5G来临，AR/VR行业或将回暖。产业链的布局正以提升硬件性能和价格优势为先，同时注重应用生态构建。预计在五年内，光学组件、感知交互系统、开放性应用平台将依次成熟，助力AR/VR二次爆发。
一、“云管端”三步走，AR/VR有望在2025年实现深度沉浸
VR 又称虚拟现实，以沉浸式的视听模拟为用户重构虚拟世界。其侧重于游戏、直播、影视和社交等消费端市场，对显示画质有较高要求。而AR指增强现实，强调虚拟信息与现实环境的 “无缝” 融合。其应用于工业、军事和医疗等领域，更注重感知交互。
虚拟（增强）现实技术可用“云管端”架构进行总结: 终端方面，光学组件和传感器的升级将分别推动近眼显示和感知交互技术的成熟，为用户提供更好的沉浸式体验；管道方面，5G网络传输的高速度、低延时和大带宽将支持AR/VR在视频和游戏等大数据领域的应用；云端方面，云渲染将解决海量数据的处理问题，推动VR/AR终端由主机绑定到独立设备的轻量化转变。
同时，云端化的内容制作和分发也有利于营造开放互通的生态圈。虚拟（增强）现实分为四个阶段：初级沉浸、部分沉浸、深度沉浸和完全沉浸。现在AR/VR 尚处于部分沉浸向深度沉浸迈入的阶段，预计2025年可以实现深度沉浸。
图表1.1虚拟（增强）现实产业链
二、产业链：光学组件，交互传感系统，应用生态依次成熟，引爆AR/VR加速渗透
随着谷歌、索尼和Oculus等公司推出了消费级头戴显示器，AR/VR行业从探索导入期迈向了商业化初期。但在一波热潮过后，其又因硬件设备价格过高而陷入了泡沫化底谷。当前，AR/VR行业呈现回暖趋势。据IDC预测，2020年全球AR/VR市场相关支出规模将达到188亿美元。在此基础上，全球相关产品与服务投资也将持续高速增长。中国市场的AR/VR技术相关投资将于2020年达到57.6亿美元，在全球市场份额中位列第一。
然而，虚拟(增强)现实的商用化之路仍然任重道远, 显示画质粗糙、晕动症明显等终端问题尚未解决，应用内容的缺乏也浇灭了消费者的热情。AR/VR 产业链的布局应当以提升硬件性能和价格优势为先，并注重应用生态构建。
当前，AR/VR “云管端”中的5G网络管道已经技术落地。未来，终端设备中的光学器件将首先迎来突破，以性价比带动设备放量。而后，感知交互系统有望成熟，人机协作进一步提升。最后，云端内容制作平台的生态构建将加速AR/VR渗透，形成“硬件平台迁移——内容厂商丰富内容——终端进一步普及”的正循环。
图表2.1虚拟（增强）现实发展历程
2.1 终端：光学系统的发展将实现画质提升，推动近眼显示技术成熟
由于目前VR眼镜的分辨率不足，用户在沉浸体验时会产生纱窗效应。低分辨率会使VR图像有强锯齿感和粗糙边缘，所以计算机在实时渲染过程中会引发细线条舞动，高对比度边缘会出现分离式闪烁。人眼直接看到显示屏的像素点，就好比在纱窗之后看东西。
图表2.2低分辨率导致的纱窗效应
图表2.3不同场景下的视场角（FOV）
消除纱窗效应的方式是使人眼覆盖的视场角具有高分辨率，但当前设备的视场角和角分辨率还有待提升。视场角（FOV）即视野范围。人眼的视场角范围大约为150°×120°。对于工业级产品而言，视场角在30°×40°即可应用于维护和检修等作业场景。但对于消费级产品来说，视场角越大越能满足用户的沉浸体验。
然而，目前国内外代表产品在一定体积与重量的约束条件下，视场角大多仅停留在 90°×90°的水平，和人眼的视野范围还有很大差距。就分辨率而言，当角分辨率达到60 ppd，即视场角中的１度能看到60个像素时，用户就不会产生像素感。但是角分辨在2020年也只能发展到30 ppd, 离60 ppd差距还很大。
图2.4虚拟现实沉浸体验-分辨率需求
目前，提升视场角和角分辨率的关键在于光学系统的升级。由显示镜面和图像元器件构成的光学系统是终端设备的核心，会影响近眼显示效果，决定终端设备性能和设计的受限程度。然而，当前核心元器件的产业存在技术门槛高，技术差距大，企业集中度高，龙头厂商的垄断性强的现象。
1.1显示镜面：光波导性能最优，量产难度大，国内初创企业加速争抢赛道
光波导为性能最优的光学显示镜面，但也是量产难度最高的技术。它可以解决视场角和体积间的平衡问题，使大视角图片在小体积光学镜片中无损复原，在不影响画质的基础上做到轻薄。由于波导只负责传输图像，是独立于系统之外的元件，这种特性也使得显示屏和成像系统可以移至额头顶部或侧面，不遮挡用户视线，设计美观。
图表2.5不同光学系统特点
光波导技术分为几何光波导和衍射光波导。几何光波导的制造工艺繁冗，良品率低；衍射光波导中的浮雕光栅可批量生产，但生产仪器如电子束曝光和纳米压印仪等价格不菲，国内有条件建立生产线的厂家屈指可数。两种技术均有量产难度。
目前，AR上游光波导模组制造商短缺，导致下游厂商生产成本高，设备价格高。比如，采用光波导方案的高端AR眼镜HoloLens的价格为3500美元，是采用普通棱镜的Google Glass的3.5倍。当前世界范围内光波导模组的供应商凤毛麟角，微软和Lumus分别为衍射和几何光波导龙头，独占显示效果、成本和体积优势。
然而，光波导技术的普及需要利用规模化生产降低成本，被主流消费级产品接纳。因此，现国内多家产业链相关公司纷纷加大对AR光波导器件模组的投入，如中光学、苏大维格和歌而股份等上市公司都在攻克批量化生产关键技术。中光学利用光学薄膜核心技术，成功研发了光波导器件；鲲游光电凭借全息光栅技术研制出了极致轻薄，单片多色，高量产型和全天候工作的光波导器件。预计在5年内，光波导将实现良率提升和产能释放。
图表2.6光波导技术分类及生产厂家
1.2图像元器件：Fast LCD 与 AMOLED 争做 “性价比之王” ，新兴Micro LED即将崛起
显示屏是 VR 成像的核心部件，显示屏的分辨率、功耗和尺寸都将影响VR设备的用户体验。目前VR显示屏的性价比成为竞争焦点，主流技术包括LCD和AMOLED，现已相对成熟，并在近两年被主流采用。在AR领域，新兴的Micro LED技术能弥补光波导的缺憾，但现正处于导入期初期，未能实现量产。
图表2.7近眼显示发展趋势图
在VR领域， 传统LCD技术发展较为成熟，几乎没有技术难点，因此生产成本较低，比较适合家庭娱乐领域和中低端消费市场。近年来，新兴Fast LCD技术诞生，改善了传统LCD的高延时缺陷，刷新率可满足现阶段的VR需求。华为VR2支持最新的Fast LCD显示技术，其在延迟测试中仅有17ms～19ms 的偏差，正逐渐向AMOLED靠拢。
AMOLED技术近年来也在不断优化，并在中高端设备市场大受欢迎。对比传统LCD，AMOLED在分辨率和发光效率上更具优势，其响应速度快，有利于减轻眩晕感。它的屏幕模组内部层数较少，可以实现高透光、高亮度和广角可视度。其无需硬质背光层的特点也使它在柔性屏幕上具有很大的优势，在可穿戴设备领域市场潜力十足。同时，它的屏幕可以制造得更为轻薄，适用于移动终端设备。目前，AMOLED已成为 Oculus Rift、HTC VIVE、Sony PSVR三大VR科技巨头的主流技术选择。
当前，Fast LCD的价格约为580元，仍比AMOLED接近千元的价格便宜一倍。但AMOLED 无需背光部件的特性也使其在材料成本上逼近（甚至略低于）LCD，大部分的价格差距来源于低良率、设备折旧和劳动力分摊。近年来国内外AMOLED厂商的良率提升（已达80%到90%），产能释放提速，价格将进一步下跌。我们可以预测Fast LCD 将首先以低价渗透市场，但随着人们对沉浸感体验需求的提升，未来已攻克良率问题的AMOLED将以性能优势逐步替代LCD，并通过规模化量产降低边际成本，压低价格，成为VR显示屏中的主流。
图表2.82017-2025年全球AMOLED面板收益
在AR领域，Micro LED 技术作为强大的图像的元器件，能有效光波导显示亮度低的弊端，成为被看好的新方案。Micro LED为LED 列阵微小化，每个Micro LED 可视为一个像素，能够单独驱动点亮，有助于缩小模组体积。它的结构轻薄，亮度能达到现在所使用的OLED的30倍，分辨率高达1500ppi，刷新速度也以纳秒为单位。因此，Micro LED能实现小尺寸下的低延迟和高画质。
据Trend Force预测，未来Micro LED 将取代300亿美元消费型面板市值和50亿美元车用显示器市值。从2018年开始，三星、索尼、友达等大厂陆续推出Micro LED相关概念性产品，但距离其取代OLED并用于科技设备还需要2到3年。由于Micro LED属于微米级别的“光学芯片”，厂商在LED的巨量转移、黏结和电路驱动方面还存在技术难点，因此其制造成本是传统LED的3-4倍。未来Micro LED的成熟将有赖于上游半导体厂商和下游设备厂商的结盟配合，利用上下游供应链提升研发资源与效率。
图表2.9新一代显示技术指标对比
2.2 终端：感知交互系统将改善“晕动症”，眼球追踪及其衍生技术是发展热点
眩晕感也是影响用户沉浸体验的重要因素,有25% 的消费者认为眩晕感是他们购买设备的主要阻碍。据信通院调研，业界公认的眩晕感主要受三方面因素影响：
一是显示画质的低劣导致用户视觉疲劳，进而引发眩晕反应。例如纱窗、延迟、边缘分离式闪烁等问题影响了用户的沉浸式体验。
二是视觉与其他感官通道冲突，导致用户整体感受紊乱。例如虚拟场景中用户正加速奔跑，而现实世界中人体的位置保持不变，视觉接受的信息和身体感知的信息不对称。
三是双目视差在产生 3D 效果的同时，双目焦点调节与视觉景深不匹配，引起辐辏调节冲突（VAC）。现实世界中人们看不同距离的物体时晶状体会发生变化，使反射到视网膜上的物体镜像有清晰度的改变。然而，VR 头显难以真实反映远近景象在人体视觉中的差异。
在应对三种晕动症诱因方面，光学系统在分辨率和响应速度上的升级只能解决低画质问题，而缓解辐辏调节和多感官冲突则有赖于感知交互系统的优化。目前，Virtuix 公司开发了 Omni 全向跑步机，以加强视觉与其他身体器官的协调配合，缓解感官冲突带来的眩晕感。但在现有产品中，应对辐辏调节冲突的感知交互方案仍未成熟，将是未来发展重点。感知方面，眼球追踪为重点攻克方向。交互方面，注视点渲染和可变焦技术为现阶段主流发展路径。
眼球追踪利用红外光反射获得眼动信息，然后通过计算机或摄像头对视觉中心进行建模测算，最后确定用户视觉的聚散度、瞳孔大小和焦距等数据。眼球追踪集光学显示、传感、图像识别和算法等高精尖技术为一体，技术难度大门槛高，可谓AR/VR的“兵家必争之地”。微软、Facebook和Magic Leap等虚拟（增强）现实龙头企业正加速在此赛道上布局，其眼动专利数量占总专利数的比重不断上升。然而，目前国内自主研发眼球追踪术的企业仅有七鑫易维、青研科技和天蝎科技三家，相关专利数不及美国的十分之一，行业布局还未完全，市场空白大。
基于眼动追踪的感知技术，注视点渲染和可变焦的交互模式应运而生。注视点渲染是在眼球追踪的基础上，针对用户注视点的调整而对不同区域采用不同的渲染分辨率，模拟人眼的景深调节。注视点渲染是目前最普遍的视觉交互方式：英伟达、Oculus、Tobii 、七鑫易维等公司均以注视点渲染辅助眼球追踪，并在VR头显上使用。
可变焦技术则是根据用户的关注区域，通过光学设计实现局部模糊：一种显示屏变焦，另一种透镜变焦。两种方式的典型产品分别有Oculus的Half Home和 Lemnis的Verifocal VR Kit。注视点渲染和可变焦技术可以两者结合，实现技术互补。未来，多焦显示+注视点渲染+眼球追踪有望成为提升虚拟现实沉浸感的关键技术组合。
当前，感知交互的主要环节为信号获取、模式识别、信息理解和信息表达。其中，基于深度相机的三维重建技术贯穿了全四个环节，是推动感知交互发展的重要技术基石。深度相机作为 3D 交互输入端，能提供三维信息以供 AR 设备进行重构和计算，从而渲染出更真实的场景。当前 AR 的深度相机主要采用结构光和 ToF 技术。结构光技术已经相对成熟，但只适合近距离感知，适用于眼球追踪；ToF则能支持远距离探测，更能实现增强现实中的手势交互。
图2.10交互传感系统发展趋势图
2.3 云端：业界标准的建立将打破品牌 “各自为营” 的局面，平台云端化助力C端应用生态构建
从内容应用领域的发展态势来看，虚拟（增强）现实的发展以B端行业应用为主，而C端消费领域内容不足。AR/VR产业若要迎来风口，必须构建良好的应用生态。目前VR应用的生态规模正逐步扩大。据映维网预测，2020年末全球消费市场的VR应用总量将达到13000个以上。目前，苹果、Oculus和HTC等公司陆续创设了其专有开发平台，注重在应用生态方面的布局。
目前VR销售企业大多为平台型公司，形成了终端制造，应用提供和销售的闭环产业链。然而，产业链的闭环完整势必会牺牲应用的兼容性和开发效率。当前VR游戏应用生态的开发主要依靠硬件附属，导致应用内容无法普适多种设备。例如索尼的 Play Station VR 为闭环生态，所对应的硬件只有 Play Station 4 一款。实际上，开放的第三方平台（如Steam）在用户数量和增长速度方面比闭环平台更具优势，因此打破各大平台“各自为营”的局面将成为应用生态建立的关键点。
首先需要构建可适用多品牌终端的应用平台。当前，各品牌终端的专有应用编程接口导致同一应用无法在不同品牌终端上兼容运行，开发者只能多次编写程序。2019年Khronos 组织发布了开放式、无版费的标准规范OpenXR。业内标准的建立简化了AR/VR软件的开发，为游戏软件和硬件设备的绑定解耦，营造开放互通的应用生态。目前，微软已在HoloLens 和 WMR 头显上提供了OpenXR 支持。未来，内容制作将挣脱终端隔阂，迎来爆发式增长。
随着虚拟（现实）硬件设备向轻量化和便携式转型，应用内容将逐步向云端化发展。首先是“SaaS”化，即终端连入软件服务（SaaS）平台，直接由云端向用户提供应用服务，依靠“云计算“和”云渲染”释放终端的储存和计算压力；其次是“PaaS” 化，即将云端化的内容制作平台作为平台服务提供给开发者，真正构建开放互通的应用生态圈。当前，苹果已经发布了“SaaS” 软件Reality Composer，简化了AR应用的开发流程，使其无需编程而只需进行简单的模组搭建。在5G 网络和云计算的支持下，云平台将成为VR/AR产业应用端的核心枢纽，丰富和完善应用，引爆AR/VR加速渗透。
图2.11虚拟（增强）现实生态圈发展
