虚拟现实技术成熟度曲线

1、近眼显示：Micro-LED 与衍射光波导成为当前探索热点 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。 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 Vision）、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； 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； 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； 光波导在 AR 领域的技术发展前景明确，可进一步分为阵列和衍射光波导两大技术路线。相比其他光学架构，光波导外观形态趋近日常眼镜，且通过增大眼动框范围更易适配不同脸型用户，有助于推动消费级 AR 产品显著升级。 其中，阵列光波导采用传统光学冷加工技术，连续多层半透半反镜面阵列镀膜、贴合、切割等复杂多步工艺对产品良率提升提出较大挑战，量产成本难以降低。此外，基于阵列光波导的二维扩瞳方案对加工工艺的挑战极大，短期难以商用； 衍射光波导依循光学元件从毫米级到微纳级、从立体转向平面的技术趋势，采用平面的衍射光栅取代传统的光学结构。衍射光波导利用经过两次两个方向的扩瞳光栅或二维光栅以实现二维扩瞳，从而给以人为中心的光学设计与用户体验优化留有更大的容差空间。衍射光波导理论上具有较高的可加工性，成本可控，批量生产难度显著低于阵列光波导，现已成为国内外标杆企业研发创新的活力区。此外，为了改善色散问题，针对 FOV 和动眼框内的“彩虹效应”，如何用一层光栅作用于 RGB 三色且实现最大的 FOV 成为重要的技术挑战。 目前，衍射光波导根据光耦合器的差异可分为利用纳米压印技术制造的表面浮雕光栅波导（Surface Relief Grating，SRG）及基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导（Volumetric Holographic Grating，VHG）等。其中，微软、Magic Leap 等多家 AR 明星企业的规模量产证明了 SRG这一技术路线在经济成本上的可行性，当前国内有条件建设该产线的厂商相对有限。全息体光栅由于受到可利用材料的限制，致使其在视场角、光效率、清晰度等方面尚未达到表面浮雕光栅的水平，但因其在量产经济性等方面的发展潜力，业界对此方向的探索未曾停歇； 可变焦显示成为当前解决辐辏调节冲突（Vergence Accommodation Conflict, VAC）的重要技术，继 2018 年脸书发布基于可变焦显示的第一代原型机 Half Dome 后，于 2020 年开始了第三代原型机实验室外场景环境下的集成验证，Half Dome 3 通过电子变焦取代了此前的移动式机械变焦，极大程度的优化了头显体积重量与系统可靠性，有望开启可变焦显示技术产业化的量产之路；全息显示通过全息方式显示多个焦面，可作为未来解决辐辏调节冲突的技术路径。目前，由于光相位调制器（SLM）价格昂贵、全息图生成算法尚不完善、所须计算量大且难以实时完成等因素致使该技术短期内难以推广应用。

2渲染计算：云渲染、人工智能与注视点技术引领VR 渲染 2.0

虚拟现实渲染领域的主要技术挑战在于面向传统游戏的上述权衡范式难以直接套用于虚拟现实应用，表现为相比游戏画面的主流渲染要求（如 FHD 分辨率所须每秒渲染六千万像素且不高于 150 毫秒的用户交互时延），虚拟现实渲染负载与 MTP 时延须提升十倍量级才可达到初级沉浸的入门体验。 此外，手机式/一体式 VR 与 AR 移动平台的渲染功耗预算尤为有限。当前，针对虚拟现实渲染所面临的“小马拉大车，既要马儿吃得少，又要跑得快”的技术挑战，业界先后发展出异步时间扭曲（ATW）、异步空间扭曲（ASW）、多视图渲染（MultiView）、多分辨率渲染、畸变补偿渲染等一系列优化算法，旨在弥合传统游戏与虚拟现实渲染间的技术断点。 另外，在跨越了沉浸体验的初始门槛后，渲染质量与效率间的平衡优化成为时下驱动虚拟现实渲染技术新一轮发展的核心动因，即用户需求的持续进阶放大了渲染画质、速度、成本、带宽等多目标规划的求解难度。在智能云控与以人为本的创新架构下，云渲染、人工智能与注视点技术触发虚拟现实渲染计算 2.0 开启。 云渲染聚焦云网边端的协同渲染，时延不确定性成为关键技术挑战。将虚拟现实交互应用所须的渲染能力导入云端，有助于降低终端配置成本，帮助用户在移动头显平台获得媲美高价 PC 级的渲染质量。在云化架构的引领下，各类内容应用可更便捷地适配差异化的终端设备，也有助于实施更严格的内容版权保护措施，遏制内容盗版，缓解用户体验痛点清单中的部分问题。相比虚拟现实单机版的发展思路，部分企业对云渲染这一网联式技术路径存在发展定见。 云游戏平台厂商认为网络状况难以预测，因而向网络中“倾泻”数据，最终造成网络资源浪费，客户端接收到无序数据，致使端侧须为此付出额外的计算成本。事实上，本地渲染与云渲染并非处于相互独立的发展轨道，亦非非此即彼的替代关系，相比单机版渲染依赖终端完成，云渲染并非完全依靠云侧进行，而是聚焦云网边端协同分工，旨在实现“不要让终端补缺云网协同落下的课”。当前，针对时延、带宽、丢包、抖动等技术挑战，业界通过调节 CPU 与 GPU 协同编码、前向纠错率、缓冲区大小等方式实现 QoS 保障。 需要指出的是，比之时延因素本身，网络、算力等导致的时延不确定性对虚拟现实云渲染用户体验影响尤甚，不同于传输环节的丢帧，因时延不确定性产生的弃帧主要是由帧未能及时到达，致使在终端显示环节丢弃（不显示）某些帧，在虚拟现实用户感受上表现为画面卡顿、跳跃与拖尾，有测试表明，对于 1080P@144 帧的云渲染体验，7ms 网络抖动是大众用户的感知边界。除流媒体 QoS 视角外，ATW/ASW 成为虚拟现实渲染标配的“弃帧保险”，由于 ATW 导致视觉黑边，可通过扩大渲染面积予以解决。此外，在虚拟现实体验过程中用户即便没有位移，眼睛亦会发生位置改变，因而引入 ASW，前者适用于远景静物，后者侧重近景动画。