虚拟增强现实白皮书﹎.pdf
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1、虚拟(增强)现实白皮书 (2017 年) 中国信息通信研究院 华为技术有限公司 2017年9月 版 权声明 本白皮书版权属于中国信息通信研究院,并受法律保护。 转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的,应 注明“来源:中国信息通信研究院”。违反上述声明者,本院 将追究其相关法律责任。 致谢 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联合撰写发布,在编写过程中的有 关内容得到了华为技术有限公司iLab 创新实验室与2012 实验室、 京东方科技集团股份有限公司创新业务部、虚拟现实内容制作中心、 歌尔科技、中国电信上海研究院、微鲸VR、兰亭数字、
2、亮风台的专 业支持。 本白皮书限于编写时间、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。 前言 虚拟(增强)现实是新一代的信息通信技术的关键领域,具有 应用空间大、产业潜力大、技术跨度大的特点, 对带动核心元器件、 泛智能终端、网络传输设备、云设备、电信服务、软件与行业领域 信息服务的转型升级具有重要意义。作为一个具有较长历史,但实 际刚刚新兴的产业,虚拟现实技术与产业的发展轨道尚未完全定型。 从关键技术上看,以近眼显示、渲染处理、感知交互、网络传输、 内容制作为主的技术体系正在形成。从产业构成上看,虚拟现实产 业体系依托器件 / 设备、工具/ 平台与内容 /
3、应用,相比较为成熟的智 能终端,虚拟现实产业体系类似,实则差异较大。总体来看,我国 在虚拟现实产业上与国际一流水平差距不大,建议进一步强化跨领 域技术储备, 聚焦融合创新; 深化内容开发工具 / 平台发展,推广应 用服务;构建公共服务平台,提升产业化服务能力。 本白皮系统提出了虚拟现实内涵形态、体验进阶层次、技术架 构、细分体系及技术发展路标,并将我国典型本土虚拟现实企业按 照产业链重点环节归纳总结,形成了我国虚拟现实产业细分地图, 据此提出相关发展建议。 目录 一、发展背景 . . 1 (一)虚拟现实概念内涵与形态划分不断演进. . 1 (二)虚拟现实兴起源自门槛降低、资本聚焦与政策支持.
4、. 4 (三)虚拟现实成为移动互联网向人工智能时代演进的发展重点. . 7 二、关键技术趋势 . . 8 (一)虚拟现实“五横两纵”的技术架构初步形成. . 8 (二)近眼显示技术以沉浸感提升与眩晕控制为主要发展趋势. . 11 (三)感知交互技术聚焦追踪定位、环境理解与多通道交互等热点领域. . 15 (四)网络传输技术呈现大带宽、低时延、高容量、多业务隔离的发展趋势. . 20 (五)渲染处理技术遵循渲染优化算法与渲染能力提升双轨并行的发展路径. . 30 三、产业生态趋势 . . 34 (一)虚拟现实产业生态以器件设备、工具平台与内容应用为主. . 34 (二)感知交互与内容制作成为虚拟
5、现实下一阶段的发展重点. . 36 (三)知识产权竞争态势展现产业发展趋势. . 38 (四)现阶段我国与国际一流水平在不同领域产业差距各异. . 41 (五)“虚拟现实 +”时代业已开启 . . 45 四、措施及建议 . . 50 (一)强化跨领域技术储备,聚焦融合创新. . 50 (二)深化开发工具 / 平台发展,推广应用服务. . 51 (三)构建公共服务平台,提升产业服务能力. . 51 重要图表索引 图 1 虚拟现实沉浸感分级体验. 1 图 2 虚拟现实沉浸体验 - 网络需求视图 . 2 图 3 全球 VR主要终端形态渗透率 . 3 图 4 虚拟现实终端品类划分 . 3 图 7 虚拟
6、现实技术“五横两纵”技术架构 . 9 图 8 虚拟现实“五横”技术体系 . 9 图 9 全球虚拟现实知识产权热点领域 . 11 图 10 虚拟现实近眼显示关键技术路标 . 15 图 12 虚拟现实感知交互关键技术路标 . 20 图 18 虚拟现实网络传输关键技术路标 . 30 图 19 虚拟现实渲染处理关键技术路标 . 34 图 20 我国虚拟现实产业视图 . 35 图 29 国内外虚拟现实近眼显示产业梯队 . 43 图 30 国内外虚拟现实网络传输产业梯队 . 44 图 31 国内外虚拟现实渲染处理产业梯队 . 44 图 32 国内外虚拟现实感知交互产业梯队 . 45 图 33 虚拟现实典型
7、应用领域 . 46 中国信息通信研究院虚拟(增强)现实白皮书(2017 年) 1 一、发展背景 (一)虚拟现实概念内涵与形态划分不断演进 业界对虚拟现实的界定认知由终端设备向沉浸体验演变。随着技 术和产业生态的持续发展, 虚拟现实的概念不断演进。 业界对虚拟现 实的研讨不再拘泥于特定终端形态与实现方式,而是聚焦体验效果, 强调关键技术、产业生态与应用领域的融合创新。 本白皮书对虚拟(增 强)现实( VirtualReality,VR/Augmented Reality,AR )目标的理解 是:借助近眼显示、感知交互、渲染处理、网络传输和内容制作等新 一代信息通信技术, 构建跨越端管云的新业态,
8、 满足用户在身临其境 等方面的体验需求,进而促进信息消费扩大升级与传统行业的融合创 新。沉浸体验的提升有赖于相关技术的突破和进步,是分阶段演进的 过程,将 VR业务的发展划分为如下阶段,不同发展阶段对应不同体 验需求。 来源:中国信通院 图 1 虚拟现实沉浸感分级体验 虚拟(增强)现实白皮书(2017 年)中国信息通信研究院 2 来源:华为iLab 创新实验室 图 2 虚拟现实沉浸体验 - 网络需求视图 虚拟现实终端由单一向多元、 由分立向融合方向演变。 按终端形 态划分,手机式成为现阶段主要终端平台。2016 年全球手机式 VR占 比接近 90% , 预计 2020年主机式与一体式VR渗透率
9、升至 50% 左右 (图 1)。随着谷歌( I/O )、Facebook(F8)、苹果( WWDC)等 ICT 巨头 2017 年全球开发者大会的召开,手机式AR渐成大众市场的主流,以 Meta2 与 Hololens 为代表的主机式、一体式AR主导行业应用市场。 此外,在自动驾驶与车联网发展浪潮的影响下,基于抬头显示的车载 式 AR成为了新兴领域,隐形眼镜这一前瞻性产品形态代表了业界对 AR 设计的最终预期。按终端功能划分,从广义来看,虚拟现实包含 增强现实,早期学界通常在 VR研讨框架内下设 AR主题,随着产业界 在 AR领域的持续发力,部分业者将 AR从 VR的概念框架中抽离出来。 狭义
10、来看, VR与 AR彼此独立,两者在关键器件、终端形态上相似性 较大,而在关键技术和应用领域上有所差异(若不加额外说明, 本文 采用广义界定)。 VR 通过隔绝式的音视频内容带来沉浸感体验,对 显示画质要求较高, AR 强调虚拟信息与现实环境的“无缝”融合, 中国信息通信研究院虚拟(增强)现实白皮书(2017 年) 3 对感知交互要求较高。此外,VR 侧重于游戏、视频、直播与社交等 大众市场, AR侧重于工业、军事等垂直应用。随着技术与产业的不 断发展,预计未来 VR与 AR终端将由分立走向融合, 两者“在山脚分 手,在山顶汇合”。 来源: IHS 图 3 全球 VR主要终端形态渗透率 来源:
11、中国信通院 图 4 虚拟现实终端品类划分 虚拟(增强)现实白皮书(2017 年)中国信息通信研究院 4 (二)虚拟现实兴起源自门槛降低、资本聚焦与政策支 持 硬件门槛显著降低。 自 1962年 VR设备出现至今, 随着智能手机 的普及,硬件成本大幅降低,VR 设备售价从之前的数万降至数百美 元,这一成本变化主要体现在光电子与微电子方面。光电子方面, 虚 拟现实显示器件经历了从CRT到 TFT-LCD/AMOLED的产业变革,屏幕 体积重量不断缩小,分辨率升至FHD+ 水平,响应时间达到微秒级。 微电子方面,低成本的SOC 芯片与 VPU (视觉处理器)的普及成为虚 拟现实在集成电路领域发展热点
12、。 资本投向日趋聚焦。 经过谷歌眼镜的预热, 2014 年 Facebook以 20 亿美元收购Oculus,释放重大产业信号,此后全球资本密集投向 虚拟现实这一领域, 各大 ICT 巨头积极提出有关发展战略, 众多科技 初创公司纷纷涌现。据Digi-Capital统计表明, 2016 年全球投资虚 拟现实初创公司的金额达到23 亿美元(不含并购),同比增长200% 以上。在地域分布上, 中美成为虚拟现实产业的发展重点地区,总部 设在中美两地的虚拟现实初创企业约获得全球投资总额的20% 、 60% 。 在投资领域上, 据 IHS统计,开发工具与游戏、视频类虚拟现实内容 应用分别以 18% 、
13、16% 、 11% 的份额,位列全球虚拟现实投资领域TOP3 , 这一数据反映出阻碍虚拟现实普及因素的变化,即在初步降低虚拟现 实硬件门槛后,业界对以游戏及视频为代表的各类内容应用以及专属 开发工具日益重视。 中国信息通信研究院虚拟(增强)现实白皮书(2017 年) 5 来源: IHS 图 5 2014 年前后全球虚拟现实投资情况 各国政府将虚拟现实产业发展上升到国家高度。美国政府早在上 世纪 90 年代即将虚拟现实作为国家信息基础设施(NII )计划的 重点支持领域之一。 美国国防部非常重视虚拟现实的研发与应用,在 武器系统性能评价、 装备操纵训练及大规模军演指挥方面,将之作为 重点支持方向
14、。 2000年美国能源部制定了 长期核技术研发规划 , 其中明确提出应重点开发、应用和验证虚拟现实技术。2017 年多位 美国国会议员宣布联合组建虚拟现实指导小组,旨在确保从国会层面 对虚拟现实产业发展的支持与鼓励。此外,美国设立了有关虚拟现实 的研究项目, 如卫生与福利部、 教育部分别开展了虚拟现实在心理疾 病、中小学教育的试点示范。欧盟早在上世纪80 年代开始对虚拟现 实提供资助,在 2014 年公布的地平线2020计划中,涉及虚拟现 实的资助金额达到数千万欧元。日本政府在2007年、2014 年先后发 布了到 2025 年技术发展规划的创新25 战略,以及旨在将日本打 造为全球创新中心的
15、科学技术创新综合战略2014为了创造未来 的创新之桥,上述政策文件均将虚拟现实视为技术创新重点方向。 虚拟(增强)现实白皮书(2017 年)中国信息通信研究院 6 韩国政府于 2016 年设立了约 2 亿 4000万人民币的专项基金, 将虚拟 现实作为自动驾驶、 人工智能等本国未来九大新兴科技重点发展领域 之一。此外,韩国未来创造科学部计划在2016-2020 年期间通过投资 约 24 亿人民币,培育本国虚拟现实产业,重点在于确保原创技术研 发和产业生态完善方面, 力争使韩国与美国在虚拟现实方面的差距从 目前的两年降至半年。总体而言, 美国虚拟现实发展以企业为主体、 政府搭平台, 政府重视虚拟
16、现实在各领域的应用示范。欧盟与韩日重 视顶层设计和新技术的研发, 在关键领域通过设立专项资金引导产业 发展。在我国,各级政府积极推动虚拟现实发展,虚拟现实已被列入 “十三五”信息化规划、中国制造2025、互联网 +等多项国家重大文 件中,工信部、发改委、科技部、文化部、商务部出台相关政策。此 外,各省市地方政府积极建设产业园区及实验室,推动本地虚拟现实 产业发展,至2016 年底,我国近二十个省市地区开始布局虚拟现实 产业。 图 6 我国部分省市地区虚拟现实产业发展布局 中国信息通信研究院虚拟(增强)现实白皮书(2017 年) 7 (三) 虚拟现实成为移动互联网向人工智能时代演进的 发展重点
17、新一代信息通信产业发展重心由移动先行(Mobile First )向人 工智能先行( AI First )迁移,这一转变已经成为诸多科技巨头的共 识,如 Google、Facebook 在近两年的全球开发者大会上提出人工智 能将作为企业未来发展的战略重心。 虚拟现实与移动互联网的联系主要体现在终端形态与应用软件 方面。在形态方面,虚拟现实具有跨终端形态的特点,手机式、主机 式、一体机等多种产品形态将长期并存,虚拟现实呈现“形散神聚” 的特点,即终端设备不局限于某一特定产品形态;其次,手机成为现 阶段虚拟现实发力的主要方式,据IHS统计, 2016 年全球手机式VR 存量市场份额超过80% ,预
18、计到 2020 年手机式将保持主导地位。目 前,科技巨头将手机作为虚拟现实的首要平台载体,如Facebook 在 2017 年开发者大会上表示手机将是首要的AR 体验平台,谷歌的 Daydream和 Tango 项目都围绕手机开展生态建设,苹果表示将通过 手机构建全球最大的AR平台,虚拟现实将成为手机的延续而非替代; 在应用软件方面,手机 APP已经开始呈现 VR/AR化, 根据尼尔森统计, 2016 年美国下载 TOP10 APP中,绝大多数具备虚拟现实功能。此外, 虚拟现实应用对手机续航、云端负载等带来挑战,如著名AR 游戏 Pokemon Go上线后由于用户激增,云服务器访问负载高达此前
19、最坏 预期的十倍之多。 虚拟现实与人工智能的联系主要体现在渲染处理、感知交互与通 用 AI 方面。 人工智能对虚拟现实关键技术的推动集中在感知交互与 虚拟(增强)现实白皮书(2017 年)中国信息通信研究院 8 渲染处理领域。在感知交互方面,基于AI 的场景分割识别及定位重 建已成为科技巨头的重点布局领域,例如Google Lens 利用 AI 能够 让机器学会“看图说话”,Tango 与地图部门通过环境3D 建模实现 室内 SLAM 功能等;在渲染处理方面,画面渲染对计算资源的开销很 大,在画质噪点和处理时间上存在不足,基于深度学习的渲染技术能 够大幅度提高画质、 降低渲染时间; 虚拟现实对
20、人工智能发展的推动 集中在通用型AI 方面。人工智能发展呈现从专用型应用向通用型应 用的总体趋势,而这一演进过程有赖于海量训练数据的积累。然而, 在现实中搜集如此规模且具备一定数据结构的数据十分困难,一些著 名初创公司如Improbable 、OpenAI等致力于构建虚拟世界以代替现 实世界来进行训练数据的采集,通过建立十分复杂、 规模庞大的多人 虚拟世界开展各类模拟实验, 例如流行疾病的防控、 房地产等重大政 策的影响等,从而能够获取大量的训练数据。 二、关键技术趋势 (一)虚拟现实“五横两纵”的技术架构初步形成 虚拟现实涉及多类技术领域, 可划分为“五横两纵”的技术架构。 由于虚拟现实所固
21、有的多领域交叉复合的发展特性,多种技术交织混 杂,且产品定义处于发展初期,有关技术轨道尚未完全定型,目前对 关键技术的界定以及技术体系的划分尚不明确,本白皮书尝试针对虚 拟现实的发展特性,首次提出“五横两纵”的技术体系及其划分依据。 “五横”是指近眼显示、感知交互、网络传输、渲染处理与内容制作 的五大技术领域。“两纵”是指支撑虚拟现实发展的关键器件/ 设备 与内容开发工具与平台。 虚拟现实横向技术可细分为三层体系,第一 中国信息通信研究院虚拟(增强)现实白皮书(2017 年) 9 层为五类技术领域,各部分再细分第二层与第三层技术(如图8)。 图 7 虚拟现实技术“五横两纵”技术架构 图 8 虚
22、拟现实“五横”技术体系 多元化参考依据界定虚拟现实关键技术。从需求体验看, 相比手 机固有的通信属性,人机交互成为虚拟现实的核心特质,否则VR终 端将退化为头戴式电视 /手机。从应用领域看, 据高盛公司预计, 2025 虚拟(增强)现实白皮书(2017 年)中国信息通信研究院 10 年全球游戏 / 社交与视频 / 直播两大领域将占据虚拟现实市场营收规 模的 60% , 与之相关的开发引擎、拍摄工具等内容开发技术成为关键。 从成本结构看,对于目前体验效果较好的主机式VR头显,其屏幕成 本位居诸多器件成本首位, 大约占据物料总成本的三分之一。从技术 创新看,融合创新成为虚拟现实发展特点,以头动与视
23、野延迟 (Motion-to-Photons Latency,MTP )控制技术为例,须传感采集、 计算渲染、传输通信、显示反馈环节共同降低各自时延,以达到业界 主流观点设定的20 毫秒延迟门槛。在普及时间方面,参考Gartner 发布的年度技术成熟度曲线。 在知识产权方面, 根据中国信通院知识 产权中心统计,截止到2017 年上半年,显示、交互、建模、定位、 相机、头显、应用成为专利申请的热点领域(检索范围包括但不限于 中美日韩等七国二组织)。从资本市场看,内容制作与感知交互类技 术成为目前投资热点,如2016 年全球最大单笔投资投向开发引擎领 域。从企业战略看, Facebook、谷歌、苹
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