研究成果
CAICT观点
虚拟现实发展趋势与应用状态
作者:陈曦            发布时间:2019-01-25

  虚拟现实是新一代的信息通信技术的重点领域,具有产业潜力大、技术跨度大、应用空间广的特点。目前,虚拟现实在关键技术与产业应用方面呈现出一些新的发展趋势。

  全球虚拟现实市场快速发展,内容应用成为主要增长点。虚拟现实产业链条长,参与主体多,主要分为内容应用、终端器件、网络平台和内容生产。2018年全球虚拟现实市场规模将超过700亿元人民币,同比增长126%。其中,VR整体市场超过600亿元,AR整体市场超过100亿元,预计2020年全球虚拟现实产业规模将超过2000亿元,其中VR市场1600亿元,AR市场450亿元。预计2017-2022年全球虚拟现实产业规模年均复合增长率超过70%,VR为占据主体地位,AR增速显著。

图1 全球虚拟现实市场规模(按终端形态划分)

  资本投资趋缓反映出虚拟现实由概念热炒进入理性调整阶段。虽然2017年全球虚拟现实领域资本投资出现负增长,但进入到2018年,投资总额调整回升至135亿元,单笔投资均值低于2016产业元年亿元规模,但较之2017年增幅高达18%。其中硬件终端与行业应用占据全球风险投资产业细分领域主体,表明近期虚拟现实产业仍处于初级发展阶段,大众消费市场规模有限,资本关注度逐渐降低,而变现能力更强的硬件终端和行业应用公司更易获得资本青睐。

  现阶段技术发展进程处于部分沉浸期。业界对虚拟现实的界定认知由特定终端设备向联通端管云产业链条的沉浸体验演变,目前,虚拟现实技术发展处于部分沉浸期,主要表现为1.5K-2K单眼分辨率、100-200度视场角、百兆码率、20毫秒MTP时延、4K/90帧率渲染处理能力、由内向外的追踪定位与沉浸声等技术指标。

图2 虚拟现实技术发展阶段

  变焦显示成为技术热点,显示计算化初见端倪。从人眼双目视觉特性看,眩晕感主要源自三方面。一是显示画质,纱窗、拖尾、闪烁等过低的画面质量引发的视觉疲劳,二是视觉与听觉、触觉、前庭系统等其他感官通道的冲突,三是辐辏调节冲突。对于产生眩晕感的前两类因素,业界已有可量产的解决方案,然而,针对第三类挑战的产业实践几近空白。2018年Oculus研发出采用可变焦显示技术的原型机Half Dome,解决了辐辏调节冲突,即通过眼动追踪、屏幕机械位移及注视点渲染等技术实现变焦显示,欺骗大脑实现辐辏-屈光调节生理上的仿真。目前,虚拟现实终端中的显示器仅作为图像输出设备,本身不参与计算处理,这与电视、手机等传统终端显示器的功能定位一致,但针对更优的虚拟现实进阶体验,近眼显示具备极大的发展潜力。基于显示器内计算这一全新技术方向,近眼显示不仅呈现内容,还可计算用户状态。例如,为解决上文提及辐辏调节冲突这一重大技术痛点,英伟达等研发了显示器内计算的原型机,即在虚拟现实近眼显示器内进行两类计算,一是眼球追踪,二是为渲染动态的预畸变图像进行的光路计算。

  注视点渲染、深度学习渲染等快速升温,端云协同、软硬耦合的精细化渲染成为发展趋势。渲染处理领域的主要矛盾表现为用户更高的体验需求与渲染能力的不足。当前,面向虚拟现实的渲染处理面临着“小马拉大车,既要马儿吃得少,又要跑得快”的技术挑战。首先,相比主流游戏画面渲染与电影制作渲染的负载要求,时下虚拟现实渲染负载(部分沉浸级)将分别提高七倍与两倍,相当于4K超高清电视每秒像素吞吐量。若以完全沉浸级乃至附带现有电影视觉保真度为渲染目标,虚拟现实渲染负载将在PI水平上再分别提高五十倍甚至数十万倍。其次,为获得即时反馈,传统视频游戏用户交互延迟须低于150ms,而虚拟现实MTP时延要求低于20ms。最后,对于移动平台固有的功耗约束,虚拟现实渲染处理领域所面临的技术挑战正在进一步放大。因此,更优的静态画质、视觉保真度、渲染时延与功耗开销成为该领域的技术动因。虽然可以通过堆叠算力来提高渲染质量,但这一不具备成本经济性的技术路线将迟滞虚拟现实产业发展。目前,业界聚焦面向虚拟现实的注视点渲染、深度学习渲染与混合渲染等热点领域,旨在探索软硬耦合的精细化渲染之路。

  网联式云化虚拟现实成为趋势,5G赋能云VR。面向虚拟现实的网络传输强调基于既定技术发展轨道的“微创新”,即针对虚拟现实带宽、时延双敏感的业务特性,优化适配各类网络传输技术,弥合潜在技术断点,打破当前“单机版”的发展定势,探索网联式云化虚拟现实技术路径,旨在保证不断进阶视觉沉浸性与内容交互性的同时,着力提升用户使用移动性,降低大众软硬件购置成本,加速虚拟现实普及推广。目前,“5G+VR”成为面向虚拟现实网络传输领域的发展热点。发改委在2018年4月发文正式批准我国三大运营商在12个城市试点5G业务,预计三大运营商将于2019年部署5G商用网络,虚拟现实有望成为5G规模应用的关键场景。对VR终端而言,须考虑集成5G通信模块的峰值速率、5G频段、IP协议栈以及与VR产品集成方式等要求。此外,网络切片、边缘计算等5G基本网络能力赋能虚拟现实业务,其中,网络切片技术通过定制的端到端专用网络为云化虚拟现实应用提供专属网络通路,解决了云VR应用源视频采集端上行带宽大、用户侧无线资源竞争受限、网络部署成本高等问题。同时,通过按需提供端到端网络切片,提供端到端的通信质量保障;边缘计算技术解决了用户接收端多路转发推送的需求,根据业务时延需求的不同按需部署在网络中的不同位置,实现虚拟现实直播互动不同场景对网络时延的差异化需求,一定程度上避免因带宽和时延受限带来的眩晕感,且减少对回传资源消耗。

  “虚拟现实+”释放传统行业创新活力。虚拟现实业务形态丰富,产业潜力大、社会效益强,正在加速向生产与生活领域应用推广。虚拟现实+文化娱乐包括游戏、社交、视频、直播、旅游等,重在提升大众消费体验;虚拟现实+工业生产成为智能制造的重要补充,包括产品设计、运维巡检、远程协作、操作培训和数字孪生等,宝马、波音、西门子已宣布引入虚拟现实技术改造提升传统生产方式,并取得良好效果;虚拟现实+医疗健康聚焦在手术培训、心理干预和早期检测等领域;虚拟现实+教育培训包括面向大众的语言教育、红色教育、面向中小学的K12教育,以及面向行业应用的职业培训等领域;虚拟现实+商贸创意能够营造高度沉浸、可交互的用户体验,电子商务企业已通过虚拟现实方式展示商品,用户停留时长可提高50%,订单转化率提高10%。

  现阶段虚拟现实产业处于发展初期,我国产业生态初步形成,须加强跨领域技术储备,积极探索虚拟现实与近眼显示、感知交互、渲染处理、网络传输、内容制作等重点领域融合创新之路,通过“虚拟现实+”助推传统产业的转型升级。


  作者简介:

  陈曦,cabet888.cc亚洲城_ca88手机版会员登录_ca888亚洲城手机版信息化与工业化融合研究所ICT制造研究部副主任,研究范畴包括虚拟现实、超高清视频、车联网等领域。

  联系方式:chenxi1@caict.ac.cn

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