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ar 人工智能(人工智能的应用)

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1. 5G+AI 破解VR/AR 产业落地瓶颈

自 Oculus Rift 产品推出,VR 在 2014-2016 年间一度成为全球产业和资本追捧的焦点。大型 IT 公司进行业务转型,VR 中小创公司不断涌现。然而,理想是美好的,现实是残酷的,应 用匮乏,性能表现低于预期,导致了一度火热的 VR 产业走向沉寂,从技术上看出现这一现 象的核心原因在于:

1、终端高算力小型化不足,削弱用户体验。VR 眼镜由于需要构造完全的虚拟化 3D 空间, 往往需要巨大的算力,而现今的硬件设备仍无法做到小型化高算力,各类“临时性”措施大 幅削弱了 VR 的使用体验。

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2、不具备足够定位精度带来“眩晕感”。流行的 Oculus、HTC 等厂商推出的面向消费端客户 的VR眼镜产品均不具备足够的定位精度,从而造成VR眼镜在使用过程中严重的“眩晕感”。

3、由有线传输造成的可不便携性。这造成互动直播、游戏等“杀手级”应用无法给出令人 接受的表现。

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5G破解 VR 应用瓶颈。目前的 VR 产品主要有三种:PC VR 高端头显,VR 一体机以及 VR 盒子。PC VR 头显的体验效果最好,但操作最为复杂。用户不仅需要购买这些设备,还需要 有一台配臵相对较高的 PC 主机,成本和门槛也最高。第二种是移动 VR 一体机。这类产品 相比之下便携性好,体验起来也更加方便。但缺点在于移动 VR 平台的内容质量相对较低, 硬件素质也不如高端 VR。体验好的设备贵、门槛高,便宜的设备又体验差。这种矛盾该如 何解决?这时,云 VR/AR 平台就成为了一种很好的解决方案。在用户体验的过程中,原本 需要本地计算的过程全部放在云端,并通过云端服务器反馈给使用者,这样就可以省去购买 高端设备的成本,而且低延迟还可以减轻用户的眩晕感。这样的方案从理论上确实可以解决VR 的一些痛点问题,去除复杂线缆的约束,提供成本低高质量的体验内容。但这一切都需 要强大的网络环境以及超高运算的云 VR 平台来做支撑,而在这套流程的数据传输方面,云 VR 正是背靠 5G 的两点优势才得以延伸:

1、5G 推动VR/AR 发展的关键——高速传输

目前,智能手机终端的 VR/AR 应用多数是基于独立的 APP 运行。以观看 VR 视频为例,一 段几秒钟的高清全景视频便可达到几十兆甚至几百兆。在主流的 4G 网络的传输速度下,用 户是难以流畅观看 VR 视频的,至于 VR 游戏更是面临巨大的传输瓶颈。而对于 AR 体验来 说,虽然可以依靠离线的识别处理机制来呈现虚实结合的体验,但当识别的景象发生连续大 量的动态变化时,单单依靠终端便难以负荷庞大的计算量。为此,华为 VR OpenLab 联合视 博云等合作伙伴在西班牙 MWC 展览会上,发布了最新的 VR 解决方案——Cloud VR,即将 VR 运行能力由终端向云端进行转移,以此来推动 VR/AR 应用在智能手机端的普及。然而, 这种解决方案的实现所依托的仍然是高效的传输网络——5G。在 5G 时代,一部超高清的电 影可在 1 秒之内下载完成。同样,一段超高清的 VR 全景视频也可以实现实时的流畅播放。

2、5G 优化VR 体验的核心——低延迟

仅仅速率快仍无法解决 VR/AR 体验在移动终端中的延迟问题。事实上,5G 网络还在其整体 设计上采用了不同于 4G 网络的基站布局和处理机制,以此来缩短传统 VR 体验中的延迟时 间。对传输网络来说,所采用的频率越高,传播过程中的衰减也越大,这就导致了 5G 网络 覆盖能力的减弱。所以,同 4G 网相比,5G 所需要的基站数量将更加庞大。但同时,覆盖范 围的缩小也减轻了基站所承载的传输压力。因此,相比于 4G 网络建造的宏基站,5G 网络所 采用的基站更多的是微型基站。

基于微基站,5G 采用移动边缘计算机制,即将处理逻辑下沉到网络的边缘,也就是更靠近 用户的基站上。一旦用户发出请求,数据便可以在极短的时间内传输到基站,而基站也可以 更快速地给用户以反馈。

正是基于这种高效的传输机制,5G 才能够让 VR/AR 应用在移动终端的时延极大地缩短。根 据 IMT-2020 制定的指导方针,5G 将提供1 毫秒的 OTA 往返延迟。实际上,当延迟小于 10 毫秒时,人类就基本无法察觉到画面的延迟。因此,5G 的到来将会彻底消除 VR 使用中由 时延所带来的眩晕感,从而真正提升移动终端的虚拟体验。

5G有望从内容端打通产业,令 VR 技术推广加速。5G 并非仅为 VR 所用的私有网络,而是 面向大众通信的公共网络,这意味着海量的信息与内容将通过 5G 网络辐射到各终端节点。 以往,VR 的相关应用受限于传输速度,往往需要通过有线方式构造专有系统,实现“专网专用”。在 5G 大背景下,各类4K 级以上高清视频应用均可以通过 5G 公有网络被用户终端 在不受限制的时间地点访问,这意味着 VR 的内容匮乏问题也有望得到大幅改善,实现从内 容端的产业打通。

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5G 时代,更多的 VR 应用场景将成为现实。4G 仅能够满足部分 VR/AR 应用,但 5G 不仅 增强了现有的虚拟体验,还将拓展出全新的应用场景,真正使 VR/AR 发挥其在移动终端的 优势,解决用户生活中的痛点,比如,目前发展缓慢的 VR 直播。囿于 4G 网络环境的带宽 限制,用户无法仅靠移动终端来实现体育赛事和演唱会等大型场景的现场直播,即使采用专 用级的 VR 全景摄影机来进行视频采集,用户终端的观看体验仍然欠佳。但随着 5G 时代的 来临,高清 VR 视频的上传和在线播放的流畅性都将在几秒之内完成。同时,5G 还可以使 基于 AR 的车载导航成为现实。将导航地图和实时路况等信息投射在驾驶员眼前的挡风玻璃 上,使驾驶员在搜索路线的同时也能够对行驶道路的状况进行把控,从而既提升了行驶的安 全性,也节省了驾驶时间。此外,随着 5G 的部署,一些对实时性要求较高的应用,诸如远 程手术、虚拟课堂培训和即时 VR 内容创作等,也都将得到普及。

AI 算法成熟化将逐步令 AR走向台前。AR 的落地慢于 VR,本质原因在于 AR 对场景三维 重构、物体追踪等技术均存在较高的算法要求。AI 算法成熟化将有望解决 AR的技术难题, 助力产品加速落地。随着近年来 AI 算法持续革新,以 AI 为主导的计算机视觉算法已日趋成 熟,国外的谷歌、苹果等公司以及国内的商汤、旷视等公司均展开了针对 AR 应用场景的 AI 算法解决方案的研究。

AR 技术迭代加速,相关产品已然落地。与此同时,在 VR 大潮的驱动下,AR 技术迭代的速 度得到加快,目前已逐步推出探索性产品。微软在 2015 推出 AR 眼镜 HoloLens,并再次在 2018 年推出迭代产品 HoloLens 2。谷歌与阿里巴巴投资的 AR 公司 Magic Leap 在 2018 年推 出了自己的产品 Magic Leap One。苹果公司也在持续对 AR 软硬件进行投入,并推出了 AR 开发工具ARKit。在应用方面, 2016年推出的手机端 AR游戏精灵宝可梦GO获得巨大成功。 这一切均说明 AR 技术具备巨大的潜力。

交互模式的变革贯穿了整个 IT产业的发展史,AR 有望成为新一代交互平台。交互模式的转 变直接体现在输入输出的形式上。从最初的键盘交互时代,以 DOS 命令形式输入为主;随 着苹果和微软 PC 图形界面的诞生,进入了“鼠标+键盘”时代,开始通过图形界面(GUI) 进行输入输出。2007 年苹果推出 iPhone 手机,也将计算机带入了移动互联网触屏交互时代。 人机交互的趋势是越来越人性化。上世纪 80 年代人们要经过良好的培训才能使用命令行或 编写代码,但如今即使是未受任何培训的孩童也可以使用智能手机或平板电脑。下一代计算 平台必然会在人性化上有显著提升,AR“所见即所得”的交互方式符合这一趋势。

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2. 虚拟走向现实,VR/AR的前世今生

2.1. VR/AR 的诞生与发展

VR(Virtual Reality)又称为虚拟现实,其本质是利用计算机技术通过欺骗感官的方式实现 用户在虚拟的三维空间中体验到身临其境的沉浸感。最早的 VR 产品可以追溯到 1962 年莫 顿〃海利希推出的多种感官交互影院设备 Sensorama。其后,VR 得到不断革新,并在 90 年代世嘉、任天堂等游戏机厂商的 SEGA VR-1、Virtual Boy 等产品上得到应用。随着 2010 年 Kickstarter 集资众筹产品 Oculus Rift 问世,其细腻的分辨率、宽广的视野与 6DOF 高沉 浸体验令 VR 再次进入发展热潮,并持续至今。

AR(Augmented Reality)又称为增强现实,其本质是在用户现有的视觉空间下叠加虚拟物 体,以实现用户在真实空间下对于附加场景的增强性需求。AR 最早的产品可以追溯到 1966 年萨瑟兰研制的机械式增强现实系统 Sword of Damocles。AR 的概念在1990 年提出,在之 后的岁月里长期停留在实验室层面与军方的相关项目研究。2000 年后,一些在 Android 手机 上的 AR 应用逐步推出。在2012 年谷歌推出新的 AR 眼镜产品后,AR 技术的发展进入了新 纪元。

AR 从其技术手段和表现形式上,可以明确分为两类:一是 Vision-based AR,即基于计算机视觉的 AR,二是 LBS-based AR,即基于地理位臵信息的 AR。

2.2. VR/AR 的发展现状

目前,VR/AR 已逐步根据各自产品特点形成了一定的格局,在自身领域产生了一定分化。 VR 产品已分化为外接式头显、移动式头显和一体式头显三大阵营。

外接式头显。将 VR 设备生成三维虚拟环境所需的算力转移到外部设备,例如 PC 机、游戏 主机或云端服务器。由于描述三维虚拟环境需要大量信息传输,故而外接式头显常采用有线 方式连接。在线缆长度的约束下,用户的 VR 场景使用物理范围被大大限制。同时,外接式 头显动即 3000 元以上的零售价也限制了在普通客户群体中的普及。目前相关产品包括 Oculus Rift、HTC Vive、PS VR。

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移动式头显。仅提供 VR 镜片,利用手机设备充当算力提供源,从而实现高度移动化。移动 式头显因为结构简单,常利用硬纸壳包装,故而又称为“纸盒子”。移动式头显价格往往非 常低廉,仅在 500 元左右,易于被广大消费终端客户接受。然而,由于手机终端算力不足, 移动式头显的应用场景往往被限制在低清 3D 观看应用,适用范围大减。同时,部分产品仅 具备 3DOF,与人体协调性降低造成“眩晕感”的进一步增强。移动式头显包括三星的 Gear VR、谷歌的 Day Dream 等。

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一体式头显。一体式头显本质是外接式头显和移动式头显折中后的一个产品。一体式头显通 过在 VR 头显设备中内臵集成化计算单元,从而在避免掉有线连接的同时保持一定程度的计 算能力。在高性能运算产生的高能耗下,,一体式头显的电池续航有待改进。同时,一体式 头显由于将计算单元固化,因而在升级改造方面完全受限,更类似于一次性产品呢,在 5G 落地大背景下会受到巨大挑战。一体式头显产品主要有 Oculus Go、三星的 Exynos VR 等。

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VR 设备分化出的三种类型充分表明了算力与便携性之间存在的调和矛盾,而 5G技术落地, 意味着以上矛盾将迎刃而解。

AR 产品则分化为眼镜类产品和面板类产品两大应用领域,正好对应 AR 的两大技术手段。

眼镜类产品。AR 眼镜类产品通过在用户眼镜镜片上叠加光场,实现用户视野范围内虚拟物 体的叠加,本质上提供的是真实的三维增强现实空间。AR 眼镜类产品相对来讲技术含量更 高,对定位、重构等要求更苛刻,故而往往价格高昂,相关产品售价在 20000 元以上。目前 流行的产品包括微软的 HoloLens、谷歌的 Magic Leap 等,在特种加工、辅助医疗等领域已 具备相关 ToB 应用落地。

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面板类产品。面板类 AR 产品主要通过在移动端面板摄像头拍摄内容上叠加附加视觉效果, 实现用户在面板的真实视野内的视觉增强,本质上提供的是二维增强现实空间。面板类 AR 产品相对来讲技术门槛更为平滑,本质上仅仅针对算法层面的考验。目前,ToC 类手机端 AR 产品往往采用免费战术,而 ToB 类产品则根据附加指定价。手机端 AR 产品最为知名的 就是苹果手机 AR,国内的百度、中科创达、四维图新、虹软科技等公司也在 ToB 类产品广 泛涉猎。手机端 AR 产品主要应用包括精灵宝可梦 Go 等手机游戏,面板AR 产品包括各类 AR 辅助驾驶产品。

2.3. 巨头在 VR/AR 产品上的布局

2.3.1. 苹果

苹果布局 AR 业务多年,一方面通过外部收购获取技术与人才,2013 年至今,苹果陆续收购 了 PrimeSense 、Metaio、Faceshift 等十几家公司,以获得面部识别和开发工具等相关技术;

另一方面而苹果在自主研发方面同样强悍,早在 2011 年就申请了 AR 方面的专利,苹果至今 先后申请了 6 项 AR 相关的专利,并在 2017 年8 月将游戏和健身类设备等囊括进商标覆盖范 围。

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在深厚技术积累的基础上,苹果在 2017 年迅速打造出一个包括硬件、开发工具、应用在内 的完整 AR 生态链,实现 AR 领域全方位的布局。据了解,苹果的 AR 路线不仅只局限于手 机端,还包含一个代号为“Project Mirrorshades”的 AR 眼镜计划,当苹果在完成手机端的推 广之后,即推出与 iPhone 相匹配的 AR 眼镜,并最终推出可以完全替代 iPhone 的全功能 AR 眼镜。据彭博社消息,苹果计划 2019 年完成该产品的研发并在 2020 年发货。

2.3.2. 谷歌

谷歌曾在 2014年推出廉价移动式 VR头显 Cardboard。Cardboard 是谷歌所开发、与智能手 机配合使用的虚拟现实头戴式显示器。按照谷歌发布的规范,用户既可以利用廉价简易的组 件自行制作头盔,或购买预先做好的头盔。Cardboard 兼容 Android 系和 iOS 系的主流手机, 发货量截止至 2017 年 3 月已超过 1000 万个,同时又 1.6 亿个应用程序上线。

谷歌再次在 2016年推出升级版移动式 VR头显 Daydream。不同于 Cardboard,Daydream 平 台完全由 Google 为第七代 Android 移动操作系统 Nougat 开发,因而只有特定的手机产品可 以兼容 Daydream。谷歌在开发者大会上宣布与多个硬件厂商展开合作,包括三星、HTC、 LG 以及国内小米、华为、中兴等巨头,这些兼容的手机将被标识为“Daydream-ready”。

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谷歌曾试图推出为智能手机增加平板 AR功能的 Project Tango项目。不过由于需要在硬件中 安装先进的摄像头等特殊的传感器,使用安卓系统的手机制造商并没有广泛采用,只有华硕 和联想采用了它。现在谷歌尝试用对标苹果AR Kit的AR Core取代Project Tango。相比Project Tango, AR Core 增强现实实现方案更加实用,在普通的智能手机上就可以运行,不需要专门 的传感器。目前谷歌 Pixel和三星 Galaxy S8 都支持 AR Core。TechCrunch 分析认为,谷歌在 AR 领域最大的优势在于机器学习和 AR 技术的结合,比如 Google Lens 可以将实时计算机视 觉技术带入 AR 窗口中。

谷歌旗下公司 Magic Leap 推出高性能 AR 眼镜产品 Magic Leap One。Magic Leap 是一家成 立于2010年的美国增强现实公司,曾获得来自谷歌、阿里巴巴等14亿美元的融资。Magic Leap 一直以逼真的光学效果著称,通过还原现实物体的光线,带给人眼自然的感受。Magic Leap 的 AR 头显产品“Magic Leap One”几经延期,在 2018 年问世。Magic Leap One 在环境理解、 物体遮挡等方面均具有不俗的表现。

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2.3.3. Facebook

在 VR 领域,Facebook 主要通过旗下子公司 Oculus 实现产品布局。Oculus 成立于 2012 年, 由帕尔默〃拉奇与布伦丹〃艾瑞比成立,其 VR 头显产品曾在众筹网站 kickstarter 筹资近到 250 万美元。2014 年3 月,Facebook以 20 亿美元现金及 Facebook 股票收购了 Oculus。Oculus 的 VR 产品多定位于高性能头显设备,包括外接式头显 Oculus Rift、一体化头显 Oculus Go 和 Oculus Quest 等。

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在 AR领域,Facebook 由于其社交属性,采用了与苹果、谷歌不同的方法来打造增强现实。它开通了一个 AR 开发平台 Camera Effects,让开发者给 Facebook、Instagram、Messenger 和 WhatsApp 应用程序内相机开发增强现实功能。

Facebook 还发布了两款 AR 工具 AR Studio 和 Frame Studio,这两款工具可以为照片和视频 创建 AR 效果,包括滤镜,动画框架和其他增强现实互动。

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Facebook 旗下虚拟现实子公司 Oculus 2017 年8 月提交了一份关于“配备二维扫描仪的波导 显示屏”的专利申请。这项专利申请暗示 Facebook 智能眼镜的底层技术开发工作已经完成, 但正式发布还需要等上一段时间。

2.3.4. 微软

Microsoft HoloLens 是微软首个不受线缆限制的全息计算机设备,能够让人与数字内容交互, 并与周围真实环境中的全息影像互动。HoloLens 是目前市场上唯一一款先进的混合现实产品 (混合现实也可以看作 AR),不过该款设备价格较为昂贵主要面向企业客户,企业开发定制 软件来提高员工工作效率。

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2.3.5. HTC

HTC 通过 VR 头显产品 Vive 实现业务转型。HTC 是源自台湾的跨国消费性电子产品公司, 成立于 1997 年。HTC 曾是功能机时代的王者,但在智能机新时代到来后逐步衰退。2012 年 Gartner 调查指出,HTC 已跌出全球手机销售第十名,位居第十一名,市占率仅 2.89%。 2013 年,HTC 股价创新低,营收更是出现首度亏损。为实现业务转型,HTC 与 Valve 公司 合作开发VR头显设备,以期在新生领域扳回一城。HTC的VR 产品主打高性能外接式头显, 包括 HTC Vive 和 HTC Vive Pro,以及一体化头显新品 Vive Focus 和 Vive Focus Plus。

2.3.6. 索尼

索尼利用自身游戏平台优势,从内容端向 VR 渗透。索尼是老牌的游戏机厂商,其主打产品 PlayStation 在家用游戏机领域占有率极高。2016 年,索尼公司推出了 PlayStation 的 VR 产 品 PlayStation VR。索尼的 PSVR 最大优势在于丰富的游戏内容,目前 PlayStation 商店共 提供 183 款高质量 VR 游戏。PSVR 将持续跟随索尼 PlayStation 产品进行更新,并不断丰 富内容。

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2.3.7. 三星

三星公司对 VR 业务持续投入。三星作为传统的消费电子巨头,已实现对 VR 业务的布局。 2015 年,三星电子与 Oculus VR 公司合作开发,推出了移动式头显产品 Gear VR。Gear VR 兼容三星 Galaxy 器件 (Galaxy Note 5 或 Galaxy S6/S6 Edge),同时具备更好的校准和较 的低延迟,是目前移动式头显应用最广泛的产品。

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2.3.8. 国内巨头

国内互联网企业在 AR 应用方面也做出诸多探索。导航方面有百度 AR 导航;游戏娱乐方面 有迪士尼和联想合作星球大战 AR 设备和游戏等。

阿里 AR 应用则着重于购物。2017 年双十一期间的 AR 捉猫猫将零售与 AR 结合起来。十二 月阿里人工智能实验室与星巴克合作,通过手机 AR 技术便可便可观看到星巴克咖啡烘焙、 生产及煮制的全过程。基于 AR 扫描的视觉互动带来的别样的感官刺激,消费者可以更加深 入地体验咖啡文化。这也是阿里最新的大型场景内的 AR 识别技术,在全球第一次大规模的 商业应用。

3. 5G+AI 时代,VR/AR 迎来真正春天

VR/AR 已具备两项特征:一是随着 VR/AR 应用价值上升,生产成本降低,VR/AR 将影响越 来越多用户的生活;二是随着 VR/AR 设备的发展、普及,用户界面和应用程序方面会产生 新的突破。2019 年,5G+AI 将令 VR/AR 潜能从现有的技术欠缺中释放出来,AR 浪潮的周 期已经从移动 AR 软件逐渐发展至移动 AR 硬件,VR 在经历泡沫破灭后也恢复向上,同时国 内外科技巨头持续不断的大规模投入,若干因素形成共振推动 VR/AR 迎来真正的春天。

3.1. 5G+AI让 VR/AR 如虎添翼

3.1.1. 5G,高速传输助力VR 终端“松绑”

算力问题始终是困扰 VR 产品推广的梦魇,高算力的实现往往以牺牲便携性为代价。VR 彻 底构造三维虚拟空间需要巨大的算力,这往往通过 PC 机的高性能 CPU 和显卡才能勉强实 现。然而,这类高性能计算设备往往难以做到小型便携化,VR 显示设备外接高性能设备变 为必然趋势。尽管传统的 4G 网络能提供高达 100Mbps-150Mbps 的传输速度,在各类 VR 高清应用下,传输带宽的不足仍然捉襟见肘。然而,采用线缆连接方式造成的行动区域受限 大幅削弱了 VR 的发展空间。Oculus 甚至放弃了 Oculus Rift 产品的研发跟进,转而发展一 体化眼镜 Oculus Go。

5G 大幕将临,VR 云化选项摆上桌面。5G 时代带宽吞吐量可达到 10Gbps 的通讯速率,完 全能够满足 VR 应用场景下对高清三维场景数据的传输需求。故而,外接式 VR 设备可以通 过 5G 无线连接方式,实现 VR 算力中心的云化,从而将用户从有线连接的移动范围限制中 释放出来。同时,VR 云化将能够降低用户硬件成本,也通过服务器云化的方式降低了内容 商的成本,并进一步增强了 VR 应用的入口效应,利于社区发展。故而,5G 革命将为 VR 产 品带来根本性改变。

3.1.2. AI 算法成熟,释放AR 场景化潜质

AR 的基础是图像识别技术,是近年来人工智能实质性取得突破的方向。识别技术一直以来 是限制 AR 技术进一步发展的瓶颈。环境识别是对摄像头或传感器获得的真实世界的信息进行分析,得到对于环境的精准理解,告知系统哪里需要“增强”以及需要“增强”的内容。 对周围环境理解越透彻,定位越准确,虚实结合的效果越好。近年来人工智能在识别技术方 面实质性取得突破。算法的发展和多种传感器之间的融合使识别不再是难以逾越的技术壁垒。

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AR 识别技术依托于 SLAM算法,SLAM算法今年取得重大进步。SLAM 算法即时定位与地 图构建,对每一帧画面同时(Simultaneously)进行定位(Localization)和建图(Mapping) 两种运算。十年以来视觉 SLAM 算法取得巨大进步。2003 年 A. J. Davison的 MonoSLAM 实 现了视觉 SLAM 系统实时运算的突破,在此之前视觉 SLAM 系统只能在相机采集数据后离 线进行定位与建图。2007 年 Klein 等人提出了 PTAM 算法(Parallel Tracking and Mapping), 并进一步发展至现代 SLAM 算法中广泛使用的 ORB-SLAM。ORB-SLAM 采取三线程运算, 分别为:

(1)跟踪(Tracking)。从图像中提取 ORB特征,通过每一帧图像定位相机,决定是否加入 关键帧,粗略估计相机位姿。

(2)建图(Local Mapping)。处理新的关键帧,得到更精确的 ORB特征点空间位臵和相机 位姿。

(3)闭环检测(Loop Closing)。这一部分主要分为两个过程,分别是闭环探测和闭环校正。 对新加进来的关键帧进行回环检测,消除累积误差。闭环检测这一步使得 ORB-SLAM 系统 较之前的 SLAM 系统更加完善。

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近年来,更优秀的 SLAM 算法开始出现。目前不少研究者尝试着将深度学习的思想注入 AR 的识别流程中,使 AR 识别可以从图像中可以获得丰富的语义信息。

AI 芯片渐趋成熟,AR 应用得到相关支持。苹果 A11、麒麟 970 等手机芯片是为 AR 应用做 准备,同时也是 AR 在手机端开始由软到硬落地推动产业化的关键一步。

为了使深度神经元网络连接更快,寒武纪为其 NPU设计了专门的存储结构,以及专用处理器 指令集。芯片中的深度神经元每秒可以处理 160 亿个神经元和超过 2 万亿个突触,功能强大 的同时,功耗却只有原来的 1/10。

虽然芯片里的 CPU、GPU、DSP 都可以用来做运算,众多手机厂商也在 CPU+GPU+DSP 架 构上对 AI 功能进行优化,但是 NPU是专门用于神经网络架构计算的,在神经网络架构计算 方面处理能效比提升了 50 倍,性能是普通 CPU的 25 倍。

3.2. 软硬件成熟,VR/AR 已具备大众化基础

3.2.1. 硬件生态系统初步建立

终端芯片方面,华为、苹果全球两大手机终端公司均已经发布了用于其最新款手机的 AI 芯 片。传感器方面,iPhonex 包含前臵 3D 传感系统 TrueDepth。三星和华为等主流智能手机制 造商,也打算在 2018 年的新机型上采用 3D 传感器。据彭博社消息,2019 年苹果将为 iPhone 手机配备前后两个 3D 传感器,以便让 iPhone 变成领先的增强现实设备。

3.2.2. 开发平台助力移动 VR/AR 软件大规模平台化

目前,VR/AR 均已脱离了基于厂商原始 SDK 的简陋低效开发阶段,而步入了第三方技术支 持的高效开发新纪元。VR 大型应用开发已得到各类图形库平台供应商的支持。VR 开发不再 拘泥于 Oculus SDK、OpenVR 等原始 SDK,而是可以通过 Unity、Unreal 等成熟图形引擎、 游戏引擎实现快速高效开发。

Unity VR。Unity 是一款由 Unity Technologies 研发的 2D / 3D 游戏引擎,其最大的特点是跨 平台高效便捷开发。Unity可用于开发 Windows、MacOS 及Linux平台及各类游戏主机平台、 移动端平台等近 27 种平台的单机游戏。自 Unity 5.x 版本后,Unity 开启了对 Oculus Rift、HTC Vive 和 Gear VR 等主流 VR 产品的支持。

Unreal VR。Unreal是一款由 Epic Games 开发的游戏引擎,主要是为了开发第一人称射击游 戏而设计,但现在已经被成功地应用于开发潜行类游戏、格斗游戏、角色扮演等各种不同类 型的游戏。Unreal自 1998 年推出后已完成了四代产品迭代,目前已被育碧、EA等大厂的 3A 级游戏大作所采用的。自 Unreal 4 引擎开始,Unreal提供了对 VR 技术的支持,Unreal优秀 的大型 3D 建模能力与在游戏圈的口碑,将有助于 VR 高质量内容的落地与推广。

AR 软件已经过各大互联网公司打包整合,功能更加完善,技术支持更加充分。苹果、谷歌 都在开发者大会上推出了面向 AR 开发者的便捷化软件开发工具。

3.2.3. 应用逐步丰富,VR/AR 社区持续壮大

VR 平台化集聚效应加剧,Steam 有望整合资源做大内容。Steam 是美国电子游戏商维尔福 (Valve)于 2003 年 9月 12 日推出的数字发行平台,提供数字版权管理、多人游戏、流媒体 和社交网络服务等功能。Steam 被认为是计算机游戏界最大的数码发行平台。根据 ScreenDigest 在 2013 年的估计,Steam 的市场份额达到 75%。2015 年,Steam 开始支持 VR,并推 出 Steam VR。Steam VR 通过整合 Oculus、HTC 各 VR 设备厂商的内容资源,并利用 Steam 平台在游戏玩家群体中的影响力,不断丰富 VR 社区的内容资源。

AR 开发成本降低,应用内容大幅增加。Pokemon Go 的火爆让大众第一次直观感受到 AR 的 魅力。得益于 AR Kit、AR Core 等高效开发软件,制作 AR 应用的门槛和成本大幅降低。同 时,AR 应用数量激增。AR 应用程序在 2017 年 9 月 20 日 AR Kit 正式上线之初只有五十多 款,而在 3 个月的时间就已经有超过 1000 款应用。AR 应用在内容上也呈现多样化的趋势, 既有类似 Pokemon Go 这样的 AR 游戏,也有传统制造企业与 AR 的联合,比如宝马推出的 BMW i Visualizer,乐高也发布了使用 AR Kit 的来整合数字和实物的应用 AR Studio。

3.3. 资本涌入加速产业发展 (略)

4. 各有千秋,AR 与 VR 的区别及产业链拆解

4.1. AR 与 VR 的区别

AR 由于需要在用户真实视觉场景中构造出虚拟三维物体,本身就带有一定的 VR 色彩,因 而 AR 与 VR 常统一为 VR/AR 概念一并进行讨论。两者的区别主要体现在:

两者的目的不同。VR 的目的是提供一个完全的虚拟化三维空间,令用户深度沉浸其中而不 发觉。AR 的目的是为用户提供在真实环境下提供辅助性虚拟物体,本质只是用户视野内现 实世界的延伸。

两者的实现方式不同。现有的主流 VR 头显技术通过用户位臵定位,利用双目视差分别为用 户左右眼提供不同的显示画面,已达到欺骗视觉中枢制造幻象的目的。相比之下,AR 技术 则通过测量用户与真实场景中物体的距离并重构,实现虚拟物体与现实场景的交互。

两者的技术痛点不同。VR 的关键在于如何通过定位与虚拟场景渲染实现用户“以假乱真” 的沉浸体验,目前的应用瓶颈在定位精度和传输速度。AR 的关键是如何通过在虚拟环境里 重构现实世界的物体已实现“现实-虚拟”交互,目前的瓶颈主要在算法和算力上。

两者的造价不同。VR 产品经过多年发展,已逐步进入商品化流程,目前零售产品报价在 500-4000 人民币之间,面向终端消费者。AR 产品仍然处于发展的初期,相关新品的报价在 20000-50000 人民币之间,仅面向特定企业级用户预订。

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虽然 VR、AR 存在明显的差异,但它们并非完全独立的技术。VR 和 AR 在互相竞争的同时 也在互相成就。VR 利用计算机生成的图像完全取代现实世界,AR 则将计算机生成的图像添 加到用户周遭环境中。但最终两种技术的竞争将会模糊化,同一设备可以两种技术兼而有之。

从 AR 与 VR 的区别上我们不难发现 VR 本质上是更先进的媒体形式,而 AR 却是强大的 计算平台。VR 主要应用于游戏、娱乐方面,如同将游戏机放在眼前;而游戏、娱乐仅仅是 AR 应用的子集,未来 AR 在医疗、工业、教育、零售等市场有巨大的发展潜力。Digi-Capital 预测到 2020 年,AR/VR 的市场规模是 1500 亿美元,其中 AR 占 1200 亿美元,VR 占 300 亿美元。

4.2. AR 产业链

AR 产业链可以分为硬件和软件两部分,AR 在未来的爆发给上下游软硬件厂商带来巨大的商 机。细分来看,包含四个部分:硬件、开发、应用与分发。硬件/实现

1)头戴设备制造商——致力于头戴设备技术开发的公司。在这个类别中,Magic Leap 是融 资最多的公司,以 14 亿美元的融资额远远甩开了第二名。

2)位臵、眼球和手势追踪——开发嵌入在 AR / VR 头戴设备或移动设备中的追踪设备的公 司,如 Eonite Perception 和 Occipital。 3)移动硬件和实现——提供头戴式显示器或其他移动 AR / VR 技术的初创公司。如 Merge VR,提供头戴式显示器(HMD)、移动硬件或AR / VR应用程序的软件支持;还有类似Wikitude, 制作 AR 移动应用的视觉软件。

开发

1)视频处理和引擎——图像拼接、处理和 VR 游戏引擎。像 Unity 这样的游戏引擎在游戏产 业应用广泛,但越来越多地被应用于 VR。图形公司 OTOY 帮助呈现数字内容,并吸引了来 自包括 HBO、迪士尼和 AutoDesk 的投资。

2)开发工具——帮助 AR / VR 应用程序开发和计算的工具,如 Fish Bowl VR 和 Sixa。

3)相机和捕获——提供光场视频或 360 度捕获技术的公司。例如,Lytro 开发用于 VR 内容 的光场捕获相机,EmergentVR 专注于 360 度视频捕获。

应用程序

1)游戏和内容生产——生产 AR / VR 应用程序和游戏的创业公司。CCP Games和 and Kite & Lightning 是其中的代表。

2)内容平台——投放内容(或编入索引)的平台和应用。Jaunt、Within 和 NextVR 这一类 别中资金状况较好的公司。此外,媒体公司在这方面相当活跃。

3)社交——用于共享用户体验平台,如 Sequoia Capital 和First Round Capital 最近投资的 Against Gravity。

4)广告——为新的计算平台提供广告的公司。像 Vertebrae 这样的创业公司正在努力将广告 整合到 VR 生态系统中。

5)教育——将 AR / VR 应用于教育和学术的公司。例如,Nearpod 使用移动 VR 在教室中 进行交互式课程。

6)商业/零售——AR / VR 正在进军房地产、家具和零售业。例如,InContext 使用 VR 帮助 用户查看楼层地图。

7)医疗——医疗训练和其他医疗应用。MindMaze 是一家资金充足的公司,专注于神经科学 的 AR / VR。该公司开发 HMD、运动捕捉和手势控制技术(用于 AR 和 VR),目的是帮助中 风、脊髓损伤和截肢患者进行康复。

8)重工业——专门针对工业和工厂服务的头戴设备和移动 AR。

分发

1)商场和体验——如旨在带来多样化 VR 体验的 Dreamscape Immersive,该公司获得了好 莱坞的主流投资,如米高梅、21 世纪福克斯、IMAX和斯皮尔伯格。此外还有专注于 VR 主 题公园的 Spaces 等。

4.2.1. 硬件

硬件包含的范围很广,手机终端需要芯片、摄像头、传感器;头戴式显示器(HMD)还需要 显示镜片等。在此我们整理了 A股与 AR 硬件产业链相关的上市公司。

总的来说,在硬件产业链上国内企业技术并不是十分成熟,关键领域核心技术弱于国外,这 既证实了我们在 AR 硬件领域内实力依然有所欠缺,也意味着企业未来的发展空间巨大。

4.2.2. 软件

应用开发公司更多的面向消费者。国外有著名的 Niantic Labs,它与任天堂合作开发了脍炙人口的 AR 游戏 Pokémon Go。国内专注 AR 应用开发的公司有新锐天地等,新锐天地的“AR school”是“十二五”国家科技支撑计划 2013 年国家文化科技创新工程项目应用示范产品之 一。

底层 SDK方面,国内主要有亮风台的 HiAR SDK和视辰信息的 EasyAR 这两个 SDK开发平 台。两个平台都可以在 Unity、Android、iOS、Windows 等多个系统中支持识别功能、AR 增 强功能以及一些扩展功能。AR SDK一方面可以大大降低 AR 应用软件开发成本,同时还可 以根据合作企业的特点更灵活地进行营销,定制不同的 AR 解决方案。

腾讯、苏宁、美图、在内的众多 App 正在使用 HiAR SDK 创造精彩的 AR 内容;视辰信息 也曾为中兴手机打造具有 AR 功能的照相机、与招商银行合作进行营销等等。

此外亮风台还拥有 AR 眼镜终端——HiAR Glasses,它是全球首款实现端云无缝对接的 AR 眼镜,还获得了 2017 年的红点奖。其 HiAR OS 集自研的图像识别,SLAM 等底层算法技术 的 AR 引擎和兼容性极强的安卓系统于一体。

在应用软件方面,幻镜 AR 浏览器是亮风台研发的一款业内领先的 AR 浏览器,搭载 HiARSDK配合全新云识别算法,海量云端图片,瞬间识别。

4.3. VR 产业链

VR 产业链可以划分为与头显设备有关的硬件阵营和与内容有关的软件阵营。

4.3.1. 硬件

VR 产业链的硬件阵营包括 VR 设备零部件供应商和 VR 头显产品集成商:

VR 设备零部件供应商:提供 VR 头显所需的显示屏、摄像头、传感器、芯片等设备,例如 国外的三星、LG 等显示面板巨头,高通、英伟达等芯片巨头,以及国内的京东方、华为等 优势硬件企业。

VR 头显产品集成商:通过整合 VR 设备零部件并打造控制系统,实现面向零售端的 VR 头 显设备打造。VR 头显在外接式头显领域形成 Oculus、HTC 两强争霸的格局,在移动式头显 领域形成三星 Gear VR 一家独大的局面,2017 年市场占有率达到 71%。在一体机领域,各大 巨头正在齐头并进。与此同时,国内的各大 VR 厂商也在崛起,华为在 2019 年亚洲消费电子展上推出了自己的 VR 头显产品。

4.3.2. 软件

VR 产业链的软件阵营包括 VR 开发工具、VR 平台和 VR 内容:

VR 开发工具:是 VR 影音、游戏及各类行业应用实现的软件基础。VR 开发工具包含由 VR 头显厂商提供的底层 SDK,如 Oculus SDK、OpenVR,以及由成熟的游戏引擎开发商提供的 上层高效开发工具,如 Unity VR 和 Unreal VR 等。

VR 平台:是连接 VR 设备与 VR 内容的枢纽,同时也具备极强的 VR 用户导流平台效应。目 前 VR 平台主要包括索尼的 PlayStation Store,依托于索尼 PS 游戏生态发展;Oculus 公司的 Oculus Store,依托于 Oculus 头显用户社区发展;Valve 公司的 Steam VR,依托于 Steam 游戏 平台发展。

VR 内容:VR 内容千变万化,在 ToC 领域主要以中小开发者为主,在 ToB 领域主要以专业 开发者为主。在 ToC 领域,VR 内容仍处于逐步丰富的过程中,除少数游戏大厂提供的 VR 大作外,多数是社区中小爱好者开发的创意性应用。在 ToB 领域,VR 与各类实际行业应用 结合已取得不俗进展,在医疗、抢险训练等领域均有建树。

5. VR/AR的应用遍地开花

5.1. VR 的行业应用

5.1.1. 医疗+VR

VR 正在渗透医疗行业的各个领域,目前比较成熟的应用主要包括虚拟医疗游戏、沉浸式虚 拟环境治疗以及手术模拟训练。

虚拟医疗游戏:通过 VR 医疗游戏的方式实现缓解患者症状、解开心理障碍的目的。洛桑联 邦理工学院领导的科学小组则使用 VR 技术来帮助截肢患者有效接受假肢,从而帮助患者避 免掉感受到瘙痒,或是不自主的抽搐等“幻肢综合症” 。美国杜克大学通过使用基于 VR 的模 拟和脑波控制的机器人套装,帮助 8 名患有严重脊髓损伤的患者在经过长达 12 个月的训练 计划后,设法恢复了对下半身的部分神经控制。

沉浸式虚拟环境治疗:为患者创建特定环境的模拟,减轻医生的工作量,提供能够对症下药 的治疗氛围。沉浸式虚拟环境治疗已在抑郁症预防领域取得一定进展。美国多所高校和研究 院所研究人员展开合作,开发模拟了多个可能会导致抑郁症的情况,帮助青少年了解自我, 加强预防。

手术模拟训练:VR 技术可用于帮助医生进行诊断或提供医学生的教学和培训。外科医生的 培养需要大量手术实践训练,而实际的临床机会却有限,VR 恰恰是帮助外科医生进行实践 的最佳工具。目前,北京医学科学院阜外医院已经采用 VR 技术帮助培训医生进行心脏手术。

5.1.2. 抢险训练+VR

VR 在抢险训练领域得到了广泛的应用。在强核辐射、强化学毒物蔓延的环境下,抢险类工 作存在高度危险性,因而灾害环境下的抢险队员训练变得尤为重要。传统的抢险训练往往通 过在物理相似的这是环境下实现,难以达到高危抢险环境真实的训练标准。利用 VR 设备搭 建的模拟环境将更加有助于抢险队员的实战训练。目前,国内外科研院所已提供火灾、氢气 爆炸、核泄漏等应用场景下的 VR 抢险训练系统。

ar 人工智能(人工智能的应用)

5.1.3. 游戏+VR

游戏是 VR 在 ToC 领域最坚实的应用场景之一,也是未来 VR 大规模落地潜力最大的驱动因 素。尽管 VR 在近两年的发展逐步放缓,VR 相关厂商始终在每年发布几款高质量游戏大作。 仅在 E3 2018 游戏展上,13 款 VR 游戏即公开面世,其中包括《上古卷轴:刀锋》、《 德军总 部:网络骑兵》等。

5.1.4. 视频直播+VR

视频直播是 VR 在 ToC 领域推广的又一有力方向。VR 视频直播能够是观众真正体验到三维 化身临其境的感受,目前在各类体育赛事中已得到广泛应用。VR 直播主要包括现场全景拍 摄、拼接、编码推流、传输分发和终端播放 5 大环节,鉴于国内直播市场的持续火爆,国内 各中小创公司持续投入,VR 直播有望成为我国 VR 进一步推广的爆发点。

5.2. AR 的行业应用

5.2.1. 游戏+AR:

Newzoo 公司的数据显示:2018 年全球游戏业收入规模有望达到 1379 亿美元,将比 2017 年 增长 13.3%。移动终端游戏是最大的部分,收入可达 703 亿美元,占据游戏市场的 51%。

到 2020 年,Newzoo 公司预计全球游戏市场将扩张到 1285 亿美元,其中手游收入将占全球 游戏市场总规模的 40%。手游相对份额的增长源自手游对 PC 端游戏、页游、电视游戏、平 板游戏的挤压。

AR 应用中,游戏将是首个发展起来的消费者市场,手游未来的强势表现将有利于 AR 游戏 的繁荣。AR 为游戏玩家提供更强大的交互方式,玩家可以不受线缆、主机的限制,在真实 的环境中游戏,与环境交互将是未来 AR 游戏发展的方向。

5.2.2. 教育+AR

AR 技术有潜力成为新一代教学工具,教师可以使用 AR 产品与学生产生更多教学互动,提 高教学效率,甚至有可能会给教学方式带来一场革命。

根据艾瑞咨询测算,2018 全年中国互联网教育市场交易规模达2517.6 亿元人民币,同比增 长 25.7%。在 2009-2018 期间,国家财政性教育经费增长高达 252.38%,年均复合增长率 9.70%。与此同时,我国财政性教育经费占 GDP 比重不断增长,在 2018 年占比达 4.11%

在 AR 教育方面,谷歌在 2015 年推出虚拟现实教学工具 Google Expeditions Pioneer Program,并在 2017 年在其中加入 AR 功能“Expeditions AR”。 2018 年,谷歌逐步丰富 Expeditions,计划讲题打造为 VR/AR 一体化教育平台,从而将 AR 技术普及到全球的课堂。 微软的 AR 头盔 HoloLens 已经和多家教育机构合作,正将 AR 应用于大学、医学教育培训 等教育场景。苹果推出 ARkit 开发平台,一跃成为最大的 AR 平台,预测未来 AR 内容企业 会利用 ARkit 开发各种 AR 教育内容。

在具体应用软件方面,爱尔兰 3D4Medical 公司推出的医学教学的 AR 应用 Project Esper, 它可以将人体的构造以 3D 的形式呈现在现实环境中,主要应用于医学解剖教学。它用 6500个人体模型的大数据来为医学生和教师提供高度详细和准确的解剖模型,医学生可以更加直 观地看到人体模型立体结构。

ar 人工智能(人工智能的应用)

5.2.3. 工业+AR

AR 可以应用于以下工业领域:辅助工业制造、辅助工业维修、辅助工业设计。

AR 一词最早就诞生于辅助工业制造。1990 年波音工程师为了解决线束难以安装的问题使用 了一种抬头透视装臵,它依据头部摄像头采集的场景生成数字 CAD 图,自动从完整的安装 指导书提取匹配当前场景的部分,生成当前操作的安装指导虚拟图像,叠加到真实视野场景 里。“Augmented Reality”这个英文词组由此诞生。20 多年后波音还基于谷歌眼镜开发了满 足线束装配的 AR 应用软件。

ar 人工智能(人工智能的应用)

2016 年世界名牌电梯厂商蒂森克虏伯公司与微软合作,为其旗下 24000 名技术工人配备 Hololens 眼镜,以便能够在安装、检修电梯设备的时候获得更及时、更便捷的技术支持。蒂 森克虏伯公司表示,通过 HoloLens,仅需 20 分钟就能解决以往需要2 个小时才能解决的问 题,相应节省的成本完全可以抵消购买 HoloLens 的成本。

在工业设计方面,AR 可以突破 2D 平面,辅助在三维空间中进行设计创作;同时可以帮助设 计师评估在不同的应用环境中设计方案的表现。

5.2.4. 电子商务+AR:

随着AR 技术应用的不断完善和推广,AR 技术在各领域的应用为人们带来了不一样的体验, 在电商行业亦是如此。

2017年 11 月3 日,亚马逊联合苹果商城,上线了基于 AR Kit 的 AR View的购物功能,它 的目的是帮助客户做出更好的购物决策。顾客可以通过 AR View将亚马逊网站中的商品覆盖 在现实空间上,将其移动并旋转,在实时相机视图中获得 360 度视图,确保商品符合用户喜 欢的风格。

在 11 月 30 日,天猫与 Nike 合作,用户通过 AR BUY+可在 AR 虚拟与现实互动中了解 Nike Air Force 的经典历史。12 月阿里又与星巴克合作,通过 AR 顾客可以探索星巴克“从一颗咖 啡生豆到一杯香醇咖啡”的故事。

淘宝+天猫有全球最丰富的商品体系,也有海量的用户与商品的浏览、评价等互动大数据, 而这些数据都可以通过 AR BUY+整合到线上+线下的场景中,成为新零售的重要的技术创新 互动方式,助力品牌商更高效的向新零售转型。AR 零售商业化的成功,无疑会加大阿里在 AR 方向上的战略投入。

5.2.5. 医疗+AR

在医疗领域,AR 主要可以应用于以下方面:帮助失明和视障人士获得独立性、三维影响建 模、用于儿童的辅助治疗等。

ar 人工智能(人工智能的应用)

帮助失明或视障人士“重见天日”,一般有两种方法。第一种是绕过视网膜直接向大脑传送 图像的神经信号。典型产品是 Second Sight 公司发布的 Argus II Retinal Prosthesis,通过 佩戴装有摄像头的眼镜将视频信号转化为电流脉冲直接传输至眼球的电极,电极再去刺激特 定的神经细胞,患者可以产生视觉感。第二种方法是以耳代眼。典型的产品是 OrCam,它 通过摄像头识别周围环境,再将摄像头拍摄到的视觉信息以音频方式传输到用户耳中。

OrCam 产品价格相当于中档助听器,售价为 2500 美元,发达国家中产阶级大多可以接受。 据 OrCam 数据,美国有 2120 万成人受先天或后天引起的视障困扰,全球大约有 3.2 亿成人 患有严重的视力受损,其中有 5200 万人属于中产阶级。

AR 技术通过术前三维影像重建,能够克服术者腔镜视野下手术操作的诸多不便,为术者提 供更准确的解剖信息,故近年来在医疗领域发展迅速。湖南省肿瘤医院曾借助增强现实技术, 为患者完成了胸壁肿瘤切除加胸壁重建手术。另外在整容方面应用前景广阔。ILLUSIO 公司 使用 AR 技术捕捉病人躯体曲线的影像,之后将不同的整容方案模拟影像投射、叠加在整容 者身上,以 3D 影像呈现术后可能的物理变化,让整容者可以直接观看手术前后的改变。

AR 也可以用在儿童辅助治疗上。密歇根大学 C.S. Mott 儿童医院就一直在用 AR 技术帮助 孩子们在术前冷静下来,并在术后辅助康复。创业公司 ALTality 致力于增强现实疗法应用的 开发,其开发的 SpellBound 可以将儿童的书籍或卡片转换为3D 互动体验。使用 SpellBound 时,将移动设备放在其中一个图书或卡片上,然后用动画、音乐和声音看到以 3D 形式出现 的人物,动物和场景。互动是在认证的儿童生活专家和康复工程师的帮助下设计的,注意力 分散治疗和运动技能康复方面效果明显。

5.3. 未来 VR/AR 的应用场景展望

VR/AR 在应用领域的渗透绝不会仅仅局限于以上领域。根据腾讯科技预测,VR/AR 在房地 产、零售、军事等领域同样存在巨大的潜在市场,预计 2020 年总体规模将达到 150 亿美元, 2025 年将进一步增长到 350 亿美元。

(报告观点属于原作者,仅供参考。报告来源:安信证券)

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