潜力巨大。根据亿欧智库的预测数据,到2025年,我国VR消费级应用市场将达到297亿元人民币,其中娱乐、游戏和购物应用市场将分别达到81亿元、63亿元和62亿元;企业级应用市场将达到931亿元,其中教育、工业制造和国防军事将分别达到328亿元、292亿元和97亿元。三维定位跟踪设备 话筒 显示器 跟踪
17、接收器 数据手套 力反馈装置 立体声卡 语音识别 空间跟踪定位 基于语音的人机交互 立体视图合成 耳机 三维虚拟声音合成 基于手势的人机交互 力反馈 计算系统跟踪发射器 图3基于头戴式显示器的VR系统基本结构02040608010012001000200030004000500060007000800020222023202420252026独立头显带线头显独立头显增长率时间/年出货量/千台增长率/%图2 我国消费级VR出货量预测(20222026年)037基于技术驱动与服务创新的虚拟现实产业发展研究(二)虚拟现实核心技术VR核心技术是推动VR产业创新发展的内在动力,包括近眼显示、感知交互、内
18、容制作、网络传输和渲染处理技术等。1.近眼显示技术近眼显示设备是VR的重要呈现平台,被认为是继电影屏幕、平板显示之后显示领域的又一次革命。近眼显示设备也被称为头盔显示器,通过显示目镜把显示屏幕成像放大在较远的地方,主要由显示屏幕和显示目镜组成。在VR终端显示领域,快速响应液晶具有超高清和轻薄的特点,硅基有机发光半导体(OLED)可显著改善对比度、功耗与响应时间等方面的表现,成为新近VR终端的主流选择26,27。在光学领域,光学架构技术评价参考视觉质量、光学效率、视场角、体积重量等指标。随着硅基OLED、微发光二极管、光场显示等微显示技术的发展,将推动近眼显示技术实现更高分辨率和高效能,增强互动
19、体验的真实感,从而刺激VR产品消费和VR产业升级。根据英国权威调研机构Omdia发布的扩展现实(XR)应用近眼显示面板的报告2023年,XR 近眼显示面板市场主要包括 VR、增强现实(AR)和 混 合 现 实(MR)应 用,其 规 模 将 在2028年达到8870万片,并且其中VR是主流应用。2.感知交互技术感知交互技术用于实现用户在虚拟场景中的自然感知和交互,包括位置、手势、眼球追踪,语音、气味、视觉识别,脑机接口等。追踪定位是感知交互领域的基础能力,通过听音辨位、空间混响、通感移觉等技术消除定位判断的模糊性,加强视觉和听觉等多感官通道的一致性和关联性,有助于进阶提升VR沉浸体验。通过超声、
20、激光、电磁、惯性导航等多种传感器融合定位,与光学定位相比减少了计算资源消耗,在一定程度上优化了功耗与鲁棒性表现。手势追踪技术消减了用户对交互外设的配置操作与购买成本,增强了在虚拟场景中的体验感,具有更大的内容创作空间。此外,眼动追踪、环境理解和三维重建也将成为VR感知交互研究领域的重要方向。未来,VR感知技术将追求更加沉浸式、自然化和智能化的交互体验,实现更加逼真的感知效果。3.渲染处理技术渲染处理技术使用图形学、光线追踪等技术将虚拟场景的三维图形构建、纹理贴图、光照和阴影效果等模型转化为逼真的二维图像,以增强用户体验。VR渲染处理技术具有实时性、高分辨率、低延迟等特点,以避免画面切换的眩晕感
21、,增强视觉质感。云渲染、AI与注视点技术等进一步优化渲染质量与效率间的平衡。国外英伟达公司(NVIDIA)、超威半导体公司(AMD)等一直在不断推进渲染处理技术发展,推出了各种针对VR的图形处理器、驱动程序和软件开发工具。在国内,华为技术有限公司、联想集团等公司也在积极推动VR渲染处理技术的发展。此外,一些游戏、虚拟旅游、教育等领域也在进行相关技术研究和应用探索,以不断提高VR的图像渲染质量和性能。随着VR技术的不断发展,渲染处理技术的进步将有助于实现更加真实、流畅的虚拟体验。4.内容制作技术VR内容制作技术是用于创作、编辑和制作VR内容的技术,包括三维建模、VR影视制作、VR场景的拍摄和后期
22、制作等,交互性体验和支撑工具发展迅速。VR直播成为丰富VR内容的重要途径,如体育赛事、新闻报告、教育培训和综艺节目等直播事件。VR直播呈现两极化发展趋势,即满足专业生产内容(PGC)高质量、多格式与用户生成内容(UGC)操作便捷、成本可控的发展要求28。制作上云将成为简化VR内容摄制流程的关键技术。在游戏和互动教育方面,用户的实时互动将产生个性化专属的虚拟内容,虚拟数字人将形成VR社交的新模式。内容相关的其他支撑性技术发展稳健,面向移动设备的低功耗、可视化开发引擎将助力VR应用开发效率提升。5.网络传输技术高速稳定的网络传输技术能够保障VR应用的智能化实时交互能力和虚拟场景构建的自然逼真效果。
23、借助于终端轻型化和移动化5G技术,高峰值速率、毫秒级的传输时延和干亿级的连接能力,降低了对VR终端的要求,有效提升了VR技术在应用端的体验。多接入边缘计算服务能够降低云化VR业务的网络连接和终端硬件门槛,加速VR业务在5G网络和固定宽带网络的规模化商用,促进商业模式转型和创新。此外,第五代固定网络(FG5)具有大带宽、低时延、能力开放、高稳定全光联接特性,可提升多用户VR体验,IP 架构简化、全光038中国工程科学 2024 年 第 26 卷 第 1 期网络、端网协同等成为 VR 网络传输技术的发展趋势24。三、基于服务创新的虚拟现实应用发展研究VR应用以新模式、新业态为不同行业的创新发展提供
24、动能。虚拟现实与行业应用融合发展行动计划(20222026年)提出,到2026年虚拟现实在经济社会重要行业领域实现规模化应用,形成若干具有较强国际竞争力的骨干企业和产业集群,打造技术、产品、服务和应用共同繁荣的产业发展格局。VR与不同行业应用的融合发展已经成为我国新兴产业发展的重要战略窗口。(一)虚拟现实与服务业融合的前景分析根据中国社会科学院2035年经济社会发展愿景分析,未来,经济、人口和信息技术的发展将为新兴服务业带来新的机遇。2035年,我国第三产业增加值占国内生产总值(GDP)比重将达62.7%,人均GDP将达2.5万美元,人均消费水平将达1.6万美元。服务业消费的增加将给我国数字经
25、济带来更加丰富的应用场景和发展空间。此外,预计到2035年,我国人口总数将降至约14.5亿人。人口增长的放缓将导致劳动力数量短缺,进一步促进智能化生产的应用,而智能化信息技术是应对人口增长放缓、社会老龄化的重要工具29。2035年,信息技术的渗透将更加广泛,将有效促进AI、VR、物联网等技术与新兴服务业的进一步融合,人类活动将全面数据化,智慧社会基本雏形建立,信息消费领域全面爆发,实现消费场景VR化、产品C2M化、服务Al化30,31。VR应用通过提供沉浸性、交互性、多感知性、自主性和构想性等高层次和多元化体验,产生新型服务模式和新服务业态,同时也为传统行业数字化转型升级带来创新发展机遇323
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