增強現實技術和產業發展現狀及趨勢展望

張楨

1 概述

1.1 增強現實定義與特點

增強現實（Augmented Reality， AR）是一種將計算機實時生成的虛擬信息（圖片、視頻、聲音等）無縫融合到真實世界中，以實現對現實增強的技術。AR具有虛實結合、實時互動、三維注冊（虛擬物體與真實場景在三維空間的一致性，即空間上的整合）3大特點。通過AR技術，體驗者既能看到真實世界，又能通過設備與虛擬世界互動，達到超越現實的感官體驗。

1.2 AR應用領域

AR技術可以幫助使用者解放雙手，實現實時信息展示與交互，能夠有效解決眾多行業痛點，未來應用和市場潛力巨大。工業領域，從組裝生產、巡檢質檢到遠程運維，目前已形成了完整、可復制的AR解決方案，成為工業互聯網方面的重要應用之一。僅在2020年，已有華菱湘鋼“5G+AR跨國遠程協同解決方案”、海爾集團“AR智慧工廠”等成功案例落地。安防領域，AR頭戴設備通過與公安專網連接、與航班數據實時聯動等方式，在車站巡查、港口稽查、應急管理等方面發揮了重要作用。如公安部警采中心采購的北京亮亮視野科技有限公司（以下簡稱“亮亮視野”）AR智能警務眼鏡已在全國多個省市投入實戰，成功抓捕多名在逃人員。文旅方面，通過AR技術可以復原歷史文物，豐富展覽信息。如百度通過AR技術打造的秦始皇兵馬俑展示、圓明園大水法重現等項目，為游客帶來“穿越式”的游覽體驗。

行業普遍認為，AR技術還將在醫療、教育、消防等具有市場潛力的重點民生領域進一步開發應用。隨著企業持續深挖垂直領域需求，AR技術在企業級應用加速推進，即將迎來全面爆發時期。

2 AR關鍵技術發展現狀及趨勢

AR技術具有多領域交叉復合的發展特性，下面主要介紹近眼顯示、感知交互、網絡傳輸等關鍵技術。

2.1 近眼顯示

近眼顯示光學模組是AR硬件的核心，占AR硬件成本的50%左右，也是主要技術瓶頸之一。AR近眼顯示系統主要包括光學器件和微顯示屏（圖1）。

2.1.1 光學器件

根據光學原理的不同，AR光學器件可分為棱鏡式、自由曲面（自由曲面棱鏡、自由曲面Birdbath）、陣列波導、衍射光波導（表面浮雕、體全息、超表面）等多種技術類型。其中，棱鏡式、自由曲面技術發展相對成熟，已實現低成本量產，國際上以谷歌、愛普生等企業為代表，國內主要企業包括北京耐德佳顯示技術有限公司（以下簡稱“耐德佳”）、亮風臺（上海）信息科技有限公司（以下簡稱“亮風臺”）、深圳惠牛科技有限公司（以下簡稱“惠牛科技”）等。

陣列波導根據光的反射原理，通過陣列反射鏡堆疊實現圖像的輸出。其涉及的膠合對準工藝難度大，難以實現規模化量產，并且存在不易消除的“格柵現象”，目前主要面向企業級應用，代表企業有以色列的Lumus和國內的北京靈犀微光科技有限公司、深圳瓏璟光電技術有限公司（以下簡稱“瓏璟光電”）等。

衍射光波導技術可使AR頭戴設備像普通眼鏡一樣輕薄，被業內認為是消費級AR眼鏡的優選路線，成為行業科技巨頭布局的重點。微軟Hololens是該技術路線的行業標桿產品，美國初創企業Digilens在體全息光波導方面具有領先優勢，蘋果也通過收購Akonia公司進行布局。國內，清華大學曾理江教授、北京理工大學劉娟教授、浙江大學鄭臻榮教授等團隊以及北京至格科技有限公司、亮亮視野、上海鯤游光電科技有限公司（以下簡稱“鯤游光電”）等創新型企業也在開展衍射光波導技術前沿研究，重點解決視場角低、色散嚴重、易眩暈等問題，實現輕量化、大視場、真三維顯示。

2.1.2 微顯示屏

微顯示屏作為AR近眼顯示關鍵器件之一，目前硅基液晶顯示（LCoS）和微型有機發光二極管（Micro OLED）仍保持市場主導地位。其中，LCoS顯示技術在AR領域應用較早，具有高PPI和亮度，但其需要較復雜的背光系統，難以滿足小型化、輕量化的需求。

Micro OLED顯示技術是自主發光，不需要復雜的背光結構，體積小，同時具有高PPI、低功耗等優勢，已在AR領域有較多應用，國內廠商也紛紛投入Micro-OLED產線建設。但由于Micro OLED本身的發光原理限制，亮度偏低，尚無法完全替代傳統的LCoS顯示技術。

隨著AR近眼顯示對微顯示屏光學顯示效果要求進一步提升，具有超高亮度、高PPI、納秒級響應速度、低功耗等優異特性的微型發光二極管（Micro LED）有望成為下一代主流顯示技術，目前國內以上海顯耀顯示科技有限公司為代表的優勢企業正在開展布局。

2.2 感知交互

感知交互技術決定虛擬信息與真實世界的融合深度，注重視覺、觸覺、聽覺等多感官通道的一致性體驗，以及環境理解的準確度。主要涉及環境感知與注冊和人機交互2大技術領域。

2.2.1 環境感知與注冊

環境感知與注冊的關鍵在于定位和建圖。SLAM作為其核心技術，同時也是AR感知交互的基礎能力，業界投入較大，且日趨成熟。目前結構光、雙目視覺、飛行時間（Time of Fight，TOF）等是深度攝像頭主流技術路線，但由于SLAM技術與應用場景具有強相關性，環境光線直接影響到攝像頭的使用效果，軟硬件體系工程化設計和整合難度大。微軟在SLAM技術工程化方面處于領先地位，其明星產品Hololens二代融合了強大的SLAM功能。國內部分AR產品也開始搭載SLAM模塊，但在準確度和功耗方面與國際一流水平仍有較大差距。

2.2.2 人機交互

人機交互涵蓋手勢交互、語音識別、眼動追蹤等多種方式，呈多元化發展趨勢。手勢交互作為AR的主要交互方式，目前基于手柄的非裸手交互控制依然是主流方向。語音識別技術已相對成熟，國內百度，科大訊飛在該方面處于領先水平。眼動追蹤是利用安裝在人眼前的紅外光源對人眼發射紅外線，然后通過紅外相機拍攝人眼返回的紅外線圖像，計算人眼注視方向，以操控顯示內容。一方面眼動追蹤可以作為AR的輔助交互功能；另一方面可與近眼顯示、渲染處理等領域融合，實現變焦顯示和注視點渲染。

未來AR將是多通道的感知交互融合發展，較強的環境感知能力、三維虛實融合能力、超低功耗計算能力、高性能交互能力將成為重點發展方向。

2.3 網絡傳輸

5G技術具有高帶寬、低延時的網絡傳輸特性，為AR更優畫質、實時交互、更強沉浸感體驗提供了基本保障，同時借助5G技術可以實現AR內容上云、渲染上云，以減小終端的計算負載，推動AR設備向輕便化、無線化發展。“5G+AR”已經成為AR網絡傳輸領域的研究熱點。目前，我國5G技術在專利、產品解決方案和商用進程等方面均處于全球領先水平。3大電信運營商將AR作為5G技術應用的展示點，與上下游企業合作發展“5G+AR”融合應用。隨著我國5G技術的發展，大規模組網將在部分城市率先實現，加速推進AR應用。

3 增強現實產業發展現狀

3.1 全球增強現實產業規模

全球AR產業自2015年開始起步，經歷了2016—2017年的狂熱，2018年進入冷靜期，2019年以來AR產業迎來穩步發展的新階段。據中國信息通信研究院數據顯示，2020年全球AR產業規模約280億元，預計2020—2024年期間全球AR產業規模年均增長率約66%，AR市場將迎來新的爆發。

3.2 國際增強現實產業發展現狀

國際AR產業發展主要由科技巨頭引領，由于起步相對較早，產業已初具規模。國際科技巨頭在AR領域布局重點事件詳見表1。

微軟在打造AR頭戴設備方面歷經近10年技術深耕，分別于2015年和2019年推出Hololens一代和二代產品，引起市場廣泛關注。截至到2019年10月，Hololens已獲得美國軍方20萬套近10億美元訂單。2021年4月，微軟公司又獲得美國軍方12萬套價值預計高達218.8億美元的訂單，微軟將在未來10年為美國軍方提供AR設備和相關技術支持，作為AR/虛擬現實（Virtual Reality， VR）VR領域的“超級大單”，這是AR技術在軍工領域規模化應用的重大突破。

谷歌從2012年開始在AR軟硬件方面集中發力，陸續發布AR眼鏡Google Glass、試驗性AR項目 Project Tango、AR開發平臺ARCore，技術布局上從VR向AR逐漸傾斜。

蘋果圍繞AR全產業鏈布局，一方面通過頻繁收購該領域核心企業以完善內部生態，另一方面持續更新迭代為iPhone和iPad快速創建AR應用程序的ARKit軟件平臺。據行業推測，蘋果將在近2年發布AR/VR頭戴產品。

3.2 我國增強現實產業發展現狀

我國AR產業相對國外起步較晚，但近幾年發展迅速，在產業鏈各環節，國內已有大批企業進入市場布局。

軟件平臺方面，以華為、百度等為代表的國內龍頭企業圍繞各自核心技術優勢進行布局，面向開發者的平臺相繼上線。2017年百度發布面向企業級應用的DuMix AR內容制作平臺，已服務工業、教育等近十個行業。2018年華為對標蘋果ARkit和谷歌ARCore，研發出基于安卓系統的AR Engine開發平臺。

關鍵硬件方面，我國擁有耐德佳、亮亮視野、亮風臺、鯤游光電以及瓏璟光電、惠牛科技等一批創新型頭部企業，其中大部分企業已形成光學器件和頭戴設備的規模化量產，并在行業各細分領域商業化應用。雖然國內AR產業起步稍晚，但在上游硬件目前已具備國際競爭力。

4 我國增強現實技術與產業展望

4.1 面臨主要問題

一是關鍵技術和核心器件創新能力亟待提升。AR技術仍待突破真正虛實深度融合和自然交互技術，我國緊跟國際發展，但光波導、光場等AR近眼顯示前沿技術尚處于技術跟隨階段；深度傳感器的準確度和功耗與國際一流水平相差較大；圖像處理芯片GPU等核心元器件主要依賴于進口；終端產品軟硬件工程化平臺與設計能力有待進一步提升。

二是缺乏具有產業帶動作用的應用場景。目前在種類繁雜、專業性強、差異化大的行業應用，AR尚未突破規模化應用，面臨小眾化、雷同化等問題。在個人消費端缺少殺手級的應用場景和內容，雖有初代產品進入個人用戶市場，但大眾普遍接受度較低。整體來看，AR應用普及難度較大。

三是產業高質量創新發展生態體系尚不成熟。國內AR產業鏈已初步形成，但尚未有引領型企業（如微軟、蘋果）。以AR為主營業務，營收超過千萬元的公司較少，產業主體間合作不足，尚未形成以AR技術為核心/主導的產業集聚發展生態體系。

4.2 發展建議

一是以硬科技創新為引領，加強前沿技術攻關。支持優勢企業聯合高校院所圍繞AR技術和產業發展核心瓶頸開展攻關。加快輕量化、真三維、高分辨、低功耗的近眼顯示技術研發；結合人工智能、云計算等前沿技術，開展感知交互軟硬件工程體系研究，優化傳感融合算法，向多通道、高精度、低延時、低功耗等方向發展。完成一批原創性重大科技成果，引領全國AR產業自主創新能力提升，搶占國際AR技術制高點。

二是開展規模化應用試點，加快AR商業化進程。要緊抓5G時代機遇窗口期，探索AR與場景創新深入融合，豐富行業及消費領域的應用場景，催生新產業新生態新模式，助力數字經濟發展。推動醫療、教育、消防等重點行業和特色領域率先實現較強示范帶動作用，實現規模化落地應用，加速AR技術熟化和應用普及。

三是打造具有國際影響力龍頭企業，帶動產業鏈協同發展。在近眼顯示、感知交互等關鍵技術和短板領域，扶持培育一批具有技術優勢，深耕硬件領域細分環節的創新型領軍企業，形成具有國際影響力的龍頭企業。支持行業龍頭企業整合產業鏈上下游優勢資源，不斷補鏈強鏈，打造高質量創新發展生態體系。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.03.011

參考文獻

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