□ 文/高韻

虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展與啟示—以微軟HOLOLENS為例

□ 文/高韻

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虛擬現(xiàn)實是新一代信息技術的關鍵領域，業(yè)務形態(tài)豐富，產業(yè)潛力巨大，已經成為全球科技巨頭爭奪的焦點?！爸袊圃?025”重點領域技術路線圖中，特別把虛擬現(xiàn)實列為智能制造核心信息設備的關鍵技術之一。以微軟HOLOLENS為例，對虛擬現(xiàn)實技術、戰(zhàn)略和發(fā)展進行研究分析，對促進我國的虛擬現(xiàn)實產業(yè)發(fā)展具有重要的指導意義。

虛擬世界主流技術和HOLOLENS

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）

虛擬現(xiàn)實，簡稱VR，是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。簡單來說就是，用戶眼前的所有東西由計算機生成，都是虛擬的。代表設備如Oculus Rift、HTC Vive等。

增強現(xiàn)實（Augmented Reality）

增強現(xiàn)實，簡稱AR。它通過電腦技術，將虛擬的信息投射到真實世界，真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間。也就是說，用戶看到的依然是現(xiàn)實場景，但是被虛擬信息增強之后的現(xiàn)實。代表設備如Google Glass以及汽車的抬頭顯示（HUD）等。

混合現(xiàn)實（Mix Reality）

混合現(xiàn)實，簡稱MR，指的是合并現(xiàn)實和虛擬世界而產生的新的可視化環(huán)境。在新的可視化環(huán)境里物理對象和數(shù)字對象共存，并實時互動。從概念來講，AR和MR并沒有明顯的分界線，未來也很可能不再做區(qū)分，微軟HOLOLENS就是MR的代表設備之一。

通過以上分析不難看出，由于技術及應用場景的高度重合，一款產品又往往綜合使用多種技術，為方便起見，業(yè)界有時也將虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實以及混合現(xiàn)實三種技術統(tǒng)稱為虛擬現(xiàn)實技術。

微軟HOLOLENS是什么？

Holo一詞是Hologram（全息）一詞的詞頭，Lens通常指眼鏡片。所以，HOLOLENS通常中文翻譯為全系眼鏡。微軟于2015年1月發(fā)布了這款基于Windows 10的頭戴式混合現(xiàn)實設備。它最大的特點就是擁有獨立的計算單元，可以完全獨立使用，不受線纜限制，能夠讓用戶與數(shù)字內容交互，與周圍真實環(huán)境中的全息影像互動。

圖1 VR、AR和MR關系圖

這款產品主打全息體驗，其效果不像虛擬現(xiàn)實那樣強迫用戶進入一個由計算機生成的虛擬世界，而是采用了混合現(xiàn)實技術，將虛擬物體疊加到真實世界的場景中，讓用戶在不脫離周邊環(huán)境的情況下享受數(shù)字生活。因此HOLOLENS不僅適用于游戲領域，還可以應用于眾多場景，如利用HOLOLENS發(fā)起Skype的視頻會話，遠隔千里的兩個人通過全系影像技術走進了同一個虛擬世界，身臨其境地觀察了解對方所處的場景，協(xié)作和溝通的效率因此極大提升。再比如，室內設計師可以根據(jù)自己的創(chuàng)意，利用HOLOLENS構建出房間全息裝修效果圖。這樣，即使是空蕩蕩的房間，只要用戶戴上HOLOLENS走進，就能欣賞到裝修以后的效果，并可以輕易地根據(jù)自己的需求更改房間的裝修和陳設。

HOLOLENS技術特點鮮明

由于HOLOLENS大部分視野中呈現(xiàn)真實場景，如何有效識別和理解現(xiàn)實場景和物體，并將虛擬物體更為真實可信地疊加到現(xiàn)實場景中就成為了微軟要解決的首要問題，具體來說，HOLOLENS的技術主要分為以下三個方面：

實時的三維場景建模

三維場景建模是混合現(xiàn)實設備的核心技術，作用是讓設備了解用戶所處的整個環(huán)境，以便疊加數(shù)字影像。HOLOLENS擁有四臺攝像頭，左右兩邊各兩臺，可覆蓋的水平視角和垂直視角達到120度。通過對這四臺攝像頭的實時畫面進行分析，結合立體視覺技術，就可以計算出場景深度圖（depth map）。多張場景深度圖經過GPU的處理渲染之后，就能構建出用戶所處的實時三維場景。

精準的姿態(tài)確定和位置確定

作為一款穿戴設備，用戶在使用HOLOLENS的同時，很可能處于移動的狀態(tài)，這就需要通過傳感器獲取環(huán)境信息，比如視覺信息、深度信息，還有自身的加速度、角速度等來確定自己的相對或者絕對位置，并完成對于地圖的實時構建。微軟采用了基于深度識別的SLAM（實時定位與地圖構建）技術來解決這一問題，在運動過程中通過重復觀測到的地圖特征來定位自身位置和姿態(tài)，再根據(jù)自身位置增量構建地圖，同時達到定位和地圖構建的目的。

創(chuàng)新的人機交互方式

HOLOLENS不依賴手機電腦等外部終端，也沒有傳統(tǒng)的觸摸屏用于控制，這就使得用戶交互變得格外困難。但由于微軟之前對于圖像識別和交互技術的積累，HOLOLENS為用戶提供了一種全新的交互方式，能夠很隨意地使用手勢、視線和語音對全息場景進行操作和切換。

HOLOLENS存在不足

盡管HOLOLENS使用了微軟最前沿的技術解決方案，但受制于硬件的發(fā)展瓶頸，HOLOLENS仍存在一些不足：

功耗過高，續(xù)航時間較短

通過之前的分析可以看到，全息影像無疑會涉及大量的圖像處理運算，盡管微軟為其專門定制了GPU處理器來平衡性能和功耗，但電池續(xù)航時間最長也只有5.5小時，如果重度使用的話僅有2.5小時，難以滿足用戶長時間佩戴的需求。

圖2 HOLOLENS三種交互方式

價格過高，軟件應用偏少

目前，HOLOLENS開發(fā)者版在中國售價23488元，未來量產版的價格應該會進一步降低，但考慮到前期的研發(fā)投入和硬件成本，HOLOLENS未來的售價可能仍處于較高的水平。并且，截止到2017年3月，僅有150款應用登陸HOLOLENS應用商店，因此，即使用戶能夠接受HOLOLENS的價格，但可能面臨應用無法滿足需求的問題。

佩戴舒適性欠佳

有很多使用者反映，佩戴HOLOLENS時并不是每一次都能很輕松地戴到位，必須不斷重新縮緊、重新定位、重新對齊頭盔。在使用時設備又總是滑到鼻子上，因此必須經常地用手扶正。此外，和所有的VR和AR頭盔一樣，HOLOLENS的重量也集中在前部，佩戴時會明顯感覺到前額承受了一定的重量，長時間使用會令人不舒服。

HOLOLENS的戰(zhàn)略意義

判斷失誤導致移動市場失利

作為昔日PC行業(yè)的霸主，微軟卻眼睜睜地錯過了移動互聯(lián)網市場的繁榮。在蘋果、三星等移動設備的擠壓之下，微軟在整個消費電子市場表現(xiàn)一直不盡如人意，雖然公司收購諾基亞并推出了Windows Phone手機操作系統(tǒng)，企圖在iOS和Android雙雄爭霸的智能手機市場中分一杯羹，無奈由于應用軟件的缺乏以及生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的落后，Windows Phone一直無法同iOS和Android相提并論。最終，2017年10月，微軟宣布Windows Phone系統(tǒng)進入維護階段，不再更新版本，宣告了該系統(tǒng)的終結，同時也意味微軟從此退出了智能手機市場的爭奪。

助力微軟王者歸來

不管是PC時代的輝煌，還是移動時代的沒落，作為一家市值6000多億美元，見證了多次技術革命的科技公司，微軟亟須開發(fā)一款具有革命性與顛覆性意義的新產品，來挽回在消費電子市場的頹勢，HOLOLENS正是在這個背景之下誕生的。

業(yè)內很多專家認為，智能手機之所以能夠顛覆PC，主要憑借兩點：設備更便攜和交互方式更自然。一方面智能手機可以隨時使用，不受地點和時間的限制；另一方面觸摸屏比鼠標和鍵盤更接近人類的使用天性，與設備交互更加便捷。根據(jù)這個邏輯，能顛覆智能手機的設備，必然是比手機更便攜，比手機的交互方式更自然的產品。而微軟HOLOLENS正符合以上兩點：全息眼鏡能夠解放用戶雙手，用眼神和語音即可實現(xiàn)交互，佩戴HOLOLENS不僅不會影響用戶對周邊環(huán)境的觀察，還能通過全息影像為用戶提供更多的信息。

盡管在智能手機市場失利，微軟希望將HOLOLENS打造成為智能手機的顛覆者，在消費電子產品市場卷土重來，甚至掀開下一場科技革命的序幕。

微軟HOLOLENS的啟示

強化技術儲備，聚焦融合創(chuàng)新

產品創(chuàng)新，技術先行。微軟之所以能夠研發(fā)出HOLOLENS，離不開在42年創(chuàng)新歷程中沉淀的技術積累、人才資源和運營經驗。作為一家由工程師創(chuàng)辦、強調科技研發(fā)的公司，微軟在虛擬現(xiàn)實的基礎技術計算機圖像和多媒體研究方面，一直走在業(yè)界的前面。據(jù)統(tǒng)計，近年來微軟在這方面發(fā)表的論文數(shù)量和質量始終保持全行業(yè)第一，論文的發(fā)表數(shù)量是第二名的2倍，引用數(shù)量是第二名的3.5倍，令其他公司望塵莫及。

與此同時，產品研發(fā)作為一項系統(tǒng)性工程，除了微軟自身的技術積累，更需要與其他企業(yè)和供應商的協(xié)同創(chuàng)新。例如負責所有的環(huán)境感知任務和處理輸入／輸出信號的全息處理單元（Holographic Processing Unit），就是由微軟和臺積電聯(lián)合設計研發(fā)；對于中央處理器（CPU），就直接采用的是英特爾 Atom X5系列。

正是同時擁有核心技術突破創(chuàng)新以及全產業(yè)協(xié)同創(chuàng)新整合能力，微軟才能打造出HOLOLENS這樣優(yōu)秀的產品。

表 近年來全球公司和科研機構發(fā)表計算機視覺和多媒體領域頂級論文情況（前十名）

深化平臺發(fā)展，構建生態(tài)系統(tǒng)

一個產品的成敗，不僅取決于自身的產品競爭力，還與應用生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展有很大的關系。微軟在PC操作系統(tǒng)競爭中取勝，很大程度上依靠的是對第三方應用的包容開放，而在智能手機市場的失利，最主要的原因就是缺少第三方應用支持，導致用戶逐漸流失。

因此，對于HOLOLENS的發(fā)展，微軟高度重視第三方應用生態(tài)的構建，在設計之初就考慮到第三方應用開發(fā)，希望為開發(fā)者提供最好的開發(fā)環(huán)境和平臺。為此，微軟在HOLOLENS上使用了Windows 10 Holographic操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)與一般的Windows 10 操作系統(tǒng)都是以 NT 內核，通用 Windows API 接口，Windows Store以及Edge瀏覽器為基礎建立起來的。HOLOLENS上的 Windows 10 操作系統(tǒng)只是更換了一層外殼，增加了額外的人機交互部件，比如語音控制、視線控制以及手勢控制。開發(fā)者只要擁有Windows 10的開發(fā)經驗，就能很快掌握HOLOLENS的應用程序的開發(fā)。

此外，微軟還在考慮開放Windows 10 Holographic操作系統(tǒng)給第三方硬件廠商，這就意味著將會有更多其他的第三方虛擬現(xiàn)實設備加入微軟系統(tǒng)陣營，為HOLOLENS的生態(tài)系統(tǒng)注入更多活力。

促進戰(zhàn)略轉型，防止大企業(yè)病

作為一家擁有42年歷史，業(yè)務覆蓋全球，旗下員工超過12萬人的科技巨頭，微軟不得不面臨的一個問題就是大企業(yè)病，即當一個機構膨脹到一定規(guī)模，官僚主義和內斗就不可避免。在這種情況下，企業(yè)很難快速響應市場不斷變化的需求，很難真正整合內部的資源，推出消費者喜愛的產品。比如對于Windows Phone操作系統(tǒng)，當年很多用戶反映屏幕無法鎖定旋轉，微軟也承諾會很快解決這一問題。然而就是這么一個簡單的只需要幾周就能更新的功能，卻由于微軟復雜的層級以及繁瑣的流程，居然花了將近一年時間才完成，令用戶十分失望。

設置獨立于公司現(xiàn)有機構的小組，在組內實行扁平化管理，更加靈活地開展工作，是破解大企業(yè)病的一種方法。為了避免大企業(yè)病影響HOLOLENS的研發(fā)，微軟專門成立了代號為Baraboo的項目研發(fā)小組，研發(fā)過程全程保密，進度直接向高層決策者匯報，最大程度上避免項目小組受到公司官僚主義、內斗的影響。

微軟HOLOLENS的未來

最終，HOLOLENS是會像蘋果的iPhone一樣掀開新一輪信息技術革命的序幕，實現(xiàn)微軟在科技領域的王者歸來。還是像谷歌眼鏡一樣，在一陣叫好和追捧聲中漸漸歸于沉寂，成為一次失敗的可穿戴設備創(chuàng)新嘗試，這一切都需要時間來回答。但不管如何，HOLOLENS已經成功改變了用戶看世界的方式，為整個虛擬現(xiàn)實行業(yè)的發(fā)展提出了新的思路。在筆者看來，微軟的轉型是嘗試從軟件向硬件的進一步進發(fā)，目的在于結合未來的企業(yè)戰(zhàn)略，打造新一代的計算平臺。

微軟有著足夠的實力來發(fā)展HOLOLENS，這也意味著微軟將從軟件公司逐漸改變未來的發(fā)展基因。

高韻工信部國際經濟技術合作中心

向坤

xiangkun@staff.ccidnet.com