增强现实AR

AR虚拟增强现实行业专业分析报告

AR虚拟增强现实行业专业分析

1. AR行业简介

(1) AR的定义

AR技术(Augmented Reality,增强现实)利用光电显示技术、交互技术、各种传感技术、计算机图形学和多媒体技术,将计算机生成的虚拟环境与用户周围的真实环境融为一体,让用户体验到感官效果。 请相信虚拟环境是其周围真实环境的一个组成部分。 VR技术(Virtual Reality,VR)可以让用户沉浸在场景中。 确保您处于虚拟环境中。 相比之下,AR需要更复杂的技术和更具挑战性的设计。

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增强现实

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虚拟现实

(二)AR与VR的联系与区别

AR技术与VR技术的区别主要体现在以下四个方面:

1、AR技术和VR技术需要不同程度的沉浸感。 AR系统与真实环境紧密相关,强调用户在现实世界中的临场感并保持其感官效果的不变性; VR系统要求完全沉浸,强调用户与现实之间的联系。 环境完全隔离,通过计算机等设备提供视觉、听觉、触觉等虚拟感官世界;

2、AR技术和VR技术中“配准”的含义和精度要求不同:在AR系统中,“配准”技术是指将周围的真实环境与计算机生成的虚拟环境进行全方位的对准,并且要求用户移动过程也能与真实环境保持高度契合; 在VR系统中,“配准”技术意味着呈现给用户的虚拟环境需要匹配用户的各种感官(包括视觉、听觉等);

3、与VR技术相比,AR技术在建立虚拟环境时对系统算力要求不同:

AR技术基于真实环境扩展信息,而VR技术则是整个环境的虚拟再现。 相比之下,VR技术对计算机系统图形处理能力等能力的要求比AR系统更加苛刻。

4.AR技术和VR技术有不同的应用领域:

AR技术是对现实环境的补充,利用附加信息来增强用户对现实的感官理解。 其应用多为辅助场合,如军事作战、工厂车间、旅游、交通、日常生活等; 而VR技术

该技术是重建虚拟环境,强调用户在虚拟环境中获得相应的视觉、听觉、触觉等感官沉浸,带来真实的感官体验,如模拟驾驶、军事模拟实验等需要虚拟仿真的场景环境。

(3) AR呈现形式

1.手持式

即利用手机或者任意移动终端的摄像头获取现实世界的图像,将虚拟信息叠加在移动终端的现实世界的图片和视频上。 目前基于手机的AR游戏以及大量的AR卡都采用这种形式。 由于手持演示的门槛较低,因此可以通过这种方式完成大量简单的AR演示。 手持演示的原理与下面的“视频类型”相同。

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移动增强现实

当然,还有其他的比如透明手持AR显示设备(光学透视手持设备)等,由于目前并不常见,所以这里不再赘述。

2. 空间展示

只要是通过非手持、非头戴式的AR方式展示,我们这里就归为空间类,包括在显示器上展示AR、音乐会、商业展览、博物馆、游乐园等通过公共虚拟图像展示增强现实技术。 或者在其他屏幕上呈现增强现实信息。

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空间AR映射

3. 穿戴式(头戴式)

可穿戴设备可细分为视频和光学。

视频透视(VST):这种显示方式的原理是设备通过外部摄像头获取现实世界的信息,同时基于机器视觉等技术叠加虚拟信息,让用户看到现实世界的信息。通过配置在用户面前的AMOLED屏幕进行显示。 等待显示屏上看到的现实世界和虚拟叠加信息。 在视频显示技术中,用户看到的是从设备摄像头获取的图像。 也就是说,现实世界的光源通过设备的摄像头,然后通过设备的屏幕呈现给用户。

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这种显示技术的优点是沉浸式,因此受外界干扰较小。 从目前的情况来看,视频呈现方式与VR头显相符,市场角度比Hololens等AR眼镜更大。 但缺点是分辨率比光源直接来自现实世界要低,而且如果屏幕产生一定程度的延迟,会导致头晕。 这种显示方式本质上是一种视频显示技术。 我们相信目前的VR头盔以及手机等手持终端都可以利用该技术轻松集成AR功能。 光学透视(OST):这种显示技术的原理是用户通过前面的镜头看到现实世界人的眼睛,而计算机生成的虚拟信息则通过一系列光线

将学习系统投射到人眼中,从而达到在现实世界的光源下叠加虚拟信息的效果。

这种显示技术的优点是现实世界信息真实、分辨率高、且相对轻量。 缺点是虚拟信息的显示效果容易受到环境光源强度变化的影响。 此外,根据我们对Hololens等AR眼镜的使用经验,目前的视野还没有达到VR设备的广视野体验。

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(4) AR成本明细

AR主要由操作系统、处理器、光学元件、摄像头和传感器、存储器等组成。 无论何种形式的AR设备,光学链路对于AR眼镜来说尤为重要,这对显示视场、分辨率、刷新率、延迟、眩晕、定位跟踪精度等提出了更高的要求。例如,其主要硬件为全息处理模块、2个光导透明全息镜头(三极光电科技量产的体积全息光波导号称仅需1美元)、2个LCos微型投影仪和6个摄像头,其中光学零部件(包括透明全息镜头和高清光引擎)和处理器占成本的75%,是整机的核心。 开发低成本、高性能、更薄的光学元件是当前AR研究课题之一。

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(5) VR/AR的重要性

未来可能成为计算平台接口和终端技术的重要形式,为推动国家和社会的发展发挥重要作用。

1.促进经济快速发展。 作为未来的计算平台接口和终端技术,VR和AR技术很可能取代手机,成为人们与信息世界沟通的主要渠道。

2.促进生活方式的演变。 VR可以提供前所未有的虚拟临场感和接近现实的虚拟社交互动。 它将推动人类生存的进化,对社会形态的发展发挥至关重要的作用。

3、推动思想转变。 具有更强的沉浸感和临场感,能够更直接地影响用户的文化接受、观念接受和思想接受。

4.推动工作模式变革。 具有自然交互的特点,可以为科研和生产提供新的模拟、模拟、测试、操作和展示手段,有效提高沟通效率。 现实世界的图像是通过摄像头收集的,人们可以通过语音和手势向设备输入指令。 计算机利用计算机视觉技术和人工智能技术来理解周围环境,同时识别交互。 然后经过渲染引擎处理,最后通过显示技术输出,达到虚实融合的效果。

(六)市场规模

全球知名研究咨询公司Markets and Markets 2017发布研究报告称,AR市场规模将从2016年的23.9亿美元增长到2023年的613.9亿美元。报告显示,2023年AR耳机的需求不断增长医疗保健、零售和电子商务等行业将推动 AR 行业的增长。 AR耳机行业的技术运用创新开始出现,但AR耳机市场仍处于发展的早期阶段。 CES 2017展示了AR耳机在交通领域的潜力,包括汽车、飞机和商用车的操作。

显示器可以在挡风玻璃上显示地图、速度显示和安全细节等信息,这将对驾驶员或飞行员造成更少的干扰。 近日,谷歌发布了企业版Google Glass,也强调了商业领域对AR技术不断增长的需求,包括制造、质量控制以及AR软件开发和设计。 该报告还指出了AR耳机在体育和娱乐行业(例如体育转播)中的潜力。 此外,AR耳机在视频游戏中的使用也开始出现。 报告预测,AR耳机在游戏和娱乐中的使用将成为AR市场增长的主要驱动力,特别是当苹果进入这个市场时。 报告显示,目前AR市场的主要参与者包括谷歌、微软、DAQRI、Blippar、Magic Leap、Wikitude、Zugara、PTC Inc和Osterhout Design Group

等待。 该市场目前由欧洲和美国的公司主导,但报告预测,位于日本、中国、印度和韩国等亚太经合组织国家的公司将快速增长并改变市场结构,他们将发展自己的AR业务。 Markets and Markets发布了2018年“增强现实和虚拟现实市场”的预测报告。报告指出:“AR市场规模预计将从2018年的110亿美元增长到2023年的600亿美元。其中,AR应用于医疗、零售行业,手机、电商等领域的需求增长将带动AR市场规模和投资的快速发展。 此外,在C端消费市场,消费者对AR的需求也在不断增加,主要集中在视频、游戏、体育、娱乐等相关应用。 随着《Pokemon Go》在消费市场的成功,未来此类AR游戏也将大量涌入市场。 在B端商用市场,AR抬头显示技术将广泛应用于汽车、国防、航空航天等领域,主要用途是导航。 虽然其中很大一部分仍处于测试阶段,但很快就会商业化,这将进一步推动AR市场的发展。不仅如此,Markets and Markets还在报告中表示:“考虑到大多数显示面板制造商集中在亚太地区,加上投资者对该技术的投入不断加大,亚太地区可能成为VR/AR技术最大的市场。 在发达地区,未来还会开发一些VR/AR相关的新技术。

这项技术很可能起源于这里。 “与VR相比,AR行业的市场规模在未来五年内将扩大六倍,速度极其迅速。AR行业之所以势头强劲,很大程度上得益于市场需求的增加。再看VR,

它的市场需求并不亚于AR,但由于其耳机和高端PC的价格高昂,让很多人望而却步。 高盛集团的一份报告显示,AR硬件和软件将在未来10年保持爆发式增长。 到2020年,AR市场规模(零售、AR硬件、电子商务、电影/电视剧、游戏等)将达到1200亿美元。 到2025年,市场规模将达到1820亿美元,其中硬件收入1100亿美元,软件收入720亿美元。 报告指出,人们对 AR 开发的兴趣很大程度上归因于智能手机的普及以及智能手机技术对新市场的日益渗透。 Pokemon Go 等应用程序对其个人资料产生了重大影响,提高了公众和企业对该技术的认识。 这表明许多行业开始使用AR技术用于产品演示目的,以及加强客户服务和培训,例如在军事领域协助提供真实世界的体验。 企业倾向于 AR 技术,因为与虚拟现实 (VR) 不同,它不需要额外的硬件。 据Digi-Capital称,北美目前在全球AR市场中的收入份额最高,收入超过13亿美元,其次是欧洲。 但从长远来看,中国未来五年的增长可能会使其成为 AR 市场的主导者。 Digi-Capital 2018年第二季度AR数据显示,到2022年,中国将占全球AR收入的1/5。 中国AR市场

优势对于国内外企业来说是千载难逢的机遇。 包括中国在内,五年内亚洲将贡献全球AR行业收入的一半左右。 目前AR的主要应用领域是工业领域或垂直行业的定制化应用。 未来泛娱乐、个人生活助理应用空间巨大。 我们认为工业领域之所以需要AR的原因是

这是因为AR眼镜这种主动的、多视角融合的、免提的信息呈现形式,可以极大地提高个体劳动者的劳动效率。 与AR眼镜的成本相比,这种效率提升对于制造商来说非常划算,尤其是在劳动力成本昂贵的国家。 因此,未来三到五年,现场服务行业最有可能受益于AR眼镜,Gartner预计其每年将增加约10亿美元的利润。 其中,最大的成本节省在于缩短问题诊断和修复的时间,并且无需向远程地点派遣额外的专家。 在教育、医疗、旅游等垂直行业,AR技术可以帮助呈现更全面的信息或帮助大幅提升效率。 在泛娱乐领域,AR技术可以实现3D、VR等技术以往无法实现的视觉呈现、移动性、与现实世界的交互性等。 总而言之,正是效率的提升、体验的改善、业态的丰富,让用户和厂商都对AR产生了兴趣。

2、AR基本原理涉及关键显示技术

(1) AR的基本原理

现实世界的图像是通过摄像头收集的,人们可以通过语音和手势向设备输入指令。 计算机利用计算机视觉技术和人工智能技术来理解周围环境,同时识别交互。 然后经过虚拟图像渲染引擎处理,最后通过显示技术输出,达到虚实融合的效果。

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目前哪个广告行业有未来?

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(二)AR涉及关键技术

AR涉及头部姿态跟踪、三维配准、显示设备、人机交互、系统评估等技术。 作为广泛应用的头戴式AR设备,其技术的技术难点在于:准确的场景理解(软件侧)、重构与高清(软件侧)、显示技术(光学器件侧)。 光学元件涉及的关键技术包括显示技术和光源技术。

1.1 显示技术

目前,显示设备在很大程度上限制了AR设备的接受度和应用场景。 国际主流公司已采用波导技术(微软、Magic Leap、BAE),但国内技术受限于落后。 制造商仍然专注于棱镜和半透明半反射技术,这限制了波导显示器在特殊场景中的使用。 虽然布局了波导技术,但国内研发机构分散,产业资本的专业水平缺乏。 虽然全息波导光栅已有小批量,但尚未实现全息波导模块的量产。 以下是国内外AR/MR厂商的发展现状对比。

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2.2 光源技术

光源显示技术包括CRT、LCD、LCOS技术和DLP技术。 CRT显像管技术已基本退出历史舞台。 目前AR波导设备主流的投影显示技术是LCOS技术和DLP技术。 目前,能够量产LCOS的公司集中在台湾奇景光电(供应微软Hololens)、美国豪威科技(供应Magic Leap),DLP技术被TI垄断。 。

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广告虚拟现实(VR)和增强现实(AR)背后的核心技术是什么?

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3、AR产业链和全息波导产业链介绍

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(一)产业链长,国内外差距较大。 硬件方面,尚处于起步阶段,面临诸多需要克服的技术瓶颈:硬件、图像技术、数据等方面的技术缺陷使得AR的进一步突破变得困难。 量产难度大,成本居高不下。 国内表面浮雕光栅波导与全息波导在材料、设计、技术等基础环节上处于脱节状态。 各环节信息封闭,缺乏相应的支撑资源。 很难形成一个完整的产业。 产业链方面,国外上游产业,如材料供应商杜邦、Polariod、Inphase、Aprilis、Liti Holographys、POLARIS RESEARCH GROUP、digilens等都发展得很早,并已进入显示领域。 AR软件平台方面,性价比和本地化服务欠缺; 在产品应用推广方面,产品同质化、缺乏场景落地、主流化

生态参与度低等问题。从技术知识专利角度分析:据国家知识产权局中国专利信息中心

专利星上所有与AR(增强现实)相关的专利(截至2016年4月27日),共计7142件世界专利和832件国内专利。 其中,技术和硬件专利数量最多,分别占比39%和28%。 %,技术专利爆发最快,数量最多,其次是硬件,应用领域最少。

(2)未来五年年均复合增长率将超过70%

2018年,全球终端出货量将突破1200万台,市场规模将突破700亿元,增长126%。 预计2020年出货量约为4000万台,市场规模将突破2000亿元。 其中,航空领域的VR/AR将超过50亿[1],预计到2025年,基于标准预期,VR/AR市场规模将达到800亿美元,其中硬件占比56.25%,软件占比43.75%[2]; 从应用领域来看,预计到2025年,2C市场中,影视、游戏、直播等领域占据60%的市场份额,军事、工程、医疗等2G/2B领域教育占市场的40%。

(3) B面先于C面爆炸

从疫情爆发节奏来看,相比C端,B端具有价格承受力高、重视价值产出、行业壁垒高的特点。 B面注重产品投入产出比。 如果这项新技术能够带来正向的资金流入,使用意愿强烈,Upskill就是最好的案例。 AR B端市场巨大,但不同行业差异较大,扩张速度缓慢。 但客户的价格承受能力较高,盈利能力较强。 B端会先于C端爆发,尤其是增速较高。 航天、消防、电力、汽车、军工等行业和特定领域(如消防/公共安全),可持续性好、需求旺盛。

鉴于AR是少数在C端和B端都具有巨大应用价值的行业之一,除了谷歌、苹果、微软等软件巨头之外,波音、通用汽车等传统制造业巨头也纷纷加入。

全球专利申请量排名前五的分别是微软、高通、三星、Magic Leap和索尼。 除Magic Leap外,都是互联网上市巨头,都掌握了现有智能硬件生产流程中的关键环节。

4、AR全息波导的应用前景和增长潜力

由于全息波导具有低成本、高性能、易于批量生产和技术垄断等特点,受到军事、航天、工业等领域的强烈关注,并具有巨大的应用背景。

(一)战势意识

现代战争是信息化战争。 无论是空中的战斗机飞行员还是地面的作战士兵,面对瞬息万变的战场局势,都需要立即掌握最新的战场局势和情报信息。 头盔显示系统可用于车辆、飞机飞行员和单兵作战行动中需要信息显示的指挥传输、地形观察、战场观察、夜视系统显示以及车辆和飞机瞄准系统。 经过海湾战争、伊拉克战争等多次现代局部战争,实战证明头盔显示器可以有效提高战斗机和单兵作战部队的综合作战能力。 体积全息波导显示系统可以在飞行员眼前提供实时飞行控制信息,或者在士兵眼前提供实时目标情报,而不遮挡他们的正常外界视线。 这种实时情报信息不仅可以使士兵在战场上获得主动权,还可以保证他们的生命安全。图为体全息近眼波导显示系统的军事应用。

例子

1、空战人员可以通过波导显示快速了解自身当前装备状态、敌我距离、高度和有效载荷等有效信息,进行近距离空中支援。

2、C4ISTAR:将指挥、控制、通信等信息投射到作战人员的头显并叠加到真实环境中,实施远距离、大规模、协同攻防作战。

3.整合作战武器传感器信息、导航信息以及协同作战人员位置和装备信息。

(2)工业辅助生产/维修

工业化发展现已进入人机协作时代。 操作人员能否正确控制精密机械、维修人员能否有效修复机器已成为工业生产的关键。 在大型设备的生产和质量控制中,使用带有瞄准线的人体工程学设备,而不是转头查看产品。 由于工人可以采取正确的姿势,因此可以改善操作并减少疲劳。 此外,它还可以让工人专注于当前的工作,从而增加操作的安全性。

(3)CAD/CAM操作

头盔显示器在这一领域的应用可以让操作员真实地查看数据,如部分数据列表、工程图纸、产品规格等。波音飞机公司在设计中开发了一种名为“高级计算机图形交互应用系统”的虚拟环境。波音飞机。 使用头盔显示系统的设计方案与实际飞机相比,偏差小于千分之一。 机翼和机身的组合首次成功,节省了数千小时的设计工作。

(四)辅助医疗

在脑外科、显微外科、远程诊断和远程手术中,波导显示器作为医生的助手,手术部位的显微显示结合空间导航技术可以精确定位病灶。 这项技术可以减轻医生的工作强度,也可以提高手术的成功率。

(五)游戏娱乐业

娱乐是公共生活中不可或缺的因素之一。 在“轻、小、快”技术的发展趋势下,体积全息波导眼镜可以让工作劳累的人们随时随地观看电影,或者与当今流行的体感眼镜进行互动。 游戏的结合可以帮助用户利用空闲时间放松身心,消除疲劳。

(5)手机导航

对于正在飞行或驾驶的飞行员来说,任何低头检查或操作的动作都可能引发严重问题,造成不可估量的生命和财产损失。 体全息波导可以作为遮阳板,还可以将车辆的仪表盘信息投射到眼前,并提供飞行或行驶信息、导航信号等信息,避免了驾驶员必须低头看东西的情况。操作,提高了驾驶的便利性,减少了驾驶员的疲劳。 疲劳,为安全驾驶提供保障。

5、国内外全息波导发展现状及比较

全息波导头盔显示器是AR头盔显示器(HMD)的一种,其发展过程经历了较长的时期。 早在20世纪初,用于单兵作战的头盔瞄准具(HMS)就为头盔显示器的出现和发展奠定了基础。 第二次世界大战后的20世纪50年代,随着飞机整体性能的提高,平视显示器(HUD)首先出现在美国海军A-5舰载机上,投射重要的飞行相关信息。 位于飞行员驾驶舱前部的一块玻璃上,与瞄准系统集成。 飞行员无需低头即可查看飞行数据,并通过与外界融合来执行瞄准、锁定、攻击等战术动作。 这不仅减轻了驾驶员的疲劳,还缩短了驾驶员的反应时间。

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然而,平视显示器有一个致命的缺点:飞行员只能在眼箱范围内进行所有观看和操作,这极大地影响了瞄准和锁定的自由度和灵活性。 针对这一问题,美国率先研制了直升机飞行员佩戴的头盔瞄准镜,不仅满足了武装直升机的火控需求,还提高了近距离飞行时快速瞄准和攻击地面目标的能力。地面。 然后将显示器集成到头盔中,瞄准线可以随头盔旋转,将显示信息与外部环境同步,可以有效提高战斗机的作战性能和导弹快速拦截目标的能力。 直到20世纪60年代末,美国ARPA信息处理办公室主任Ivan Sutheriand设计并制造了世界上第一台头盔式显示器——达摩克利斯之剑,开启了头盔发展的大门——安装显示技术。 In the 1980s, in order to meet the urgent needs of war, helmet display technology began to receive the attention of the military of various countries and entered a stage of rapid development. After the US military and NASA government departments invested a large amount of scientific research funds for in-depth research and development work, the former Soviet Union, the United Kingdom, France, Germany and other countries also invested a large amount of personnel and funds to develop generation after generation of helmet-mounted displays.After more than 30 years of development, the development of helmet-mounted displays has made great progress and plays an important role in many fields. With the emergence and development of diffractive optical elements, it has many advantages such as light weight, small size, and simple design.

Helmet-mounted displays have gradually become a hot research topic in the military and civilian fields. The holographic waveguide utilizes the diffraction principle of the holographic grating. After the light passes through the pre-collimated optical path, due to the diffraction effect of the holographic optical element, the incident light is coupled into the interior of the glass and undergoes total reflection, causing it to form a waveguide in the glass substrate. After propagating, when it encounters another grating, due to the diffraction of the grating, the light is emitted from the waveguide and finally enters the human eye. In this way, people can observe distant scenery through the glass.

The images formed by waveguide transmission can also be observed at the same time without affecting each other, achieving full see-through flat panel waveguide display technology.

LUMUS has been committed to the development of optical waveguide helmet-mounted displays, and its semi-reflective and semi-transparent geometric optical waveguide is a successful product, as shown in Figure 2, but there are ghost images. Sony developed a holographic waveguide head-mounted display in 2008, but its color crosstalk was serious and had a rainbow effect. Figure 3 is a schematic diagram of its prototype and optical path. BAE Company has also developed a helmet-mounted display based on a single holographic grating, which uses a single diffraction grating to achieve a large exit pupil box. As shown in Figure 4, this helmet has been used in individual combat.

(a) BAE company’s holographic waveguide helmet display prototype (b) Pilot wearing holographic waveguide helmet display

Monitor prototype

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In addition, foreign companies with defense properties such as Digilens, Akonia holographics and Luminit LLC are currently vigorously developing military holographic waveguides. Among them, Akonia was acquired by Apple in 2018, indicating that Apple is developing next-generation holographic waveguide products.

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DigiLens’ holographic waveguide helmet-mounted display prototype

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