孫世寧

摘 要：AR/VR技術(shù)因其廣闊的應(yīng)用前景已逐漸被國(guó)內(nèi)外企業(yè)所重視，并被我國(guó)列為優(yōu)先發(fā)展的前沿技術(shù)之一。通過(guò)對(duì)專(zhuān)利數(shù)據(jù)的分析可以實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)和商業(yè)情報(bào)的深度挖掘和客觀評(píng)價(jià)，本文將從多個(gè)視角對(duì)AR/VR技術(shù)進(jìn)行介紹，著重介紹決定AR/VR的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：AR/VR；關(guān)鍵技術(shù)；專(zhuān)利分析

1、全球范圍內(nèi)AR/VR技術(shù)發(fā)展概況

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或者虛擬現(xiàn)實(shí)的頭戴顯示設(shè)備便被提出，AR/VR頭戴顯示設(shè)備在這40多年間處于快速發(fā)展階段。隨著人們對(duì)AR/VR頭戴顯示設(shè)備關(guān)注度的不斷提升，國(guó)內(nèi)外各類(lèi)申請(qǐng)人不斷加大研發(fā)力度，AR/VR頭戴顯示設(shè)備的技術(shù)不斷向前發(fā)展。2000年之后，隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)的發(fā)展以及中國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)量開(kāi)始有了相對(duì)較快的增長(zhǎng)，隨后在2009年左右，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量增長(zhǎng)速度與國(guó)外申請(qǐng)量增長(zhǎng)速度趨于一致，接下來(lái)的時(shí)間里始終保持著高增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。到2017年，我國(guó)AR/VR頭戴顯示設(shè)備專(zhuān)利申請(qǐng)量相比2009年增長(zhǎng)了10倍以上。AR/VR頭戴顯示設(shè)備的申請(qǐng)量前四位的國(guó)家/地區(qū)/組織分別是美國(guó)、日本、歐盟和中國(guó)，這四個(gè)國(guó)家和地區(qū)占全球?qū)＠暾?qǐng)總量的八成以上，美國(guó)和日本的專(zhuān)利申請(qǐng)量就占了全球申請(qǐng)量的一半，其中美國(guó)是專(zhuān)利申請(qǐng)量最多的技術(shù)來(lái)源國(guó)，占全球申請(qǐng)量的36%，其次是日本，占全球申請(qǐng)量的21%，緊隨其后的是歐盟和中國(guó)提交的申請(qǐng)，分別占全球申請(qǐng)量的12%和11%。充分顯示了上述區(qū)域在頭戴顯示設(shè)備的重要性，以及美國(guó)與日本在AR/VR頭戴顯示設(shè)備領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新能力優(yōu)勢(shì)明顯。

2、決定AR/VR的關(guān)鍵技術(shù)

2.1大視角的沉浸體驗(yàn)

在頭戴顯示設(shè)備的VR和AR體驗(yàn)中，視場(chǎng)角的大小直接影響到顯示設(shè)備的顯示效果以及使用者的體驗(yàn)感受，因此視場(chǎng)角寬度一直是申請(qǐng)人關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

索尼公司較早的提出通過(guò)避免可視范圍內(nèi)色散度從而提高頭戴顯示VR設(shè)備的可視化角度，如1996年提出的專(zhuān)利申請(qǐng)JP12064496，通過(guò)使用液晶偏振抑制色散，從而提高可視化的視角。

LUMUS有限公司在2003年提出的專(zhuān)利申請(qǐng)US20030297261中提出了一種多個(gè)棱鏡整齊排列構(gòu)成的透明平板，包括光傳輸基片、用來(lái)通過(guò)全內(nèi)反射將光耦合進(jìn)基片內(nèi)的光學(xué)裝置和多個(gè)由基片承載的部分反射面，基片由多個(gè)棱鏡或多個(gè)平行的透明平板組成，部分反射面由涂覆有光學(xué)涂層的柔軟透明片組成，以獲得具有預(yù)定亮度的視場(chǎng)，透明平板可被嵌入眼鏡框內(nèi)或被嵌入便攜式電話(huà)內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)30°的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的視場(chǎng)角。

目前來(lái)說(shuō)VR和AR頭戴顯示設(shè)備最優(yōu)的視場(chǎng)效果是怎樣的呢？

STARbreeze在2016年提出了具有210°視場(chǎng)角的VR專(zhuān)利申請(qǐng)WO2016EP65209，這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)接近于自然人眼的視角，最重要的是其采用了平面的菲涅爾表面的透鏡，具有了極大的視場(chǎng)角、高質(zhì)量的成像、更優(yōu)的對(duì)比度、減少了雜散光并且緊湊且輕量化。成都虛擬世界科技有限公司在2016年推出的IDEALENS一體機(jī)專(zhuān)利申請(qǐng)CN201611029369具有180°的VR視場(chǎng)角度，并具備相應(yīng)的畸變校正算法，該專(zhuān)利申請(qǐng)為一種用于單目的近眼顯示系統(tǒng)以及虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，近眼顯示系統(tǒng)包括左側(cè)成像裝置和右側(cè)成像裝置，左側(cè)成像裝置和右側(cè)成像裝置的結(jié)構(gòu)相同；左側(cè)成像裝置包括第一圖像源和第一成像單元，第一圖像源出射的圖像光線(xiàn)經(jīng)過(guò)第一成像單元后進(jìn)入人眼，右側(cè)成像裝置包括第二圖像源和第二成像單元，第二圖像源出射的圖像光線(xiàn)經(jīng)過(guò)第二成像單元后進(jìn)入人眼，由于第一成像單元出射的最右側(cè)光線(xiàn)與第二成像單元出射的最左側(cè)光線(xiàn)之間的夾角范圍為100°～180°，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠在視覺(jué)上滿(mǎn)足人眼的觀看需求，從而能夠向用戶(hù)提供沉浸式的體驗(yàn)。

2.2眼動(dòng)追蹤技術(shù)

眼動(dòng)追蹤技術(shù)包括虹膜識(shí)別和眼球追蹤，虹膜識(shí)別是利用人類(lèi)眼睛進(jìn)行的，每個(gè)人眼睛的虹膜都是獨(dú)特的，相較于面部識(shí)別、指紋識(shí)別都更加安全和有效。眼球追蹤技術(shù)能夠追蹤眼球的運(yùn)動(dòng)并利用這種眼球運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)產(chǎn)品或服務(wù)的體驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)注釋點(diǎn)渲染，對(duì)減少眩暈產(chǎn)生一定的效果，使用眼球的運(yùn)動(dòng)和設(shè)備進(jìn)行交互能夠解放頭部運(yùn)動(dòng)和雙手，只要簡(jiǎn)單的看著或者眼球轉(zhuǎn)動(dòng)就能夠快速實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

1995年奧林巴斯公司提出了追蹤眼球位置調(diào)節(jié)圖像的專(zhuān)利申請(qǐng)JP31039295，根據(jù)人眼的眼球位置與人眼調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)圖像調(diào)整的方式，更加符合視覺(jué)生理特性。谷歌公司在2012年提出專(zhuān)利申請(qǐng)US201213427583，通過(guò)感測(cè)使用者視線(xiàn)，控制選擇觀測(cè)目標(biāo)；精工愛(ài)普生也在2012年提出專(zhuān)利申請(qǐng)JP2012285283，通過(guò)檢測(cè)用戶(hù)注視方向確定用戶(hù)凝視的地方區(qū)域作為外景被識(shí)別；可以看出企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注通過(guò)追蹤使用者眼球的視線(xiàn)方向而實(shí)現(xiàn)外景或控制目標(biāo)的選擇。隨著眼球追蹤技術(shù)的發(fā)展，眼球追蹤不僅僅是用于圖像位置調(diào)整和目標(biāo)控制選擇，其逐漸與圖像渲染、圖像顯示分辨率和顯示質(zhì)量相結(jié)合。2013年SMI創(chuàng)新傳感技術(shù)有限公司提出了專(zhuān)利申請(qǐng)CN201380045737，利用雙眼追蹤，計(jì)算來(lái)自眼睛的定向向量，并且渲染注視點(diǎn)的左右眼圖像，提高分辨率。2014年，精工愛(ài)普生提出專(zhuān)利申請(qǐng)JP2014213543，通過(guò)檢測(cè)使用者視線(xiàn)方向，調(diào)整進(jìn)入到使用者眼睛中的外界光線(xiàn)，從而提高顯示質(zhì)量。

2.3 虛空中的手勢(shì)操作

在AR/VR交互方式中，不再使用鼠標(biāo)鍵盤(pán)，大部分交互使用手直接抓取的方式，使用手勢(shì)跟蹤作為交互具有多種方式，例如是光學(xué)跟蹤比如Leap Motion、將傳感器戴在手上的數(shù)據(jù)手套。手指具有多個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)并且伴隨著多個(gè)關(guān)節(jié)移動(dòng)的角度，在移動(dòng)過(guò)程中手勢(shì)具有多個(gè)自由度，操作靈活，并且簡(jiǎn)化了設(shè)備部件，在空中彎曲手指、比劃手勢(shì)或者作出點(diǎn)擊、滑動(dòng)、抓取等自然手勢(shì)動(dòng)作，就能夠被捕捉到，實(shí)現(xiàn)操作控制。

谷歌公司在2011年提出了專(zhuān)利申請(qǐng)US20110507184，包括通過(guò)眼鏡上發(fā)射出的紅外光線(xiàn)照射到手上，利用眼鏡上的紅外相機(jī)探測(cè)反射回的紅外線(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的手勢(shì)追蹤方式。手勢(shì)交互主要是用于對(duì)顯示圖像的控制和對(duì)顯示設(shè)備的操作，在2012年提出了專(zhuān)利申請(qǐng)US201213630537，過(guò)手勢(shì)觸發(fā)操作并識(shí)別手勢(shì)限制的區(qū)域用來(lái)限定圖像攝取位置和范圍。精工愛(ài)普生在2013年提出了一種手指移動(dòng)操作虛擬部的頭戴顯示裝置專(zhuān)利申請(qǐng)CN201410616180，通過(guò)檢測(cè)使用者手指的移動(dòng)，使用者觀看到手指移動(dòng)的虛像，檢測(cè)到和手指移動(dòng)相應(yīng)的虛擬操作部，進(jìn)行操作。上述幾種都涉及到了利用手勢(shì)交互實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單動(dòng)作的操作控制，隨著使用者體驗(yàn)需求的要求以及交互技術(shù)的發(fā)展，手勢(shì)交互越來(lái)越多的體現(xiàn)了自然人手勢(shì)動(dòng)作的操作和體驗(yàn)需求。例如索尼公司在2014年提出一種手套專(zhuān)利申請(qǐng)JP2013229441，通過(guò)手套進(jìn)行觸碰、抓取等動(dòng)作操作。