【2018年2月 嘉肯行业研究部】
前言：什么是虚拟现实？
虚拟现实（Virtual reality，VR）技术是指利用计算机模拟产生一个虚拟的三度空间环境，为用户提供视觉听觉触觉等感官的模拟，让其身临其境地沉浸在虚拟世界中（标题中的“另一个世界”）。
国内通信研究院对虚拟现实（VirtualReality,VR）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，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。
华为创新实验室对虚拟现实沉浸感体验分为四个发展阶段，即初级沉浸、部分沉浸、深度沉浸和完全沉浸。不同的阶段对视频分辨率、单眼分辨率和网络宽带需求有不同的门槛。
第一节 虚拟现实（VR）是人机交互3.0时代
作为“人感觉能力拓展或延伸”的媒介满足人与外界沟通需求。
历史上，文字、语音、图片、视频等各种媒介形式在不同层面上满足人与人之间的沟通需求。这些沟通需求通过书本、广播、电话、计算机等达成。
如今，人与外界的沟通更多地通过计算机、智能手机等新型媒介完成。这些新兴媒介形式的出现意味着人与机器的交互实现了跨越性发展。过去人们被动的接受文字信息、收听广播、收看电视，变成了用户主动的输入信息再获取信息的交互过程。媒体用户从被动、无名的群体，成为了主动的、有行为特征的群体。
受众由被动到主动，大大改变了媒介与受众的关系以及媒介的原有形态。在人与媒介的交互体验不断革新的情况下，新兴的虚拟现实技术为用户与虚拟世界的交互提供了入口。
VR 立足于“建构现实”，将用户引入兼具沉浸、互动与想象的虚拟世界；从操作层面来看，VR 是用虚拟事物来“延展”现实世界，并将真实和虚构融合在同一个空间当中。
VR 和AR 技术都旨在拓展受众在现实世界中的“感知阈”——如果以媒介对人的“延伸”能力来看，VR 设备将是广播、电视、PC、智能手机的总和甚至多倍。它是人的视觉、听觉、触觉等的综合延伸，未来VR 有极大可能将接过PC 和智能手机的“接力棒”，成为“下一代计算平台”。
成为用户和虚拟世界交互的主要媒介。
第二节 虚拟现实技术的起步与发展
20 世纪80 年代到90年代，以任天堂、索尼、世嘉等为代表的一批当时最领先的日本游戏机厂商已经在探索虚拟现实技术的应用了。游戏，是虚拟现实最早也是最有可能进行货币化的内容领域。 虚拟现实独有的沉浸感、多重交互的功能，都可以最早和最好的与游戏产品中架构的虚拟世界相匹配，为用户提供更好的游戏体验。
2011 年，索尼推出一款3D 头盔式显示器。这款显示器搭载了特殊光学透镜，使得只有0.7 寸的OLED 面板可以模拟出45 度广视角的画面效果。这种巧妙的设计解决了以往虚拟现实设备体积庞大的问题。
索尼推出这款3D 头盔显示器，主要是为观看3D 电影而准备，在游戏产品的支持上并不完善。这可以看做是一款解决虚拟现实设备显示问题的3D 头盔。与目前的虚拟现实设备类似，这款产品也存在着晕眩感、最多使用时长3 小时限制等诸多缺陷。
2013 年，头戴式显示器厂商Oculus Rift 推出了开发者版本，使用陀螺仪、加速计等惯性传感器控制视角，可以实时地感知使用者头部的位臵，并对应调整显示画面的视角，用户几乎感受不到屏幕的限制，能够完全融入到虚拟世界当中。Oculus Rift 专为电子游戏设计。
2014 年Facebook 以20 亿美元收购Oculus，全球资本开始密集投向虚拟现实领域。
2015年3月， HTC和VALVE合作推出了一款VR头显。这款头显名为HTC Vive，屏幕刷新率为90Hz，搭配两个无线控制器，并具备手势追踪功能。由于有Valve的SteamVR提供的技术支持，因此在Steam平台上已经可以体验利用Vive功能的虚拟现实游戏。
当下的VR 产业浪潮，由oculus rift 发端，形成了oculus、HTC、Sony 三大家VR 硬件知名企业。除此之外，移动互联网时代的操作系统与应用分发的主要玩家谷歌，也开始从硬件到软件、渠道全面向VR 进军。
Google最早推出的cardboard，已经成为入门级VR 设备。除此之外，Android 推出的最新版本将支持VR 设备；在Google play 应用商店内，已经有针对cardboard 的VR应用专区。
第三节 VR 硬件设备生态链
VR 硬件设备可以分为输出设备和输入设备两大类。
输出设备：虚拟影像的显示设备，目前主要是指头戴显示器设备（HMD,Head Mount Display）。HMD 设备通过近眼接触与特殊成像方式，营造一个虚拟的视觉空间以实现虚拟现实所带来的沉浸感。
输入设备：丰富的输入设备是虚拟现实与其他如PC、移动产业不同之处。输入设备是指感知用户输入信息的体感类设备，它们通过捕获用户的动作、表情、甚至是脑电波的变化来获得信息，并将其转化为数字信号输入到VR 运算单元内，实现VR 设备与用户的人机交互。
除了输出、输入设备外，一套完整的VR 设备还包括运算单元。运算单元主要是指VR 设备进行运算的载体。根据不同的VR 形态，这个运算载体可以在PC、手机或者VR 的HDM 设备内。
其信息流转示意图为：VR显示设备——用户感知图像内容——用户发出新指令——VR输入设备（手势或头部感应等）——数据运算单元（PC/手机/主机等）——再重新反馈至VR显示设备。
目前VR主要硬件设备构成及常见设备
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常见设备 |
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输出设备 |
PC端VR头盔 |
依靠外接电脑为运行系统的VR显示头盔，技术水平最高，代表性产品OCULUS RIFT |
主机端VR头盔 |
依靠游戏主机为运行系统的VR显示头盔，通常只兼容特定游戏主机，代表性产品SONY PLAYSTATION VR |
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手机端VR眼镜 |
以智能手机为运行系统的显示设备，便携性最高，价格最低，技术水平偏低。代表性产品GEAR VR |
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VR一体机 |
将数据运算主体与显示主体融合制作，不需要外接设备的VR独立平台；尚存较大的技术缺陷，代表性产品大朋VR |
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输入设备 |
操作设备 |
游戏手柄，方向盘，模拟枪等操作输入设备 |
行为检测设备 |
红外检测摄像头，万向跑步机，手势捕捉手套等用于检测用户行为动作的设备 |
AR其终端产品形态主要有三类：主机式、手机式和一体机式。
其中，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。。
代表性的硬件输出设备
目前主流的VR 输出设备是头盔显示器（Head Mounted Display, HMD），能够为用户提供真实的观感。按照连接运算平台的种类划分有四种类型，分别为PC端VR 头盔、移动端VR 眼镜、游戏主机端VR 头盔和其他VR 设备。
主机端VR 头盔与PC 端VR 头盔共同被称为外接式VR 设备。这类设备具有独立的VR 屏幕，是各大VR 巨头集中布局的领域，Oculus、HTC、索尼三大厂商的主要产品均属于外接式VR 头盔。
（1）Oculus Rift，其主要硬件重要结构
重要结构 |
硬件构成 |
主体芯片 |
意法半导体的STM32F072VB作为核心芯片； |
传感器 |
英美盛MP65六轴MEMS动作追踪； |
显示屏 |
AMOLED显示屏，分辨率为2160x1200，感应器刷新率为1000HZ，延迟在2ms-3ms之间。 |
屏幕触控 |
Synaptics S5050A 触控芯片，屏幕默认刷新率为60Hz。 |
位置追踪摄像头 |
钰创科技eSP770U摄影机控制芯片； |
光学镜头 |
采用非对称菲涅尔光学镜头，表面覆盖红外光滤色片。 |
（2）代表性产品有HTC VIVE头盔主要硬件结构
重要结构 |
硬件构成 |
主体芯片 |
意法半导体的STM32F072R8作为核心芯片； |
传感器 |
英美盛MPU6500六轴MEMS动作追踪； |
显示屏 |
三星供应的AMOLED屏幕面板，分辨率为2160x1200的两块OLED。 |
红光LED控制器 |
恩智浦ARM架构11U37F控制器； |
前置摄像头 |
使用者不需脱下头戴设备，即可同时融入现实环境与虚拟世界中的情境 |
结构件 |
劲胜精密塑料结构件 |
数据来源：中银国际，嘉肯咨询数据库
（3）移动端VR 眼镜：产品繁多、价格亲民
与外接式VR 头盔不同，移动端VR 眼镜是将手机放入HMD 设备中，手机同时承担了算法单元、内容输出单元和显像单元的功能。VR 眼镜本身不具有单独的显示屏，它通过特殊的技术将手机屏幕内的画面转化为更沉浸立体的画面。
相对于VR 头盔，VR 眼镜不受到空间的限制，使用场景更为丰富。手机硬件生产商是目前移动端VR 眼镜的主要布局者之一，他们看到了VR 未来的市场潜力，因此推出了适配自家手机的VR 眼镜，使得手机与VR 在布局上形成协同作用。目前市场上的VR 眼镜主要分为两种类型：以Google Cardboard 为代表的眼镜盒子，和以三星Gear VR 为代表的VR 眼镜。
（4）其他VR 设备
其他VR 设备包括VR 一体机、电视端VR 头盔等。其中，VR 一体机是指将运算、输入、输出功能进行集成，不需要与其他设备连接。当所有的运算、功能都被集成到一个单一的VR 头盔内之后，这对于VR 一体机生产厂商的工业设计能力、技术能力等都有较高要求。目前国内外的大厂商都没有涉及这一领域，反而是一些创新公司开始尝试推出一些一体机。
代表性的输入设备
自然且深入的人机交互是VR 的重要体验之一。要实现这样的人机交互，必然需要捕捉用户的知觉，实现体感操作。VR 输入设备就是实现这一功能的，这些输入设备把真实世界的环境数据、用户数据映射到虚拟世界，帮助计算器做出更好的反应和判断。区别于传统的输入设备如鼠标、键盘，这两个设备均需要用户主动地进行输入。
而VR 输入设备则可以更加智能、自然的捕捉用户的知觉、感觉。这种知觉的捕捉理论上包括空间定位、体感控制、手势识别、眼球追踪、语音操控、甚至脑电波控制等。
目前VR 输入设备的发展还处于初期阶段，部分技术厂商实现了一定范围内的空间定位、动作布臵、手势识别等。但技术不成熟、成本高，使得这些技术并没有真正投诸消费市场，大多数还停留于实验室阶段。未来VR 输入设备市场还有更大的发展空间，体感设备的技术突破会进一步促使VR 设备拥有与传统的PC、智能手机大相径庭的使用体验。目前来看，VR 输入设备主要有以下几种类型：
（1）手柄类输入设备
手柄设备是目前大多数VR 头盔所采用的，主要包括传统游戏手柄和动作感应VR 手柄两大类型。传统游戏手柄以按钮、摇杆、触板进行操作，如Oculus 适配的Xbox one 手柄与PS VR 搭配的PS4 手柄；
而动作感应VR 手柄主要如Oculus 即将推出的Oculus Touch 手柄，HTC Vive 手柄以及Gear VR 无线手柄控制器Rink 等。由于手柄输入技术在主机游戏时代就已出现，发展至今已经比较成熟，因此在VR 发展初期也得到了沿用。VR 手柄通过惯性传感系统加上光学追纵系统或者磁场感应来提供六自由度的动作跟踪。其中的关键是惯性传感器，它由加速计（测加速度）、陀螺仪（测角速度）、和地磁仪（测重力方向）组成。动作感应的VR 手柄目前尚存在感应范围限制、感应精度不足等问题，还不能完美的实现人机之间的自然互动。
（2）可穿戴VR 输入设备
典型的可穿戴VR 输入设备是数据手套。数据手套中装有许多光纤传感器，能够感知手指关节的弯曲状态，捕获操作者手的各种手势或动作，将状态信息转换成信号并经过微处理器处理后输出给计算机。
数据手套不仅能将手的姿态准确实时地传递给虚拟环境，而且能够把虚拟手与虚拟物体的接触信息反馈给操作者，即实现“触觉”方面的虚拟真实环境，创造更自然更具沉浸感的方式进行交互。数据手套代表性产品有5DT、CyberGlove、Measurand 等。
实际上，这种对于手部的动作感应设备，可以扩展至全身，例如在头部、手臂、腰部、腿部、脚部等多个地方设计相应的感应装臵。代表性公司包括通过智能指环提供简单手指骨骼跟踪的Nod 以及全身动作捕捉装备技术商诺亦腾。
这类全身动作捕捉设备主要靠传感器、惯性捕捉等技术来完成对人体动作的捕捉。优点是输入数据量小，速度快，技术难度适中，适用于机器人系统、操作外科手术、虚拟装配训练、手语识别系统等领域；但缺点是装备穿戴复杂，穿戴后给肢体动作带来不便（部分使用户产生不自然感），产品价格相对昂贵，并不适用于普通的消费者。另外，整套装备本身不能提供与空间位臵相关的信息，必须配合位臵跟踪器使用。
（3）基于计算机视觉的动作感测
在动作感测的捕捉方式下，用户不需要穿戴任何东西，完全以身体自由的状态在虚拟现实空间内活动。工作原理是利用外设摄像头、红外光采集图像，建立手势模型，实现对用户动作的捕捉。
在这个领域目前三款代表性产品包括Kinect、leap motion 和RealSense。Kinect 主要采用 TOF（光线飞行时间法）技术，通过深度摄像头对用户进行即时动态捕捉，即传感器发出的近红外光反射时间来计算被拍摄景物的距离，绘制出物体的三维轮廓。而Leap Motion 则通过红外 LED+ 灰阶摄像头采集数据，其利用双目（两个摄像机）IR 摄像头形成深度视野，然后通过算法捕捉手势。RealSense 集成了 3D 深度和 2D 镜头模块的 RealSense 3D 摄像头，采用“主动立体成像原理”，模仿人眼“视差原理”，通过打出一束红外光，以左红外传感器和右红外传感器追踪这束光的位臵，然后用三角定位原理来计算出 3D 图像中的“深度”信息。
第四节 尚待克服的技术难题
虚拟现实技术，其实相当于人机交互的3.0时代到来。在智能手机时代，用于位臵追踪测传感器主要包括加速度传感器、陀螺仪、磁力传感器、光线传感器。上述技术已经非常成熟，可以继续在VR领域获得应用。
但是VR需要更加丰富的视觉画面、更加敏捷的三维位臵追踪，因此上述传感器件还远远不够。在VR大热之前，在游戏机领域的三大体感识别产品分别是微软的Kinect、索尼的PS Move和任天堂的Vii。三大体感识别产品均采用CMOS摄像头+传感器的方式，对用户进行体感识别。
VR头显诞生之后，仍然采用类似的解决方案，在具体的方案方向上，Rift、Vive和PS VR有所不同。VR 作为一项全新的技术，在多个重要方面仍然存在尚待克服的难题。其中包括：
(1)使用产品时的眩晕感导致的不适；
(2)设备不够轻巧（体积大、分量重）；
(3)缺乏精确度的人机互动；
这三个问题均会影响到VR 的核心品质——“沉浸感”和“人机交互”。
目前对VR头盔，普遍认可的、成熟的技术标准是：刷新率在100-120Hz 或以上，延迟时间在20ms 以内，屏幕分辨率达到2K（2560*1440）或以上。现在还没有产品能够达到这一技术标准。
第五节 虚拟现实技术的应用和内容
除了硬件、软件与系统之外，VR 生态体系的另一个重要的组成部分是内容，能否出现丰富的内容是VR 产业能否爆发的重要推动力之一。
在产业发展的初期，内容和应用数量相对偏少，内容与硬件之间存在着“鸡生蛋还是蛋生鸡”的困境：一方面，如果VR 设备的保有量不高，内容厂商就会持有保守的态度；另一方面，如果VR 硬件不能提供很好的配套内容，那么消费者将不会为VR 设备买单。
虽然在解决技术限制与商业模式等问题之后，任何互联网与移动互联网的内容都可以转移到VR 平台。但在产业发展的早期，最先发展起来面向消费者的VR 内容或将主要集中于游戏、影视、主题公园三个方向。
各大硬件厂商都十分积极地推动开发者进行应用开发，为开发者提供多样的支持，如相应的软件开发工具包。Oculus 不仅与游戏、影视、体育等领域的多家内容厂商展开合作，还自己组建团队进行内容生产；HTC 联合多家内容公司，如完美世界、Epic Games、优酷、爱奇艺等成立了亚太虚拟现实产业联盟，致力于串联起完整的虚拟现实产业链；由于索尼已经占据PS4 平台上的内容，索尼正在致力于将这些内容转移到虚拟现实平台上，同时与已有合作伙伴合作生产独占的虚拟现实内容。
……
harcoln.com
— 完 —
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