2020虚拟(增强)现实白皮书.pdf
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1、虚拟(增强)现实白皮书虚拟(增强)现实白皮书中国信息通信研究院中国信息通信研究院华为技术有限公司华为技术有限公司京东方科技集团股份有限公司京东方科技集团股份有限公司2021年年3月月编制说明编制说明在工业和信息化部电子信息司的指导下,本白皮书由中国信息通信研究院与华为技术有限公司、京东方科技集团股份有限公司联合撰写。在编写过程中得到了中国联合网络通信集团有限公司、中国移动通信集团终端有限公司、中国移动通信研究院、中国电信号百控股股份有限公司、参数技术有限公司、舜宇光学科技有限公司、兰亭数字科技有限公司、七鑫易维信息技术有限公司、凡聚科技有限公司、贝壳找房(北京)科技有限公司、南京睿悦信息技术有
2、限公司、海尔工业智能研究院、广州映维科技有限公司、上海影创信息科技有限公司、亮风台(上海)信息科技有限公司、上海紫乾网络科技有限公司、青岛小鸟看看科技有限公司、北京易智时代数字科技有限公司、百度在线网络技术(北京)有限公司、北京凌宇智控科技有限公司、北京视博云科技有限公司、北京灵犀微光科技有限公司、好未来教育集团、聚好看科技股份有限公司、虚拟现实产业推进会(VRPC)、5G应用产业方阵等广大伙伴的专业支持。在修订反馈过程中也得到了北京邮电大学、深圳创维新世界科技有限公司、泰豪创意科技集团有限公司、国开金融有限责任公司、上海乐相科技有限公司、平行云科技(北京)有限公司、视辰信息科技(上海)有限公
3、司等的宝贵意见。限于编写时间、项目组知识积累与产业尚未完全定型等方面的因素,内容恐有疏漏,烦请不吝指正。前前言言在全球经济形势复杂多变和新冠疫情的影响下,人类社会生活和生产方式面临新的挑战,作为新一代信息技术融合创新的典型领域,虚拟现实迎来新机遇。继 2016 年产业元年与 2019 年 5G 云 VR 元年过后,虚拟现实产业开始进入起飞阶段。虚拟现实用户体验对融合创新的需求迅速提升,技术体系初步成型:Micro-LED 与衍射光波导成为近眼显示领域探索热点;云渲染、人工智能与注视点技术引领 VR 渲染 2.0;强弱交互内容多元融合,内容制作支撑技术持续完善;自然化、情景化与智能化成为感知交互
4、发展方向;5G 与 F5G 双千兆网络构筑虚拟现实应用基础支撑。此外,以应用服务、终端器件、网络平台和内容生产为重点领域的产业生态初具规模,云化虚拟现实触发产业链条融合创新,对传统业务流程的解构重组催生视频内容上云、图形渲染上云与空间计算上云新业态,“虚拟现实+”创新应用向生产生活领域加速渗透,云 AR 数字孪生描绘人机交互深度进化未来蓝图。当前,我国 VR/AR 产业发展取得了积极成果,但也存在一些问题与挑战。我国应紧抓 5G 与人工智能机遇期,突破业界惯有展厅级、孤岛式、小众性、雷同化的发展瓶颈,聚力融合创新与规模应用,实现产业级、网联式、规模性、差异化的虚拟现实普及之路。目目录录一、发展
5、背景.1二、关键技术趋势.4(一)融合创新驱动虚拟现实用户体验持续进阶.4(二)近眼显示:Micro-LED 与衍射光波导成为当前探索热点.8(三)渲染计算:云渲染、人工智能与注视点技术引领 VR 渲染 2.0.13(四)内容制作:交互性体验和支撑工具快速发展.19(五)感知交互:自然化、情景化与智能化为前行之路点亮灯塔.24(六)网络传输:5G+F5G 构筑虚拟现实双千兆网络基础设施支撑.30三、产业发展趋势.36(一)虚拟现实终端出货量与市场规模稳步增长.36(二)云化虚拟现实触发端网边云产业链条融合创新.41(三)终端、行业应用与增强现实孕育投融资市场新机遇.47(四)国家部委及地方政府
6、积极推动虚拟现实产业发展.51四、创新应用分析.56(一)虚拟现实+商贸会展:后疫情时代的未来会展新常态.56(二)虚拟现实+工业生产:企业数字化转型的新动能.58(三)虚拟现实+地产营销:行业差异化竞争必由之路.60(四)虚拟现实+医疗健康:传统医学手段的有效补充.62(五)虚拟现实+教育培训:教学模式由被动接受向自主体验升级.64(六)虚拟现实+文娱休闲:新型信息消费模式的新载体.65五、我国发展虚拟现实产业面临的问题及建议.67(一)国内外发展现状.67(二)面临的问题.70(三)发展建议.72附录 缩略语.1图图目目录录图 1 虚拟现实终端发展部分里程碑事件.3图 2 虚拟现实沉浸体验
7、产业发展阶段.4图 3 虚拟现实关键技术体系(2020).6图 22 虚拟现实技术成熟度曲线(2020).6图 4 虚拟现实近眼显示部分代表性技术路线.13图 5 基于时延不确定性的云渲染情况示意.16图 6 各类注视点技术基本情况.17图 7 全光网络组网结构示意.34图 8 面向虚拟现实业务的网络传输技术供需匹配情况.35图 9 全球虚拟现实终端出货量及结构占比.37图 10 全球虚拟现实市场规模.38图 11 虚拟(增强)现实产业地图(2020).40图 12 虚拟现实产业生态协同关系网络.41图 13 虚拟现实终端形态分类演进.44图 14 云化 XR 解决方案架构(Nvidia).4
8、6图 15 全球虚拟现实风险投资市场情况.47图 16 全球虚拟现实风险投资规模(左)、频次(右)占比.48图 17 全球虚拟现实风险投资规模、频次占比(按投资领域划分).50图 18 近年来全球虚拟现实风险投资热点事件.51图 19 我国各部委虚拟现实领域相关政策.54图 20 我国各地市虚拟现实产业政策情况.56图 21 虚拟现实+商贸会展业务场景划分.58虚拟(增强)现实白皮书1一、发展背景一、发展背景在全球经济形势复杂多变和新冠疫情的影响下,人类社会生活和生产方式面临新的挑战,信息消费与产业数字化转型也随之迎来新的机遇。作为新一代信息技术融合创新的典型领域,虚拟现实关键技术日渐成熟,在
9、大众消费和垂直行业中应用前景广阔,产业发展正逢其时。新型基础设施建设驱动虚拟现实产业发展提档升级。新型基础设施建设已成为拉动投资、促进消费、稳定就业和提升综合实力的重要抓手,如何加载高质量的业务生态成为释放新基建发展动能的关键。当前,以虚拟现实为代表的未来视频,正在成为工业数字孪生、沉浸式教学等传统行业转型升级与长短视频领域的重点发展路径。在今年新冠疫情的影响下,视频社交、视频会展等虚拟现实创新应用市场逆势增长,表现出对新型基础设施更加迫切的需求,并对通信基础设施的带宽、时延等网络传输能力、对算力基础设施的计算、存储能力提出了不断进阶支撑要求。虚拟现实引领新一代人机交互平台发展。虚拟现实是个老
10、的新概念,自上世纪 50 年代首款 VR 设备出现直至 2016 年产业元年的到来,虚拟现实兴起主要源自软硬件成本门槛大幅降低、产业资本与政策集聚、大众不断进阶的视听交互需求等背景动因。随着产业发展的持续演进,互动视频、无界办公、智慧教育、沉浸会展、工业互联网虚拟(增强)现实白皮书2等应用场景的多样化、用户需求的多级化与数据类型的多元化亟需新一代人机交互平台的发展。业界对虚拟现实的研讨不再拘泥于其是否有望取代手机等偏狭议题,而是从技术、产业与应用多角度探讨以虚拟现实为代表的未来人机交互平台发展。从广义来看,虚拟现实(Virtual Reality,VR)包含增强现实(Augmented Rea
11、lity,AR),狭义而言彼此独立,如无特别区分说明,本白皮书采用工信部印发关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见中的广义界定。虚拟现实产业发展开始进入起飞阶段。虚拟现实旨在使用户获得身临其境的沉浸体验,通过对中国信通院虚拟(增强)现实白皮书(2018)中分级标准进行修订,可将虚拟现实划分为五个发展阶段,不同发展阶段对应相应体验层次,继 2016 年虚拟现实产业元年、2018年云 VR 产业元年、2019 年 5G 云 VR 产业元年过后,2020-2021 年将成为虚拟现实驶入产业发展快车道的关键发力时窗,目前全球处于部分沉浸/成长培育期。其中,在终端设备方面,开始规模上量,适配场景与功能定
12、位体系日益清晰完备,例如华为 VR Glass、Focal 等轻量级 VR/AR 终端通过强化通信连接能力,以及摄像头提供虚拟助手等功能进而变身为手机伴侣,微软 Hololens2 等高性能一体式 AR 终端可在一定程度上取代 PC,作为新兴生产力平台,Facebook Quest 2等高性能VR终端可作为电视与游戏机等传统文娱平台的产品演进形态。在内容应用方面,题材形式日益丰富,内容与特定终端平台加速解耦,内容开发、调试与营销工具渐趋成熟,可自给、能盈利的内容虚拟(增强)现实白皮书3生态开始成型,例如,标杆企业 Facebook Quest 平台内容收入已达到1.5 亿美元,35 款游戏收入
13、达到百万美元,沉浸声、手势识别与虚拟化身等特色内容制作 SDK 陆续发布。在网络平台方面,2020 年成为5G 创新业务从 0 到 1 实现跨越的关键窗口,作为 5G 时代首要的创新业务,一方面,VR 为 5G 这一国家新型基础设施提供了普适典型的应用场景,另一方面 5G 有望打破单机版 VR 小众化的产业发展瓶颈。2019 年期间,成都、福州、杭州、青岛、南昌、上海、北京、沈阳、广州等地方政府已将 5G 云 VR 提上工作日程,相继编制或正在实施专项政策与相关工程。来源:中国信通院与中国联通联合课题虚拟现实终端热点分析研究报告图 1 虚拟现实终端发展部分里程碑事件虚拟(增强)现实白皮书4来源
14、:根据中国信通院虚拟(增强)现实白皮书(2018 年)修订图 2 虚拟现实沉浸体验产业发展阶段二、关键技术趋势二、关键技术趋势(一)融合创新驱动虚拟现实用户体验持续进阶(一)融合创新驱动虚拟现实用户体验持续进阶虚拟现实存在单机智能与网联云控两条技术路径。当前,多数企业基于单体智能的发展轨道,聚焦近眼显示、感知交互、渲染计算与内容制作领域的研发创新、技术产业化及成本控制等相关工作,网联元素主要体现在内容上云后的流媒体服务。未来,虚拟现实发展的演进形态不是两者简单叠加,而是有机融合:在云、网、边、端、用、人等融为一体的创新体系下重构现有系统架构,触发产业跃迁,进而在这一深度融合创新的框架下,重新界
15、定并迭代优化一批新技术、新产品、新标准、新市场与新业态。结合虚拟现实跨界复合的技术特性,对虚拟(增强)现实白皮书(2018)所提出“五横两纵”的技术框架与发展路径更新完善,其中,“五横”是指近眼显示、感知交互、虚拟(增强)现实白皮书5网络传输、渲染计算与内容制作,“两纵”是指 VR 与 AR,各技术点发展成熟度具体如下。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。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
16、技术、虚拟化身技术等前瞻方向进一步提升虚拟现实体验的社交性、沉浸感与个性化。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、虚拟现实业务虚拟(增强)现实白皮书6AI 识别等新兴技术路径。图 3 虚拟现实关键技术体系(2020)来源:中国信通院、VRPC 整理图 4 虚拟现实技术成熟度曲线(2020)虚拟(增强)现实白皮书7现阶段虚拟现实技术演进轨道尚未定型,技术供需面临多重挑战,存在超长的产业链条致使
17、创新投入力不从心,现实效果与用户预期存在落差等问题。根据虚拟现实产业推进会(VRPC)产业分析与体验调优平台数据统计,对用户体验痛点清单按优先级排序可归纳为“用贵笨视晕传知”,即高品质爆款内容缺乏;高性能终端存在一定价格门槛;外观形态吸引力不足,佩戴不够轻便;分辨率、视场角等方面的画面视觉质量有限;由头动响应(MTP)时延、辐辏调节冲突(VAC)及晕动症等引发的晕眩感;因缺少适配虚拟现实业务的云网优化,致使网络感知不佳;缺乏令人耳目一新的使用体验与受众渠道,大众认知程度尚待提高。为应对上述问题,参考马斯洛需求层次理论,分析用户需求与技术供给的潜在关联,将虚拟现实用户需求自下而上划分为经济性、舒
18、适性、沉浸性、互通性四个层次。其中,经济性是指涉及终端、配件、内容与流量等软硬件在内的用户购置费用以及开机调配所须的时间精力成本。舒适性涉及佩戴、视觉与社交等方面,例如,佩戴可摆脱线缆羁绊,显著提高移动性,通过网络传输大幅降低本地处理负载,头显体积小、重量轻、发热少、透气好,终端重心靠近头部;支持较宽的瞳距(IPD)调节,注视点中心区域每度像素数(PPD)较高,无较低 PPD 与开口率产生的纱窗效应;显示亮度可调节,无Mura 效应;具备蓝光控制,可在一定程度上缓解 VAC;在视场角(FOV)与眼动框范围内的颜色精准且均匀一致等。沉浸性可归纳为视觉、听觉、触觉、运动与嗅觉的临场感,例如,视场角
19、、高动态范围图像(HDR)、虚拟(增强)现实白皮书8MTP、注视点显示、动态沉浸声、触觉反馈、眼动/手势/姿态/脑电感知等因素。互通性既包含头显平台与交互外设、内容间的互联互通,也涵盖虚拟现实应用中多用户间的社交互动元素。虚拟现实技术创新的难点与焦点在于需求指标间的权衡优化。对于诸多阶梯化、多层次与分场景的细分需求(参见沉浸体验阶梯与用户需求层次视图),往往出现“按下葫芦浮起瓢”的研发窘境。如何求解用户需求这一多目标函数,即不以牺牲或最低限度牺牲某方面需求来满足其他,成为业界技术创新过程中所面临的共性挑战。例如,沉浸性与舒适性需求层次中的部分技术指标存在潜在冲突,两者与经济性指标亦存在潜在互斥
20、,因此特定单一指标的局部最优难以支撑虚拟现实用户体验所需的全局最优。在这一背景下,融合创新与以人为中心成为解决上述难题的参考原则。相比单机版的发展路径,基于云、网、边、端、用等多领域间的技术组合进一步释放了融合创新的潜在空间。此外,相比传统的智能终端与移动互联网业务,虚拟现实作为下一代人机交互平台,日渐强调以人的生理及心理特质为技术创新的出发点。(二)近眼显示:(二)近眼显示:Micro-LED 与衍射光波导成为当前探与衍射光波导成为当前探索热点索热点近眼显示受限于核心光学器件与新型显示的发展,整体发展相对迟缓。2020 年随着市场需求日渐清晰,业界对近眼显示领域表现出更高的期待。虚拟(增强)
21、现实白皮书9在显示领域,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 Quest 2 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 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;硅基液晶(LCoS)作为 AR 终端常
22、用的显示技术得到了一定发展与认可,但其较高功耗与较低对比度的不足限制了该技术的发展地位;OLEDoS 可显著改善 LCOS 在对比度、功耗与响应时间等方面的性能表现,成为新近发布 AR 终端的主流技术选择,2019 年底京东方在昆明量产;LBS 激光扫描显示已用于微软等部分行业巨头的相关产品,亮度、功耗与体积等方面的优势使得该技术获得业界关注,但须搭配较为复杂的光学架构实现功能,短期内市场预期有限;Micro-LED 成为继 LCD 和 OLED 后业界期待的下一代显示技术,广阔市场前景致使诸多行业巨头加速战略布局,苹果(LuxVue)、脸书(InfiniLED)、谷歌(Glo、Mojo Vi
23、sion)、英特尔(Aledia)等纷纷投资或收购该领域初创公司,业界正在规划的规格以 1.3 寸4K*4K 为主。虽然 Micro-LED 具备低功耗、高亮度、高对比、反应速度快、厚度薄与高可靠等虚拟现实应用方面的性能优势,但现阶段由于 LED 外延成本较高,巨量转移的速度和良率尚未达到可量产的虚拟(增强)现实白皮书10水平,当前 Micro-LED 显示技术正处在量产突破的前夕,梳理晶元光电股份有限公司、友达光电股份有限公司、镎创显示科技股份有限公司、三星等重点企业的发展进度可知,预计其规模量产时间在 2022 年左右;智能隐形眼镜尚处于萌芽状态,旨在最大程度缩小近眼显示系统与眼球间的距离
24、,2020 年 Mojo Vision 发布了首款内置 Micro LED的 AR 隐形眼镜。未来,近眼显示系统有望由当前眼球外安置(头显终端)向眼球上(隐形眼镜)、眼球内(晶状体、视网膜)乃至视觉皮层转移。在光学领域,作为下一代人机交互平台,虚拟现实呼唤以人为中心的光学架构,视觉质量、眼动框范围、体积重量、视场角、光学效率与量产成本间的权衡取舍、优化组合成为驱动技术创新的主要动因。超薄 VR(Pancake)利用半透半反偏振膜的双透镜系统折叠光学路径,将头显重量降至 200g 以内,体积缩减至传统终端的三分之一,缓解了 VR 头显尺寸重量与便携性的痛点,且可保证较好的显示效果及更大的视场角;
25、折反式(Birdbath)得益于设计难度与量产成本的优势,触发了消费级 AR 终端的规模上量,基于这一传统技术路径的光学模组体积较大厚度减薄困难,眼动框范围受限,其光学系统须搭配算法缓解畸变,且光效难以高于 15%,效果和成本较大程度受限于微显示器的发展,高亮的 OLEDoS 成为最优搭配,目前我国已有厂商采用该技术大量出货;自由曲面在早期得到业界认可,其显示效果、光效表现较好,但量产加工难以保持较高精度,局部精度下降可导致图像局虚拟(增强)现实白皮书11部扭曲和分辨率降低,存在产品一致性难题。此外,通过厚棱镜观察真实世界会出现一定程度扭曲和水波纹样畸变,这些因素影响了自由曲面的发展潜力;光波
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