没有ar vr 的元宇宙：风起元宇宙 VR AR的跨维度战争

没有ar vr 的元宇宙：风起元宇宙 VR AR的跨维度战争惯性动捕的优点是能以相对低廉的成本、简单的设备和环境实现较高精度的动捕效果，但存在“零点漂移”等问题。当前大多数惯性动捕设备都需要额外集成光学定位设备来确定手的空间位置。一整套惯性动捕系统通常包括几十个传感器单元，其中每个惯性传感器测量单元都包含陀螺仪、加速度计、磁传感器以及数字信号处理器。在惯性动作捕捉方案中，传感器捕捉动作后，数据被进一步传输、处理，最后得到包含动作信息的三维模型。光学动捕又可细分为激光、红外、可见光等多条技术路径，但本质都是基于计算机视觉原理，由多个高速摄像机从不用角度对目标特征点进行跟踪，根据得到的目标图像及摄像机自身的位置信息推算出目标物体的位置及姿态等信息，从而完成对用户全身动作的捕捉。光学动捕的优点主要是精度高，但设备要求高、场地布置复杂，对个人用户来讲门槛有些过高。b. 惯性动捕

随着机器视觉算法的逐步成熟，Inside-out方案逐渐兴起。在该方案下，VR头显上安装的摄像头会自主检测外部环境变化。在搜集相关信息后，视觉算法（如SLAM算法）会计算出摄像头的空间位置，从而实现对用户的追踪。由于该方案显著降低了硬件成本和使用门槛，当前 Inside-out 追踪已成为消费级VR的主流定位方案。同时，6自由度（6DOF）替代了3自由度（3DOF），由原先只支持旋转运动的场景变为可支持旋转和位移运动的场景，极大地提升了用户体验。

（4）动作捕捉

动作捕捉技术有助于更好地实现人与设备的交互，提升设备使用体验。当前动作捕捉技术主要分成两大方案：光学动捕和惯性动捕。目前主流的VR设备多同时采用了这两种方案。

a. 光学动捕

光学动捕又可细分为激光、红外、可见光等多条技术路径，但本质都是基于计算机视觉原理，由多个高速摄像机从不用角度对目标特征点进行跟踪，根据得到的目标图像及摄像机自身的位置信息推算出目标物体的位置及姿态等信息，从而完成对用户全身动作的捕捉。

光学动捕的优点主要是精度高，但设备要求高、场地布置复杂，对个人用户来讲门槛有些过高。

b. 惯性动捕

一整套惯性动捕系统通常包括几十个传感器单元，其中每个惯性传感器测量单元都包含陀螺仪、加速度计、磁传感器以及数字信号处理器。在惯性动作捕捉方案中，传感器捕捉动作后，数据被进一步传输、处理，最后得到包含动作信息的三维模型。

惯性动捕的优点是能以相对低廉的成本、简单的设备和环境实现较高精度的动捕效果，但存在“零点漂移”等问题。当前大多数惯性动捕设备都需要额外集成光学定位设备来确定手的空间位置。

（5）眼动追踪

眼动追踪设备能够帮助提高VR设备的计算效率、通过动态曲光帮助使用者避免视觉疲劳、判断使用者的情绪以提升在特定场景下的用户体验（比如VR社交）。目前眼动追踪技术路线主要有3种，其中以Tobbi的瞳孔角膜反射法方案成熟度最高，已经有一定规模的应用。

（6）面部表情识别

面部表情识别与重塑技术能够及时识别用户的面部表情和眼神变化，从而提升用户与虚拟人物交互时的体验。目前Facebook在这个领域已经取得较大突破，能够通过摄像头和相关算法实现成本可控的面部表情重塑。

（7）可变焦显示

人眼会根据屏幕显示内容的远近调整视觉焦点，但由于VR设备屏幕与人眼的距离却始终不变，因此用户在设备佩戴过程中可能会出现视觉辐凑调节冲突（VAC）。可变焦显示技术能够解决这个问题，方案分为机械模组和电子模组两种：机械模组主要通过音圈马达和柔性铰链调节显示平面与人眼的距离，电子模组则利用电子液晶透镜的开合来实现变焦。

（8）云VR

在当前状况下，一体式VR和分体式VR各有各的优势，未来随着5G和云计算的应用扩展，内容存储、图像渲染等步骤将在云端完成，用户佩戴的头显设备只需要具备解码、呈现和网络接入能力，从而推动VR设备向低时延、轻量化的云VR形态逐步发展。

b. AR相关技术

（1）显示技术

• 目前硅基OLED为主流方案，与自由曲面/Birdbath光学模组搭配，但是亮度有限；

• LCoS和DLP方案量产工艺成熟，大部分参数都适配光波导光学模组，目前被认为是AR发展的主要方案；

• 长远来看，Micro-LED是业界内比较公认的最佳解决方案，其刷新率、亮度、发光方式、像素密度等指标均表现最佳。但是，当前Micro-LED产业化面临成本高企等问题，全产业链还要持续探索和优化。

（2）光学方案

自由曲面/共轴空导（Birdbath）方案由于成本可控、工艺较为成熟，目前仍在C端AR市场占有一席之地。而光波导方案凭借轻薄、对外界光线的高穿透特性等优点，被认为是未来消费级AR眼镜的必选方案。此外，多层波导片可以堆叠在一起，通过每层提供一个虚像距离，提供更“真实”的三维图像。

波导结构的基础是轻薄透明的玻璃基底(一般厚度在几毫米或亚毫米级别)，光线在玻璃上下表面之间来回“全反射”前进。不同波导类型的区别主要在光进出波导的耦合结构上。具体来说，光波导分成几何光波导（Geometric Waveguide）和衍射光波导（Diffractive Waveguide）两大类。

①几何光波导

几何光波导也被称为阵列光波导。该方案通过阵列反射镜的堆叠，实现图像的输出和动眼框的扩大，采用这条技术路径的代表公司是以色列的Lumus。

几何式光波导和“半透半反”镜面阵列的原理示意图

说明：耦合光最初进入波导结构时一般是先遇到一个反射面或者棱镜。在经过多轮全反射后到达眼睛前方时，光线会遇到一个“半透半反”镜面阵列（耦合光出波导的结构）。这里的“半透半反”镜面阵列相当于将出瞳（图像的“出口）沿水平方向复制了多份，每一个出瞳都输出相同的图像，这样眼睛在横向移动时都能看到图像，实现一维扩瞳(1D EPE)

优点：镜片透光性好。且由于该技术路径应用的是传统几何光学设计理念、仿真软件及制造流程，没有牵扯到任何微纳米级结构，因此图像质量（颜色、对比度）可以达到很高的水准。

缺点：整体工艺流程比较繁冗，“半透半反”镜面阵列的镀膜、保证镜面之间的平行度和切割的角度等工艺难度极高，总体良率较低。另外，虽然随着工艺的优化，镜面阵列已经几乎做到“不可见”，但在关掉光机的情况下人仍然可以看到镜片上的一排竖条纹（即镜面阵列）。这排条纹可能会遮挡一部分外部视线，也影响美观。

②衍射光波导

在衍射光波导中，光耦合入和耦合出波导结构的过程不再是由传统光学元器件（比如棱镜、“半透半反”镜面阵列）实现，而是由平面衍射光栅完成，从而节省空间、增大自由度。目前两种主流光栅是全息体光栅（VHG）与表面浮雕光栅（SRG）。得益于过往光通信行业设计和制造的积累，表面浮雕光栅目前占据市场主流（比如微软的HoloLens和Magic Leap的产品都采用此方案），采用全息体光栅波导方案的厂家比较少（代表企业有Digilens、Sony，被苹果收购的Akonia等）。

简单来说，衍射光栅是一个具有周期结构的光学元件，这个周期可以是材料表面浮雕出来的高峰和低谷 ，也可以是借助全息技术在材料内部曝光形成的“明暗干涉条纹”，但归根结底都是在材料中引起了一个折射率的周期性变化。衍射光栅在对光线“分光”处理后，起到了与传统光学器件类似的改变光线传播方向的作用。