VR/AR 中光学技术分析交互技术引领产品市场发展

2016-10-09 07:47

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导读：VR/AR 中光学技术分析交互技术引领产品市场发展。虚拟现实的关键技术在于显示技术与交互技术，显示技术的厂商地位相对稳定，交互方式由于尚未统一且本身具有多样化特性，目前大批创新企业参与其中，苹果、谷歌、Facebook等巨头也在此布局。

参考《2016-2022年中国光学材料产业发展态势及十三五投资方向分析报告》

VR/AR 中的光学技术主要包括 3D 技术、手势识别技术、眼球追踪技术等。

虚拟现实的关键技术在于显示技术与交互技术，显示技术的厂商地位相对稳定，交互方式由于尚未统一且本身具有多样化特性，目前大批创新企业参与其中，苹果、谷歌、Facebook等巨头也在此布局。增强现实的核心技术在于显示成像，主流 3D 技术：立体技术（Stereoscopic 3D）与光场技术（Light Field）一种好的交互技术需要具备如下几个特质：1.稳定性强。稳定性差会影响用户的使用体验；2.精确度高。精确度影响使用效率和体验；3.延时低。低延时能够有效减弱用户晕眩感；4.舒适便捷。符合人体使用习惯；5.可接受反馈。反馈可以增强沉浸感；6.成本适中。这是由实验走向商用的必然要求。

表 1：当前几类交互手段

增强现实的核心在于显示成像

增强现实的核心技术在于显示成像，主流 3D 技术：立体技术（Stereoscopic 3D）与光场技术（Light Field）立体技术（Stereoscopic 3D）利用双目立体视觉原理给双眼分别显示不同的图片，它们很相似，只在水平方向上有细微差别，观看物体时两眼各自成像，大脑根据两眼成像的细微差别计算每一点的深度信息，从而得到立体感觉。

图 1：微软 HoloLens 全息眼镜（红字为推测）图 2：HoloLens 通过多个摄像机立体视觉技术建模

光学手势识别技术：虚拟现实核心交互手段

我们认为虚拟/增强现实时代，与显示技术并驾齐驱同样重要的还有手势识别技术为代表的各类体感识别技术，手势识别将成为虚拟现实/增强现实的核心交互手段。

表 2：手势识别技术分类

三维手势识别目前世界上主要有 3 种硬件实现方式：

（1）结构光（Structure Light）。这种技术的基本原理是，加载一个激光投射器，在激光投射器外面放一个刻有特定图样的光栅，激光通过光栅进行投射成像时会发生折射，从而使得激光最终在物体表面上的落点产生位移。当物体距离激光投射器比较近的时候，折射而产生的位移就较小；当物体距离较远时，折射而产生的位移也就会相应的变大。这时使用一个摄像头来检测采集投射到物体表面上的图样，通过图样的位移变化，就能用算法计算出物体的位臵和深度信息，进而复原整个三维空间。代表应用产品就是 PrimeSense 的 Kinect 一代。

（2）光飞时间（Time of Flight）。这种技术的基本原理是加载一个发光元件，发光元件发出的光子在碰到物体表面后会反射回来。使用一个特别的 CMOS 传感器来捕捉这些由发光元件发出、又从物体表面反射回来的光子，就能得到光子的飞行时间。根据光子飞行时间进而可以推算出光子飞行的距离，也就得到了物体的深度信息。光飞时间是 SoftKinetic 公司所采用的技术，该公司为 Intel 提供带手势识别功能的三维摄像头。同时，这一硬件技术也是微软新一代 Kinect 所使用的。

（3）多角成像（Multi-camera）。这种技术的基本原理是使用两个或者两个以上的摄像头同时摄取图像，就好像是人类用双眼、昆虫用多目复眼来观察世界，通过比对这些不同摄像头在同一时刻获得的图像的差别，使用算法来计算深度信息，从而多角三维成像。

目前各大厂商推出的 VR 游戏大都需要控制器。游戏控制器的优势在于，控制反馈及时，组合状态多。缺点是与虚拟环境互动少，用户只能控制而不能参与。而在 AR 应用方面，手柄就完全不能胜任人机交互的任务了。在 AR 应用领域有丰富的人机互动内容，而这种互动是非常复杂的，只有手势操作才可以完成。

Nimble Sense 是手势识别领域的代表产品，它是基于结构光的原理。其最大的特色在于能够快速识别用户的手势，然后同步到相应的 VR 游戏或软件中，其中没有任何的滞后感，使用者能在虚拟世界中感受到自己双手的存在，而且在使用过程中不需要穿戴任何的产品即可实现，进一步增强了用户体验。

眼球追踪技术：辅助 AR/VR 的又一交互手段

从原理上看，眼球追踪主要是研究眼球运动信息的获取、建模和模拟，用途颇广。主要技术有三类：一是根据眼球和眼球周边的特征变化进行跟踪，二是根据虹膜角度变化进行跟踪，三是主动投射红外线等光束到虹膜来提取特征。

眼球追踪技术目前的应用载体包括手机、电脑及汽车。三星前代旗舰级 Galaxy S III 可以通过检测用户眼睛状态来控制锁屏时间，只要检测到用户正盯着手机屏幕，即使用户没有进行任何操作，屏幕也不会关闭，此外用户可以通过眼球控制页面滚动；瑞典公司 Tobii 于 2003年推出一款眼球追踪设备 Rex，通过 USB 连接的电脑外设，它能让用户结合视线、触摸、鼠键等多种方式来控制电脑；汽车领域，通用和丰田已经在车载视线及注意力监控系统的研究上有了不小的投入。如果汽车通过传感器和摄像头知道驾驶员在看向哪里，它能提醒驾驶员视线外可能存在的危险。当驾驶员眼部运动发生异常改变，比如眼皮下垂（犯困）、眨眼次数减少（走神）等，它还会发出声音提醒。

VR 及 AR 领域，Cent 报道了一项名为“Eyefluence”的新型眼控技术，这一技术就旨在为虚拟现实甚至增强现实的头显设备提供一个简便的控制方案。它将眼球扫描仪和眼球追踪硬件相结合实现眼球控制。具体应用时：当用户凝视菜单栏中的某个图标时，相应的二级界面就会打开；如果用户使用 Eyefluence 技术查看图片，只需要凝视图片中某一部分，Eyefluence就会将这一部分自动放大；如果用户盯着滚动条的上方或者下方，就可以轻松完成页面的滚动操作。Eyefluence 技术可以通过用户瞳孔的缩放程度来确定用户的视线。这一技术有望帮助测量用户的观看体验，为相应行业提供更有参考价值的信息。

国外科技巨头纷纷布局交互技术领域

Oculus 已经开始打造自身在交互领域的闭环。为建立 VR 行业的交互方式标准，自 2014 年以来公司陆续收购了 Carbon Design、Nimble VR 及 Pebbles Interfaces 等专攻手势识别技术公司。Nimble VR 主攻高精度、低延迟的手部骨骼追踪技术。Pebbles Interfaces 则专注于结合光学组件、景深探测系统以及软件算法来实时感知手部的位臵和运动。

其他进军 VR 产业的科技巨头目前多数都在交互领域展开了布局。Sony 全资收购了专注于TOF（time of flight）手势识别技术的 Softkinetic；苹果投资了面部追踪技术公司 FaceShift、体感技术供应商 PrimeSense 等掌握交互技术的公司。

VR/AR 交互光学技术产品市场

VR/AR 中的光学技术主要包括 3D 技术、手势识别技术、眼球追踪技术等。基于这类技术的产品市场空间由 VR/AR 市场决定。基于标准预期模式，2020 年 VR/AR 头戴式设备出货量将达到 4300 万部。手势识别技术、眼球追踪技术作为交互技术方案，在未来几年内取代传统手柄是大概率事件。我们预计在 2016-2020 年手势识别及眼球追踪交互方案渗透率逐年大幅上升，最终成为标配。

图 3：交互技术模块将迎数百亿市场空间