元宇宙技术发展动向(3):XR头显技术百舸争流

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来源 中国电子报

编者按:包括元宇宙在内的未来产业,是抢抓新一轮科技和产业变革的重要机遇,实现引领发展的重要抓手。2021年以来,元宇宙成为备受青睐的互联网产业新风口,并在内容生产、场景构建、虚实界面、认证机制等创新技术的驱动下不断演进。中国电子报推出元宇宙技术发展动向系列报道,采访权威专家学者和龙头企业,分析关键技术对元宇宙发展引发的边际性变化,敬请关注。

虚拟现实技术无缝融合了虚拟和现实世界的三维可交互融合环境,被认为是元宇宙重要的接入和交互终端。苹果首款XR头显有望在6月6日的WWDC2023上发布,业内翘首期待因此提升大众对虚拟现实产品的认知,并在硬件、软件、内容应用等各技术环节促进创新,夯实虚拟现实技术底座。其中,“光学系统+微显示+感知交互技术”是核心。

光学器件:中国厂商提供“纤薄”智慧
“XR头戴式终端的关键技术需求从光学性能上看,便是大视场角FOV、体积小、重量轻、图像畸变小、逼真度高、3D 沉浸感强。”俄罗斯工程院外籍院士王立军向记者表示。
菲涅尔透镜和Pancake折叠光路方案是目前VR终端的重要光学解决方案,Pancake已经成为主流,其全面应用成为VR终端在2022年较大的技术迭代趋势之一。2019年,华为推出了第一个Pancake折叠光路方案并成功商用上市,到2022年,有一半以上VR新品都采用此方案。
据了解,菲涅尔透镜体积大、笨重并且容易产生图像边缘畸变。Pancake折叠光路方案比菲涅尔透镜更为轻薄,体积更小。如今,我国的舜宇光学、欧菲光、诚瑞光学、耐德佳、水晶光电等一批光学供应商都具备成熟的Pancake光学模组方案,为全球VR企业提供了中国的“纤薄”智慧,Meta、PICO、创维等品牌最新款VR一体机纷纷采用了Pancake光学解决方案。
创维VR国内营销负责人卜德法表示,2022年Pancake方案成为行业主流,产品重量大幅度降低,佩戴舒适度进一步改善,眩晕等痛点基本解决。
记者在采访中了解到,由于光路设计限制,Pancake仍存在诸多需要改进的方面,如折叠光路光损高,相比菲涅尔透镜视场角更小,且成本相对较高等。
2022年,AR眼镜一方面在工业和教育等B端场景深耕,一方面在消费市场起量。以Birdbath、阵列光波导光学方案为主的消费级产品将用户体验门槛降低,同时促进观影、骑行等消费端场景不断丰富。
以Birdbath为主的分体式AR眼镜工艺成熟、成本较低,是目前C端市场的主流形态。记者了解到,Birdbath技术拥有50°的视场角、较小的体积、高色域和高对比度等特点,其产品镜片薄、重量轻,与普通眼镜形态相似,是目前被采用最广泛的光学方案。
衍射光波导技术成像好且具备成本优势,被视为下一阶段AR眼镜理想的技术路线,近年来已经在多款AR眼镜上落地实用,如微软HoloLens 1和HoloLens 2、OPPO Air Glass与OPPO Air Glass 2、Magic Leap、李未可Meta Lens 等。
据悉,光波导方案相对于自由曲面和BirdBath透过率高,但受限于工艺和成本日前并未大规模采用,尽管相比2021年有了大幅提升。陀螺研究院统计显示,2022年共有16款AR眼镜采用光波导方案,相比2021年增加了10款。
王立军表示,对于VR终端而言,折叠光路方案是趋势。采用超短焦技术的VR头显体积都及其小巧,华为和PICO等都采用折叠光路术方案,将有越来越多厂商跟进。光波导+Micro LED被认为是消费级AR眼镜光学方案的黄金搭档,未来衍射光栅+集成光波导将成为趋势。
近眼显示:从硅基OLED走向Micro LED
作为将线下世界的真实体验与虚拟世界连接起来的重要桥梁,用户“看得清、看得广、看得舒服”最为重要。为此,厂商积极尝试多种显示技术,以更经济的技术方案打造逼真、沉浸而舒适的虚拟现实视觉体验。
“XR显示性能上的关键技术指标主要是超高分辨率(PPI接近人眼6000)、显示对比度高、饱和度和均匀性好、刷新率高、功耗小。”王立军指出。Fast-LCD屏幕产量稳定、性价比高,目前成为消费级VR头显的主流屏幕。硅基OLED刷新速度快、分辨率高,有望成为未来AR主流方案。
记者了解到,Oculus、Pico、HTC、创维等厂商在其VR产品中都采用了Fast-LCD,包括Oculus Quest2,HTC Vive以及Pico Neo3和创维PANCAKE1等机型。Fast-LCD屏幕是目前4K头显较为成熟与低成本的方案,相比Micro-OLED,其可节省一半左右成本。
以创维PANCAKE1为例,其采用TCL华星2.1英寸1512PPI LCD-VR屏,像素密度达到目前全球最高可量产水平,且Fast- LCD技术更兼具了快速响应、无延迟等优点,可以带来较好的画面感受和交互体验。
随着消费者对近眼显示需求不断升级,Mini LED背光Fast-LCD成为重要技术方向。记者通过采访获悉,Fast-LCD与Mini LED相结合,不仅可以很好地解决漏光难题,也能够进一步提升Fast-LCD在高对比度、高刷新率、高亮度等方面的性能,辅以HDR功能,将更好地发挥VR产品近眼超清细腻画质的要求。
业内预计,在VR领域,Fast-LCD在MiniLED背光技术的加持下,未来将会占据大部分应用市场,份额或许将达到85%以上。
相比LCD,硅基OLED的对比度、像素密度、亮度表现更好,以索尼及视涯的产品为主。国内主要面板厂京东方等也在研发相关技术。但受限于成本、生产工艺等因素,硅基OLED并未迎来大规模使用。2022年发布的42款AR眼镜里有23款产品采用硅基OLED屏幕方案,包括华为Vision Glass、米家眼镜相机、雷Air系列、INMOAir2TOSKYT1等。
据悉,被寄予厚望的苹果MR设备,有望采用硅基OLED面板。Omdia高级研究分析师林麟指出,苹果采用该技术后,硅基OLED显示面板出货量可能会在2023年和2024年大幅增加,增长速度将在2024年后放缓,除非硅基OLED面板的成本和价格能够显著降低到大多数品牌能够承受的水平,尤其是高分辨率硅基OLED面板。
随着衍射光波导AR眼镜发布上市,Micro LED屏幕采用率出现了显著提升。2022年国内发布上市的OPPO Air glass、李未可Meta Lens、OPPO Air Gass 2等AR眼镜采用了Micro LED,三款AR眼镜采用的单绿色Micro LED屏幕均来自于国内Micro LED厂商JBD。
业内研判,Micro LED将凭其突出优势成为AR眼镜微显示屏的未来之选。Micro LED具有高分辨率、高亮度、寿命长、小体积和低功耗等特点。王立军指出,元宇宙XR终端的未来趋势是“Micro LED+光波导”,它们将共同为未来元宇宙打造轻量化且功能强大的头戴式设备。
林麟表示,对于AR眼镜应用,硅基OLED在当前是主流面板,但其亮度不能满足AR眼镜户外使用的需求,这为Micro LED提供了良机。Omdia预计 Micro LED技术将在三到五年内成熟,最终将成为 AR 应用市场的主流。
感知交互:朝着肌电传感、脑机接口方向前进
4月,PICO正式发布新品PICO 4 Pro,这是国内首款同时搭载眼动追踪和面部追踪功能的VR产品。在内置的游戏《梦之境》中,用户可以利用眼动追踪实现视线交互的独特玩法,在游戏《轻世界》中,用户借助面部追踪技术与其他玩家进行表情互动,强化了VR社交属性。
Meta公司CTO Andrew Bosworth表示,2023年在感知交互上已达到所谓的VR 2.0阶。 

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