编者按：包括元宇宙在内的未来产业，是抢抓新一轮科技革命和产业变革的重要机遇，实现引领发展的重要抓手。2021年以来，元宇宙成为备受青睐的互联网产业新风口，并在内容生产、场景构建、虚实界面、认证机制等创新技术的驱动下不断演进。中国电子报推出元宇宙技术发展动向系列报道，采访权威专家学者和龙头企业，分析关键技术对元宇宙发展引发的边际性变化，敬请关注。虚拟现实技术无缝融合了虚拟和现实世界的三维可交互融合环境，被认为是元宇宙重要的接入和交互终端。苹果首款XR头显有望在6月6日的WWDC 2023上发布，业内翘首期待因此提升大众对虚拟现实产品的认知，并在硬件、软件、内容应用等各技术环节促进创新，夯实虚拟现实技术底座。其中，“光学系统+微显示+感知交互技术”是核心。
“XR头戴式终端的关键技术需求从光学性能上看，便是大视场角（FOV）、体积小、重量轻、图像畸变小、逼真度高、3D沉浸感强。”俄罗斯工程院外籍院士王立军向记者表示。菲涅尔透镜和Pancake折叠光路方案是目前VR终端的重要光学解决方案，Pancake已经成为主流，其全面应用成为VR终端在2022年较大的技术迭代趋势之一。2019年，华为推出了第一个Pancake折叠光路方案并成功商用上市，到2022年，有一半以上VR新品都采用此方案。据了解，菲涅尔透镜体积大、笨重并且容易产生图像边缘畸变。Pancake折叠光路方案比菲涅尔透镜更为轻薄，体积更小。如今，我国的舜宇光学、欧菲光、诚瑞光学、耐德佳、水晶光电等一批光学供应商都具备成熟的Pancake光学模组方案，为全球VR企业提供了中国的“纤薄”智慧，Meta、PICO、创维等品牌最新款VR一体机纷纷采用了Pancake光学解决方案。创维VR国内营销负责人卜德法表示，2022年Pancake方案成为行业主流，产品重量大幅度降低，佩戴舒适度进一步改善，眩晕等痛点基本解决。记者在采访中了解到，由于光路设计限制，Pancake仍存在诸多需要改进的方面，如折叠光路光损高，相比菲涅尔透镜视场角更小，且成本相对较高等。2022年，AR眼镜一方面在工业和教育等B端场景深耕，一方面在消费市场起量。以Birdbath、阵列光波导光学方案为主的消费级产品将用户体验门槛降低，同时促进观影、骑行等消费端场景不断丰富。以Birdbath为主的分体式AR眼镜工艺成熟、成本较低，是目前C端市场的主流形态。记者了解到，Birdbath技术拥有50°的视场角、较小的体积、高色域和高对比度等特点，其产品镜片薄、重量轻，与普通眼镜形态相似，是目前被采用最广泛的光学方案。衍射光波导技术成像好且具备成本优势，被视为下一阶段AR眼镜理想的技术路线，近年来已经在多款AR眼镜上落地实用，如微软HoloLens 1和HoloLens 2、OPPO Air Glass与OPPO Air Glass 2、Magic Leap、李未可Meta Lens 等。据悉，光波导方案相对于自由曲面和BirdBath透过率高，但受限于工艺和成本日前并未大规模采用，尽管相比2021年有了大幅提升。陀螺研究院统计显示，2022年共有16款AR眼镜采用光波导方案，相比2021年增加了10款。王立军表示，对于VR终端而言，折叠光路方案是趋势。采用超短焦技术的VR头显体积都及其小巧，华为和PICO等都采用折叠光路术方案，将有越来越多厂商跟进。光波导+Micro LED被认为是消费级AR眼镜光学方案的黄金搭档，未来衍射光栅+集成光波导将成为趋势。作为将线下世界的真实体验与虚拟世界连接起来的重要桥梁，用户“看得清、看得广、看得舒服”最为重要。为此，厂商积极尝试多种显示技术，以更经济的技术方案打造逼真、沉浸而舒适的虚拟现实视觉体验。
TCL华星LCD-VR展品“XR显示性能上的关键技术指标主要是超高分辨率（PPI接近人眼6000）、显示对比度高、饱和度和均匀性好、刷新率高、功耗小。”王立军指出。Fast-LCD屏幕产量稳定、性价比高，目前成为消费级VR头显的主流屏幕。硅基OLED刷新速度快、分辨率高，有望成为未来AR主流方案。记者了解到，Oculus、Pico、HTC、创维等厂商在其VR产品中都采用了Fast-LCD，包括Oculus Quest2，HTC Vive以及Pico Neo3和创维PANCAKE1等机型。Fast-LCD屏幕是目前4K头显较为成熟与低成本的方案，相比Micro-OLED，其可节省一半左右成本。以创维PANCAKE1为例，其采用TCL华星2.1英寸1512PPI LCD-VR屏，像素密度达到目前全球最高可量产水平，且Fast- LCD技术更兼具了快速响应、无延迟等优点，可以带来较好的画面感受和交互体验。随着消费者对近眼显示需求不断升级，Mini LED背光Fast-LCD成为重要技术方向。记者通过采访获悉，Fast-LCD与Mini LED相结合，不仅可以很好地解决漏光难题，也能够进一步提升Fast-LCD在高对比度、高刷新率、高亮度等方面的性能，辅以HDR功能，将更好地发挥VR产品近眼超清细腻画质的要求。业内预计，在VR领域，Fast-LCD在MiniLED背光技术的加持下，未来将会占据大部分应用市场，份额或许将达到85%以上。相比LCD，硅基OLED的对比度、像素密度、亮度表现更好，以索尼及视涯的产品为主。国内主要面板厂京东方等也在研发相关技术。但受限于成本、生产工艺等因素，硅基OLED并未迎来大规模使用。2022年发布的42款AR眼镜里有23款产品采用硅基OLED屏幕方案，包括华为Vision Glass、米家眼镜相机、雷Air系列、INMOAir2TOSKYT1等。据悉，被寄予厚望的苹果MR设备，有望采用硅基OLED面板。Omdia高级研究分析师林麟指出，苹果采用该技术后，硅基OLED显示面板出货量可能会在2023年和2024年大幅增加，增长速度将在2024年后放缓，除非硅基OLED面板的成本和价格能够显著降低到大多数品牌能够承受的水平，尤其是高分辨率硅基OLED面板。随着衍射光波导AR眼镜发布上市，Micro LED屏幕采用率出现了显著提升。2022年国内发布上市的OPPO Air glass、李未可Meta Lens、OPPO Air Gass 2等AR眼镜采用了Micro LED，三款AR眼镜采用的单绿色Micro LED屏幕均来自于国内Micro LED厂商JBD。业内研判，Micro LED将凭其突出优势成为AR眼镜微显示屏的未来之选。Micro LED具有高分辨率、高亮度、寿命长、小体积和低功耗等特点。王立军指出，元宇宙XR终端的未来趋势是“Micro LED+光波导”，它们将共同为未来元宇宙打造轻量化且功能强大的头戴式设备。林麟表示，对于AR眼镜应用，硅基OLED在当前是主流面板，但其亮度不能满足AR眼镜户外使用的需求，这为Micro LED提供了良机。Omdia预计 Micro LED技术将在三到五年内成熟，最终将成为 AR 应用市场的主流。4月，PICO正式发布新品PICO 4 Pro，这是国内首款同时搭载眼动追踪和面部追踪功能的VR产品。在内置的游戏《梦之境》中，用户可以利用眼动追踪实现视线交互的独特玩法，在游戏《轻世界》中，用户借助面部追踪技术与其他玩家进行表情互动，强化了VR社交属性。Meta公司CTO Andrew Bosworth表示，2023年在感知交互上已达到所谓的VR 2.0阶段，手势追踪、眼球追踪、脸部追踪等感觉好像成为VR设备向前发展的新基准线。眼动追踪能够快速准确地检测用户在 VR 头戴设备内的注视方向，可以为元宇宙中的虚拟形象带来更真实的表达，多年来一直被认为是一项遥远的技术。2022 年以来，PS VR 2、Quest Pro、Vive Pro Eye 和 PICO 4 Pro等越来越多的 XR 设备开始配备眼动追踪技术。眼动追踪与注视点渲染功能在提升VR内容视觉效果的同时，也优化了设备算力的使用效率。记者了解到，目前主流VR产品大部分采用6DOF手柄交互，基于头显的4个摄像头追踪。2022年发布的Quest Pro搭配Touch Pro手柄，Touch Pro手柄内置传感器，搭载骁龙662芯片，无需头显可实现自我追踪，追踪范围不受头显摄像头FOV限制。王立军指出，部分AR眼镜开始搭载计算机视觉模组，当前AR眼镜方案基本是IMU+单双目整合为主，具备了即时定位与地图构建、环境理解、图像识别等AR能力。搭载了计算机视觉模组的AR眼镜开始具备动作捕捉、手势识别功能。在头手 6DoF 追踪交互、眼动+面部捕捉、语音交互、体感追踪器、数字化身捏脸、自我 DIY 装扮的风格等软硬件技术的加持下，业内预计VR 硬件产品目前能达到90%的有效沟通，在数字世界中进一步传递出真正的有效、有用、代表个性的社交。“未来，我们期待能够让XR设备佩戴起来更加轻薄舒适，还需要平衡性能和功耗，并支持全新的感知和交互方式。”高通公司全球副总裁侯明娟表示，针对这些挑战，高通基于骁龙XR平台，提供眼球追踪、环境感知等丰富的空间感知能力和交互能力，助力终端厂商打造创新的XR设备。中国工程院院士丁文华指出，XR入口技术正朝着多感官、全要素、智能化互动方向发展，沉浸声场、气味模拟、触觉反馈、手势追踪已经相对成熟。未来，XR要实现高级别情感及语义交互，表情追踪、肌电传感、脑机接口是重要方向。延伸阅读：
《AR/VR/MR光学元件技术及市场-2022版》
《增强现实/虚拟现实/混合现实技术及市场趋势-2022版》
