發(fā)布時(shí)間：2020-01-16 10:41 | 標(biāo)簽：
AR 硬件 光學(xué) HTC VIVE X
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作者：梁宏恩，HTC VIVE X加速器，VR陀螺授權(quán)首發(fā)
Magic Leap作為最早開始被人記住的AR硬件公司，迄今為止的融資總額達(dá)到了26億美元左右，它的股東包括了谷歌、高通、JP Morgan、阿里巴巴以及后來入場的日本電信NTT；Apple早在2013年就開始為自己的AR硬件鋪路，2018年更是直接收購了生產(chǎn)用于AR眼鏡上的波導(dǎo)反射鏡片公司 Akonia Holographics，同時(shí)也在一邊申請了200多個(gè)包括頭戴式顯示系統(tǒng)在內(nèi)的AR硬件相關(guān)技術(shù)專利；不僅國外大廠如此，國內(nèi)的眾多AR硬件生產(chǎn)公司也在2019年年初紛紛拿到了風(fēng)投，在短短的幾個(gè)月內(nèi)，出現(xiàn)了近十筆涉及AR硬件核心技術(shù)的投資，每筆規(guī)模都在數(shù)千萬人民幣以上。
盡管所有人都認(rèn)為AR會(huì)變成像智能手機(jī)一樣強(qiáng)大，但是我們至今仍未能夠在市面上看到一款令人滿意的AR眼鏡，這樣龐大的投入和關(guān)注都未能帶來一款撐得起口碑的產(chǎn)品，AR眼鏡的難點(diǎn)究竟是什么？
Part 1
AR產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵部分
首先讓我們來看看AR硬件整個(gè)生態(tài)現(xiàn)在的情況如何。我們抽取其中最關(guān)鍵部分歸納為光學(xué)、整機(jī)、操作系統(tǒng)及軟件開發(fā)工具 、內(nèi)容 。
簡單來說，AR眼鏡的光學(xué)部分 ，就是智能手機(jī)的屏幕。AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，Argumented Reality）本質(zhì)上是將設(shè)備生成的影像和現(xiàn)實(shí)世界重疊，大部分的技術(shù)都是通過光學(xué)組件進(jìn)行反射、折射、衍射，最終到你的視網(wǎng)膜上成像。
現(xiàn)在 AR 的光學(xué)，依然處于發(fā)展階段。早期的AR產(chǎn)品，大概類似于諾基亞年代手機(jī)的屏，亮度低，可視角小，笨重，耗電。而以不同的光學(xué)技術(shù)為核心制造出來的AR眼鏡，存在著相當(dāng)大的差別，甚至可以理解為不同的物種；沒有一個(gè)統(tǒng)一的產(chǎn)品形態(tài)，內(nèi)容、平臺(tái)等等的生態(tài)只是沒有基礎(chǔ)的空中樓閣。
在我們看來，AR光學(xué)一天沒有標(biāo)準(zhǔn)，不能做到大視角、輕便、省電、低成本，AR眼鏡就不可能普及。AR光學(xué)是創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)能突圍而出的領(lǐng)域，所以也是VC投資的熱點(diǎn)，當(dāng)然也是這整個(gè)文章的重心所在。
手機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈最賺錢的就是整機(jī)，目前全球范圍內(nèi)，最有實(shí)力而且已經(jīng)制造出最完整的AR眼鏡整機(jī)的兩大企業(yè)，分別是微軟和Magic Leap。他們不但制造整機(jī)，還開發(fā)自己的AR OS/SDK，光學(xué)模組，內(nèi)容，甚至AR芯片。
國內(nèi)的大部分AR整機(jī)廠商，都是初創(chuàng)企業(yè)，技術(shù)和資源都不可能和微軟、Magic Leap相比。主要是利用國內(nèi)完善的加工產(chǎn)業(yè)鏈，推出自己的整機(jī)產(chǎn)品，但多數(shù)不掌握核心部件的研發(fā)能力。目前看來，國內(nèi)的AR整機(jī)廠，優(yōu)劣還是看產(chǎn)品化的能力，和2B/2G的市場能力。但當(dāng)AR眼鏡由2B轉(zhuǎn)變?yōu)?C市場時(shí)，手機(jī)的大廠一定會(huì)進(jìn)場，2B的市場能力也不再適用。
如果未來AR眼鏡會(huì)和智能手機(jī)一樣的普及， AR眼鏡的OS（Operation System，操作系統(tǒng)）會(huì)是AR生態(tài)鏈的最頂端，就好像IOS和安卓在手機(jī)產(chǎn)業(yè)的地位。但目前蘋果和谷歌也沒有正式推出（再推出） AR眼鏡的產(chǎn)品，當(dāng)然也沒有相關(guān)的OS。目前除了微軟和Magic Leap有自己AR眼鏡的 OS 外，其他大多 AR眼鏡整機(jī)的 OS，也是改自安卓。目前看起來，AR 眼鏡的OS，初創(chuàng)企業(yè)很難能和世界科技巨頭競爭。
從軟件開發(fā)工具（SDK，Software Development Kit）來說，雖然蘋果和谷歌沒有推出 AR 眼鏡的OS，但卻推出了手機(jī)/平板用的ARKIT和ARCore，給內(nèi)容商發(fā)開發(fā)AR應(yīng)用，理論上是為了 AR 眼鏡的生態(tài)建設(shè)鋪路。華為，百度，網(wǎng)易等也有提供類似的AR SDK。微軟和Magic Leap，也提供了其AR 眼鏡的SDK，他們的SDK，可能就是和其他國內(nèi)AR整機(jī)企業(yè)的最大差別之一。沒有完善的SDK，也不會(huì)有第三方去開發(fā)；很多中國的整機(jī)商，團(tuán)隊(duì)以硬件為主，能否提供完善的SDK也是一個(gè)非常重要的能力體現(xiàn)。
另外一個(gè)層面上來說，AR SDK的功能和傳感器相關(guān)，目前 AR 眼鏡應(yīng)標(biāo)配什么傳感器也沒有定論，因此對于SDK的市場機(jī)會(huì)，目前還是言之尚早。更廣義地講，AR SDK也包括AR云等，如美國的Ubiquity6，去年拿了近3千萬B輪，投資機(jī)會(huì)還是存在，但目前看來不多。
除了微軟和Magic Leap以外，很少獨(dú)立內(nèi)容開發(fā)者為其他AR整機(jī)開發(fā)應(yīng)用，原因也很簡單，微軟和Magic Leap 的AR整機(jī)加起來也沒有多少量，更不要說其他廠商了。
不少中國的AR整機(jī)廠商，會(huì)針對B端的客戶定制內(nèi)容，以項(xiàng)目形式，軟硬件后臺(tái)系統(tǒng)整合的方案高價(jià)出售。因?yàn)闆]有獨(dú)立內(nèi)容開發(fā)者，有些整機(jī)連SDK都沒有提供，更不要說應(yīng)用商店等平臺(tái)。AR的手機(jī)內(nèi)容，有可能會(huì)出現(xiàn)爆款游戲；但目前AR眼鏡的內(nèi)容，暫時(shí)沒看到有成為殺手級應(yīng)用的可能性，也代表沒有多少投資機(jī)會(huì)。
我們整理了目前市面上部分AR領(lǐng)域供應(yīng)商，并進(jìn)行了分類，通過對比可以清晰地看到目前整個(gè)行業(yè)的分布和各家所長。
通過以上的分析，我們可以清楚地看到，目前AR眼鏡的窘境是在于一個(gè)被普遍認(rèn)可的產(chǎn)品形態(tài)仍然沒有被清晰地定義出來，其中最為關(guān)鍵的部分，就是產(chǎn)品所采用的AR光學(xué)。
Part 2
AR光學(xué)的分類
那么，目前市面的AR光學(xué)方案有哪些？它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是什么？
正如前文所講，AR光學(xué)在AR產(chǎn)業(yè)鏈里目前最有投資看點(diǎn)，坊間也有一些相關(guān)AR光學(xué)的專題文章，但是普遍來講，分類過度著重如光路設(shè)計(jì)，材料等技術(shù)，一般讀者和甚至投資人難以理解。
我們嘗試以產(chǎn)品的外觀，成像效果，使用場景和成本等分類，再加以技術(shù)細(xì)分，讓大家更容易明白和記住。以下我們把AR光學(xué)，分成小棱鏡類，曲面反射類（大曲面，小曲面），光波導(dǎo)類（反射光波導(dǎo)，蝕刻光柵波導(dǎo)，全息光柵波導(dǎo)），小孔成像等其他類別。
I) 小棱鏡類Prism
Google Glass上使用的光學(xué)方案。通過投影到帶有切割反射面的小棱鏡上成像，光的傳播路徑上，較多采用半透半反平面和球面的反射的方式（稱為Birdbath）。也有采用其他鏡面做反射的產(chǎn)品，但普遍以棱鏡為主。一般視場角約20度，重量約50克。
棱鏡的光學(xué)部分成本大概只需小幾十美金，方案比較成熟，技術(shù)門檻低，已經(jīng)有多家廠家推出過類似產(chǎn)品。由于重量輕，容易布置到普通眼鏡上，在很多信息提示的應(yīng)用場景中被推薦使用，例如公安執(zhí)法，工業(yè)遠(yuǎn)程協(xié)助。因?yàn)椴粫?huì)遮擋人眼的視線，有案例指出，工人在工業(yè)使用中認(rèn)為棱鏡類方案甚至比微軟Hololens2更方便實(shí)用。
因?yàn)橐晥鼋切?，小棱鏡類方案大概只能成為Apple Watch或小米手環(huán)等顯示通知的配件，是沒可能實(shí)現(xiàn)Magic Leap的鯨魚在體育場跳水的AR效果，和大眾對AR的期望有差距。除了個(gè)別行業(yè)應(yīng)用，小棱鏡類很難會(huì)出現(xiàn)消費(fèi)級的產(chǎn)品。
II) 曲面反射類Surface Reflection
曲面反射類主要利用鏡面反射的原理成像，在光傳播路徑的設(shè)計(jì)上，可采用Birdbath方式，或投影到鍍膜曲面上進(jìn)行反射（稱為離軸反射）等光學(xué)方案。但以光路和組合鏡的方式來劃分對普通讀者過于復(fù)雜，所以我們只簡單分為大曲面與小曲面類。大曲面與小曲面的類別的區(qū)分其實(shí)并不嚴(yán)格，市場上有一些產(chǎn)品已處于分類的邊界。
1. 大曲面類Big Curved
視場角最大（110度）的光學(xué)方案，也就是前些年星戰(zhàn)AR頭顯的方案。成本低（小幾十美元），技術(shù)成熟，良好的成像效果和超大視場角，帶來很高的沉浸體驗(yàn)，但體積過大，不便于日常長時(shí)間佩戴，但用戶可以戴眼鏡，市場機(jī)會(huì)在線下AR游戲，主題樂園，教育和工業(yè)培訓(xùn)等。目標(biāo)市場明顯，但技術(shù)門檻低。
（如圖：眼前一塊較大反射鏡片或蟲眼式鏡片，體積一般較大類似頭盔，覆蓋到額頭的位置，整體眼鏡向前突出）
2. 小曲面類Small Curved
接近普通眼鏡外觀的曲面反射眼鏡，市場上目前具有高性價(jià)比。小曲面類可以有棱鏡組合或鍍膜反射鏡組合，原理基本上與大曲面類似，但是得益于超小的顯示器件，垂直高度非常緊湊，集成傳感電路后，體積和厚度也可做到太陽眼鏡大小。一般地，視場角可以做到30-50度，空心的小曲面模組重量很輕只有約10克。
小自由曲面眼鏡成本較低，成像效果優(yōu)良，體積也適合佩戴。使得在最近的一段時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)了不少采用此方案的新產(chǎn)品上市，看似是未來一兩年國內(nèi)AR產(chǎn)品主流。
不過，小自由曲面依然需要一定的厚度來形成反射鏡，所以無法最終做到如同普通眼鏡的厚度。還有大多數(shù)鏡片表面有明顯的反射圖案，影響佩戴者形象上的親切感。
小曲面模組一般單個(gè)帶顯示電路的模組價(jià)格在200美金左右。
III) 光波導(dǎo)類Waveguide
光波導(dǎo)方案，利用光在玻璃鏡片中的全反射原理，可以做到在一塊僅為2mm厚度的鏡片上傳輸影像。產(chǎn)品在重量大小和形態(tài)上是最接近傳統(tǒng)眼鏡，長遠(yuǎn)來說是最有潛力的消費(fèi)級AR光學(xué)方案。
1. 反射光波導(dǎo)Reflective Waveguide
市場上最早出現(xiàn)的近似普通眼鏡的AR方案。反射光波導(dǎo)利用投影光在超薄玻璃中全反射，到特定位置反射入眼成像。視場角約30-50度，重量可以到100克以內(nèi)。
反射光波導(dǎo)早期由于做到接近于日常佩戴眼鏡的厚度的觀感而受到高度關(guān)注。因?yàn)槿实姆瓷?，使得鏡片很薄的同時(shí)，成像效果清晰，色彩還原度高。
但是以色列廠商LUMUS在此方案上積累了很多的專利，國內(nèi)外大部分廠家要出口產(chǎn)品的話，目前都很難繞過。而且陣列反射光波導(dǎo)因?yàn)楸旧砉に嚨膹?fù)雜（玻璃的切割、鍍膜、粘貼、打磨），造成了生產(chǎn)良率較低，很難提高，所以單片光學(xué)模組成本較貴。
反射光波導(dǎo)帶顯示電路的模組價(jià)格高達(dá)數(shù)百美元。
2. 蝕刻光柵波導(dǎo)DOE
目前微軟和Magic Leap的AR眼鏡方案采用的光學(xué)方案。衍射光波導(dǎo)利用投影光在超薄玻璃中全反射，在特定位置遇上蝕刻的光柵，發(fā)生衍射現(xiàn)象，折射成像。視場角目前大約30-50度，整機(jī)重量數(shù)百克。
衍射光波導(dǎo)只需要在鏡片上蝕刻壓印出規(guī)律性的紋理，所以可以用很小的面積來成像。也有廠家通過多層鏡片的疊加，做出多個(gè)焦距的畫面。蝕刻的工藝可以采用半導(dǎo)體行業(yè)成熟的制造技術(shù)，所以大批量生產(chǎn)時(shí)良率很高，成本遠(yuǎn)低于幾何光波導(dǎo)方案。半導(dǎo)體工藝與設(shè)計(jì)的要求，使得技術(shù)和資金壁壘很高。
但是光的衍射會(huì)造成色散，使得畫面成像時(shí)需要按照色彩的分布規(guī)律重新繪制圖案，需要一定的算法設(shè)計(jì)能力，由于原理上的缺陷，依然會(huì)出現(xiàn)色彩與原圖案的差別，普遍存在色彩還原度較差的問題，畫面出現(xiàn)彩虹效應(yīng)。
目前帶顯示電路的衍射波導(dǎo)模組，價(jià)格高達(dá)數(shù)百美元，但長遠(yuǎn)來講，量產(chǎn)成本會(huì)逐步降低。
3. 全息光柵波導(dǎo)HOE
最接近普通眼鏡形態(tài)的全彩色AR眼鏡，但也是最不成熟的方案。全息光波導(dǎo)利用光在超薄玻璃中全反射，在特定位置遇上全息材料的薄膜，反射成像。雖然名稱中有全息，但只是利用了全息照相的原理在鏡片上制作一層薄膜，并非代表成像效果具有全息景深。一般視場角約30-40度，整機(jī)重量可以在100克以內(nèi)。
全息光波導(dǎo)可以在曲面形狀的單層鏡片上進(jìn)行曝光形成全息膜，所以可以生產(chǎn)出最接近傳統(tǒng)有曲面的眼鏡的AR產(chǎn)品。而且不需要大型的生產(chǎn)設(shè)備，成本只依賴玻璃和全息膜，可以做到最便宜的光波導(dǎo)方案。
但是全息鍍膜的化學(xué)一致性較難控制，而且全彩色時(shí)有圖像色彩吻合等問題，暫時(shí)沒有成熟的彩色量產(chǎn)產(chǎn)品。
全彩色的全息波導(dǎo)的光學(xué)鏡片，價(jià)格一般幾十美元，甚至有團(tuán)隊(duì)宣稱未來可以做到接近20美元。
順便提一下，部分采用全息成像的AR眼鏡無需光波導(dǎo)材料作為傳播介質(zhì)，直接反射成像，可稱為全息光柵透鏡技術(shù)。產(chǎn)品輕便度和成像效果與全息波導(dǎo)類產(chǎn)品類似。例
IV) 其他類別
1. 小孔組合鏡類Pinhole Mirror
異軍突起的高性價(jià)比AR方案。利用光波導(dǎo)與帶微結(jié)構(gòu)的小孔陣列進(jìn)行成像。小孔微結(jié)構(gòu)可避免了一般組合鏡較復(fù)雜的合并工藝，可以在很薄的鏡片上實(shí)現(xiàn)，而且折射角度可以更大。視場角號(hào)稱80度，重量可以100克內(nèi)。
小孔組合鏡通過波導(dǎo)材料傳輸圖像到幾個(gè)小孔中發(fā)生反射，完成成像，需要一定的設(shè)計(jì)能力。生產(chǎn)成本只依賴于鏡片與小孔加工的難度和一致性。而且小孔成像的視場角很寬，光線沒有散射現(xiàn)象，圖像還原度高。
目前根據(jù)看過樣品的人的反映，需要靠近到鏡片很近的位置，才可以看到成像效果，但是畫面清晰。
韓國的Letin AR是此領(lǐng)域的領(lǐng)先者，目前市場上還沒有量產(chǎn)產(chǎn)品。
此外Vive X第二期的舊金山初創(chuàng)公司Kura AR近期推出了名為Gallium的AR眼鏡，其中也采用了Pinhole Mirror類的技術(shù)，號(hào)稱視場角可以做到150度。
2. 視網(wǎng)膜投影
坊間有不同的名字，包括視網(wǎng)膜成像，激光掃描等。
由低功率的激光光源，通過MEMS上的鏡片掃描反射，不需要通過角膜和晶狀體聚焦，接射入視網(wǎng)膜成像。優(yōu)點(diǎn)是高亮度（20000nit)，功耗超低，F(xiàn)OV大（70度）。
但利用激光進(jìn)行視網(wǎng)膜投影遇到的主要挑戰(zhàn)是可視范圍非常?。ㄗ⒁猓嚎梢暦秶涂梢暯荈OV不是同一個(gè)概念），也就是眼球稍微移動(dòng)后，激光掃描的成像點(diǎn)就會(huì)有所偏差 ，無法實(shí)現(xiàn)清晰成像。要製造成AR眼鏡，需要非常精確和快速的眼球追蹤，甚至要比目前市面上Tobii和七鑫易維還要精確十倍以上才能實(shí)現(xiàn)。
因?yàn)槿魏我暰W(wǎng)膜的損傷，都是不可逆轉(zhuǎn)的，盡管激光的功率多低，直接用激光投到視網(wǎng)膜，都是有一定的風(fēng)險(xiǎn)，最終用戶和廠家大概不太愿意承擔(dān)。
我們曾經(jīng)在國外親身體驗(yàn)視網(wǎng)膜成像，和精確的眼球追蹤，光度足以在白天的天空中成像，但產(chǎn)品原型的體積仍然較大，基于保密原因，我們不能透露更多的信息。
如圖為日本半導(dǎo)體激光器研發(fā)、制造和銷售公司QD Laser的RETISSA Display II眼鏡。
3. See Through模式
通過VR設(shè)備的前置攝像頭采集周圍環(huán)境，再在屏幕中展示合成的圖像。優(yōu)點(diǎn)是FOV很大，技術(shù)成熟，虛擬影像可以深度融合現(xiàn)實(shí)世界，舉個(gè)極端例子，你可以把眼前的女生實(shí)時(shí)換臉，換裝，這是之前所說的AR技術(shù)都做不到的。
目前主要問題是VR設(shè)備比較大，像素相比視網(wǎng)膜還不算高。而且重新合成圖像比肉眼觀察周圍實(shí)景有一定的延遲。但未來的VR設(shè)備會(huì)越來越輕薄高清，延遲的問題也會(huì)因算力的提升和5G而解決。See Through也有可能成為未來AR的一個(gè)強(qiáng)力選項(xiàng)。
4. 其他組合鏡
AR光學(xué)依然在發(fā)展階段，下圖是 SIGGRAPH 2019 上出現(xiàn)的NVIDIA AR光學(xué)方案，融合了棱鏡、小曲面、全息HOE等等光學(xué)組件。
Part 3
為了更好地對比，我們整理了下面這張表格，其中以消費(fèi)者的角度，建立了以下幾個(gè)維度：
最后我們也整理了市場上多數(shù)整機(jī)產(chǎn)品的光學(xué)方案。
MP：規(guī)模量產(chǎn) PT：產(chǎn)品原型已完成 ODM：由第三方設(shè)計(jì)
本文作者：梁宏恩，HTC VIVE X加速器 資深技術(shù)經(jīng)理
HTC VIVE X加速器 從2016年開始聚集AR/VR行業(yè)的早期投資，接觸近千家AR/VR創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，投資過百個(gè)創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，為多家VC、行業(yè)伙伴提供決策咨詢。
Vive X 加速器得益于Vive在VR AR產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先地位，一直以來得到行業(yè)內(nèi)很多伙伴的支持，我們有幸可以看到來自包括歐洲，以色列，美國，日本等不同公司的領(lǐng)先的解決方案。我們也會(huì)持續(xù)地為行業(yè)投入資源，幫助初創(chuàng)企業(yè)快速成長。
希望能夠通過這樣一篇文章，來讓更多的投資人以及行業(yè)伙伴了解目前AR硬件以及AR光學(xué)的發(fā)展，歡迎各位有興趣的讀者與我們交流。
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