本文来自微信公众号“建投海外研究”,作者:武超则等。
概要
随着5G建设的进行,新产品和新技术的不断成熟,VR/AR再度获得高度关注,VR/AR经历了从热炒,低谷,到复苏的过程。目前VR/AR的瓶颈包括网络带宽和速率的限制,硬件技术不够成熟,以及内容应用的匮乏。
在网络侧,双G是指5G和千兆带宽,5G主要是室外移动场景,也就是无线基站到移动终端一侧,而千兆带宽+ Wi-Fi6为室内固定场景。二者共同为VR/AR提供更优的管道。本地VR受到用户体验与终端成本的制约,Cloud VR能够解决主要痛点,实现设备轻量化和低成本。
在硬件侧,VR/AR的硬件上仍面临的较大的技术实现难度,远高于手机等传统智能终端,很多技术需要面临从无到有的重大突破。包括近眼显示技术,超高ppi显示屏是VR眼镜的主要技术突破点,光波导将成为AR眼镜未来的主流方案。
在应用侧,在技术的日趋成熟、“双G”部署加速的背景下,我们认为VR将首先在以游戏、直播为主的C端娱乐应用领域落地,并在以教育培训、营销为主的B端垂直应用领域得到发展。其中,游戏、直播存在较强的“粉丝属性”,面向用户群体较大,且适合沉浸式的场景;而VR/AR在B端的教育、培训等领域则有望在高成本、高危险、传统方式无法有效呈现具体知识领域率先落地,为企业创造价值。
参考韩国经验,我们认为在运营商的推动下,VR有望成为最先落地的5G应用场景。在3G/4G时代,运营商主要扮演管道角色,提供网络;5G时代,我们认为三大运营商将逐步在以VR/AR为主的内容领域加深布局。我们认为在中国市场,VR/AR应用同样能够撬动运营商ARPU值的提升,无论是消费者市场或是B2B/B2G市场,围绕VR/AR的内容有望为运营商带来新的商业机会,因此运营商也会积极的推动VR/AR应用的发展,以吸引用户。
从市场规模来看,预计到2023年,全球VR设备年出货量超过3500万,AR进展将慢于VR,到2023年全球出货量也将超过3000万。从终端形态来看,一体机VR将逐步超过PC VR成为最大的市场。
VR/AR产业链条长,参与主体多,主要分为内容应用、终端器件、网络平台和内容生产。重点推荐在该领域具有一定技术能力和经验积累的标的,包括硬件公司瑞声科技(02018)、水晶光电、歌尔股份、京东方等,内容公司建议关注号百控股、芒果超媒、恒信东方等。
目录
正文
VR/AR产业全景初探
VR/AR发展史回顾:从热炒,到低谷,到复苏
2012年,谷歌推出了Google Glass的AR眼镜产品,其后, Oculus被Facebook以20亿美金收购,并推出VR头盔。VR/AR概念进入市场视野,被认为是替代智能手机的下一代终端形态。Facebook和微软先后进入VR/AR市场,包括Sony、三星、HTC等多家大厂开始推出相关的硬件产品,2015-2016年VR/AR市场热度达到高点。但到了2016年下半年,由于商业模式,以及网络、硬件和内容上的瓶颈都没有突破,资本输血式的发展模式并不能够持续,行业开始进入寒冬。按Gartner的新兴技术成熟度曲线(HypeCycle),2018年VR从曲线中消失,意味着虚拟现实技术历经热炒、低谷,已逐步成熟,AR仍处于泡沫破灭的低谷期,有待技术的突破和发展。
随着5G建设的进行,新产品和新技术的不断成熟,VR/AR再度获得高度关注,产业和投融资市场以一种更为理性的角度去看VR/AR产业,并寻找商业模式最先打通的场景,积极推动产业链各环节的商业共赢和发展壮大。
VR/AR投融资趋势:资本回归理性,投融资聚焦内容及硬件设备
随着VR/AR低谷期过去,2019年全球VR/AR迎来了新的发展势头,资本市场也显示出了对该领域的浓厚兴趣。与前几年狂热追逐行业热点不同的是,资本市场在该领域的投资表现得更为理性。根据赛迪研究,从全球市场来看,2019 年全年投融资有望创历史新高。2019年1-10月VR/AR投融资规模达到66.1亿美元,远超过2018年全年44.8亿美元的规模,赛迪预测2019年全年投资额涨幅会超过50%。
分环节来看,全球范围内资本对各环节的青睐程度从内容板块转移至更为基础的硬件板块。2019年1-10月硬件侧受到投融资规模达到33.8亿美元,相比2018年全年大增238%,占比整个投融资额的51.2%,相比2018年全年提升28.9个PCT;相比硬件侧,内容和服务领域资本集中度下降,其中内容板块2019年1-10月投融资规模为15.8亿美元,相比2018年全年下滑22.5%,占比整个投融资额的23.9%,相比2018年全年下降21.6个PCT。
在国内方面,资本对于VR/AR市场依然呈现谨慎观望态度。
从投融资额来看,2015-2018年持续增加,在经过2016年爆发式增长后增速放缓,2019年1-10月总投融资规模达到73.2亿元,接近2018年全年79.7亿元规模,赛迪预测2019年全年总投融资额涨幅在30%左右。
从投融资频数来看,从2015年开始,在2017年达到峰值208次后开始回落,2019年1-10月投融资频数为122次,根据赛迪预测,2019年全年会延续2018年下降趋势,同比会下滑超过10%。但是单笔投资金额上升明显,2019年1-10月单笔投资金额为0.44亿元,同比增加37.5%。
从投融资环节来看,相比于全球VR/AR资本市场,内容环节成为吸引投融资增长最快环节。2019年1-10月内容环节获得投融资额为30.6亿元,相比2017年同比高增83.2%,为各环节第一;全球资本更青睐的硬件环节2019年1-10月投融资规模为22.7亿元,相比2017年同比增长69.4%。赛迪预测2021年中国资本市场投融资会更倾向于硬件设备,占比46.7%,而内容环节占比会下降至39.2%。
从投融资阶段来看,投融资轮次向着更加成熟化的方向发展。2019年1-10月中国VR/AR投融资以A轮及以后轮次为主,占比为51.4%,相比2017年同比增长12.9个PCT,A轮以前轮次相比2017年同比下滑11.8个PCT。同时战略投资规模有所扩大,相比2017年同比增长12.9个PCT。
在内容领域细分来看,游戏和教育领域始终是内容环节投融资的热点。2019年1-10月游戏、教育、营销、医疗和视频投融资占比分别为16.8%、11.3%、5.3%、5.1%和1.2%。其他领域投融资相比2017年同比增长近10个PCT,体现了VR/AR内容市场多样化的发展趋势。
在重大投融资层面,国内2019年1-10月单笔投融资过亿事件占比45.5%。资本不在盲目进入VR/AR所有环节,过亿投融资事件集中于硬件和内容公司;同时资本更倾向于已有一定规模且发展势头良好的公司,开始向头部公司倾斜。
VR/AR的内涵与区别:构建身临其境和虚实结合的沉浸式体验
VR/AR究竟是什么?很多人会对于VR、AR和MR这些概念的界定感到困惑,而不同企业和机构的定义又往往有所不同。简而言之,虚拟现实(VR)是虚拟场景的封闭式体验,而增强现实(AR)体验会将数字元素叠加到现实世界的对象和背景上。混合现实(MR)可以说是升级版的AR,能够实现虚实场景的结合,和AR的区别就是对虚拟图像的真实感做严格的要求,因此是AR的一种类别。
VR/AR两者在关键器件、终端形态上相似性较大,在关键技术上也有重叠之处,而在应用领域上有所差异。VR/AR均需要用计算机绘制虚拟图像。VR中的图像全部由计算机绘制,往往需要配置高性能的GPU,同时由于VR是隔绝式的音视频沉浸体验,因此对显示画质要求较高。而AR中大部分图像是通过镜片透射或摄像头拍摄的,计算机绘制的图像占比较少,而且是以信息性为主的,对图像逼真度要求较低,因此对GPU要求不高。但AR需要对场景进行理解,需要用非常复杂的算法,并且实时运行,这样AR对CPU的运算性能要求非常高。此外,VR侧重于游戏、视频、直播与社交等大众市场,AR 侧重于工业、军事等垂直应用。
当前VR/AR所面临的问题:目前处于部分沉浸期,沉浸式的体验感仍然很差
从消费者的诉求角度来看,要想达到沉浸式的体验,必须达到三方面:佩戴舒适,显示清晰,交互自由。主要影响因素有:
显示画面的质量,包括清晰度和刷新率,过低的分辨率会产生纱窗感,刷新率不足会引起画面抖动。
视场角,视场角不足会带来沉浸感下降,导致用户感觉自己在通过“窗口”观察场景,而非置身其中。
晕动症,和晕车晕船相似,主要是视觉状态与前庭系统的感知不一致引发的症状,当前业界普遍认为,设备时延小于20ms时,可以较好地改善由于画面迟滞所带来的晕动症。根据信通院的分类,虚拟现实按照沉浸体验分为初级、部分、深度、完全沉浸等四个主要层次。不同层次对应不同的发展阶段,目前处于部分沉浸期,沉浸式的体验感仍然很差。目前VR/AR的瓶颈包括网络带宽和速率的限制,硬件技术不够成熟,以及内容应用的匮乏。
硬件技术上,VR近眼显示技术存在分辨率不足、眩晕等问题。就分辨率而言,行业主流处于单眼1.5K-2K阶段,但是如果需要完美的沉浸式体验,需要单眼8K以上的成像内容,过低的画质会带来视觉疲劳。AR近眼显示技术的硬件难度要求更高,尚未确定主流的光学方案。另一方面,现有的CPU/GPU无法保证在轻便的硬件上实现足够的计算速度、存储空间、传输速率和续航能力。
网络设施上,VR/AR对带宽和时延要求较高,要想保证VR/AR良好的用户体验,至少需要50Mbps的带宽,能够保证高分辨率和低时延,从而改善眩晕的问题。由于 AR 侧重与真实环境的人机交互,须将摄像头捕捉到的图片/视频上传云端,云端实时下载需要增强叠加显示的虚拟信息,因此需求更多的上行带宽。目前4G的平均下行速率为25Mbps,上行不足10Mbps,而目前家庭平均保障带宽仅37.5Mbps,Wi-Fi时延高达20-200ms,不能够满足VR/AR的需求。
内容资源上,内容分发平台更新慢、资源少。C端缺乏“杀手级”应用,作品内容形式同质化、简单化,用户体验以单机为主,视觉体验交互式元素少,并未在交互体验方面与以往的娱乐设备产生本质的不同;移动性、趣味性低,沉浸感、临场感体验效果差;B端缺少规模化、产业级应用。 目前VR/AR产业标准尚未统一,造成设备、操作系统、版本的分裂发展,从而加大了游戏、影视等内容的适配难度。且VR/AR成本居高不下,终端设备及硬件配置价格较高,也降低在了消费级市场的普及速度。
一问网络:双G将给VR带来什么改变?
5G能给VR/AR带来什么改变?”人们总是会问这个问题。随着5G建设的进展,VR被认为是5G落地的第一波应用而给予厚望。事实上,产业更多是在讲“双G”+VR的概念。双G是指5G和千兆带宽,5G主要是室外移动场景,也就是无线基站到移动终端一侧,而千兆带宽+ Wi-Fi6为室内固定场景,在包括接入网和承载网解决带宽和时延问题。二者共同为VR/AR提供更优的管道。 很多人认为5G会淘汰Wi-Fi,这种说法不够准确,两者应用的场景不同,Wi-Fi是室内固定场景,5G则是户外移动场景。在5G时代,千兆带宽+Wi-Fi仍将承担室内场景下大流量应用和下载的重要作用。
接入网:5G、Wi-Fi6、10G PON将成为VR/AR主流传输技术
在接入网方面,5G、Wi-Fi6、10G PON有望在五年内成为面向虚拟现实业务的主流传输技术。Wi-Fi技术相对成熟,可实现VR/AR终端的无绳化。固定宽带光网络目前可以支持1Gbps-2.5Gbps的带宽接入,能够满足少量VR用户承载,未来将升级到5G-10G。未来 5G 的目标网可为每用户提供随时随地平均100Mbps的无线接入服务,为VR/AR业务提供极致体验。
5G:高速率、低时延的特性将大幅提高VR/AR体验
5G网络高速率、低时延的特性适合承载VR/AR业务,并大幅提高用户体验。根据5G的性能指标,5G移动网络能够达到20Gbps的峰值速率,是4G的20倍;能够达到1Gbps的体验速率,是4G的100倍;空口时延1ms,是4G的1/5。ITU定义的5G三大业务场景为:eMBB(增强型移动宽带)、uRLLC(高可靠低时延通信)和mMTC(大规模机器通信)。
eMBB场景主要提升以“人”为中心的娱乐、社交等个人消费业务的通信体验,主要场景包括随时随地的3D/超高清视频直播和分享、虚拟现实,随时随地云存取、高速移动上网等大流量移动宽带业务,带宽体验从现有的10Mbps量级提升到 1Gbps量级,要求承载网络提供超大带宽。mMTC和uRLLC则主要面向物物连接的应用场景,其中mMTC主要满足海量物联的通信需求,面向以传感和数据采集为目标的应用场景;uRLLC则基于其低时延和高可靠的特点,主要面向垂直行业的特殊应用需求。从以上三种场景的实现难度来看,eMBB能够最先实现,推动超高清流媒体、VR/AR率先落地。未来5G的目标网可为每用户提供随时随地平均100Mbps的无线接入服务,为VR/AR业务提供极致体验。
千兆带宽+ Wi-Fi6:能够实现VR/AR对于网络的要求
随着光纤宽带接入技术的进步和新兴高带宽业务的应用,千兆宽带已成为下一步宽带发展的焦点。Ovum的报告显示,全球已有超过 234家运营商发布千兆业务,其中20 家发布了万兆业务。我国目前已经基本普及了百兆光纤入户,未来将逐步开展城市千兆带宽入户示范。固定网络经历了 5 个阶段的发展,目前已进入以10GPON光纤技术为基础的千兆时代。当前已规模部署的 FTTH 技术包括 EPON 和 GPON,EPON 仅能提供 1Gbps带宽接入,不适宜虚拟现实业务部署。GPON 技术可提供 2.5Gbps带宽接入,时延小于 2ms,能够满足少量 VR 用户承载。为满足 VR用户规模化发展,须将 EPON/GPON 升级到 10G EPON/GPON。10G PON作为千兆网络的基础技术,与前几代固定接入技术相比,带宽、用户体验和联接容量三个方面均有飞跃式发展,上下行速率将高达对称10Gbps,时延降低到100μs以下,实现全场景多业务覆盖,满足VR用户的规模化发展。下一代Wi-Fi技术Wi-Fi 6在传输速率、功耗、空间和性能等方面同样具有较大提升。Wi-Fi6(即IEEE802.11ax),是一项无线局域网标准,也是Wi-Fi 5(IEEE 802.11ac)的升级版。Wi-Fi 6支持更高的传输速率,最高速率可达9.6Gbps。Wi-Fi 6允许更多的设备接入,并且能够加快每一台设备的速度和容量,在连接相同数量设备的基础上,速度是Wi-Fi 5的近四倍。基于Wi-Fi 6支持室内室外场景、提高频谱效率和提升密集用户环境下4倍实际吞吐量的性能,能够实现VR/AR对于高速率和低时延的要求,可以处理来自多个VR用户不同类型的流量。
Cloud VR 解决方案:内容和渲染上云,将设备做到轻量化、低成本
本地VR受到用户体验与终端成本的制约,Cloud VR能够解决主要痛点
VR用户体验与终端成本的平衡是目前影响VR产业发展的关键问题。低成本终端有助于提升VR硬件普及率,但有限的硬件配置也限制了用户体验,用户的首次体验不好,后续就很难接纳和持续使用VR。另一方面,以HTC VIVE、Oculus Rift、SonyPlayStation等为代表的高品质VR设备,其配置套装价格高达数千乃至万元,过高的终端成本明显制约了高品质VR的普及。
另一个关键问题是头显设计和佩戴舒适度,目前VR强交互类业务的渲染主要在本地主机和终端进行,对GPU的资源要求很高,要求VR需要连接到电脑上,带来笨重的体验;而如果不连接电脑,VR本身配置显卡则会带来体积大、头显重、高耗电和过热的问题,这些问题减少了用户使用VR的时间,对VR的推广带来不利影响。另外,VR内容的市场相对比较分散,很多优秀的VR内容分散在各个厂家,难以有效地分发给客户。
CouldVR的解决方案通过将云计算、云渲染的技术应用到VR业务中,借助高速稳定的网络,将云端的显示输出和声音输出通过压缩后传输到用户的终端设备,实现VR内容上云、渲染上云,实现VR头显的无绳化和轻量化,更容易被用户所接受,有效解决VR发展的痛点。由于Cloud VR具有如下显著优势,已经成为VR产业规模化发展的必然选择:
实现终端轻量化,提升使用者体验:Cloud VR无需本地主机,省掉了VR头显与主机之间的连接线,“无绳化”头盔让用户摆脱了线缆的束缚,同时也减少了VR头显的重量过重,耗电过高,以及发热严重的问题,大幅提升VR设备的使用体验;
利于降低终端成本和价格,推动普及:渲染在云端处理,大幅降低终端CPU+GPU渲染计算压力,降低终端硬件要求,不需要本地高性能、高成本主机,将大幅降低VR/AR的成本,加速VR/AR的普及;
有利于内容分发、聚合:通过统一的Cloud VR/AR平台,可适配不同终端上的不同类型的内容,内容制作商只需与平台适配,无需考虑与各终端的适配细节,可进一步聚焦VR/AR内容数量和质量的提升;同时,聚合到统一平台后,用户对于优质内容的获取将更加便捷;
利于内容版权保护,鼓励开发更多的内容应用:当前大量VR/AR内容属于离线体验,这种方式很难做到对于内容版权的有效管控,VR/AR内容上云后集中管理,有利于防止未经授权的读取、复制与传播,遏制内容盗版,保护VR/AR产业的可持续发展,
利于与大数据分析、人工智能结合:数据在云端,利用云端强大的计算分析能力,进行大数据分析或与人工智能结合,产生更多产业创新与价值。
Cloud VR 面临的挑战:提升渲染及网络技术,达到时延小于20ms
尽管CoudVR技术采用云渲染方案,使得VR终端更轻便,成本更低,但也面临着时延的挑战。对于VR视频等弱交互业务来说,对时延的要求不高,不同的时延只是对画面的加载时间产生影响;但对于VR游戏、VR社交这类的强交互业务来说,则需要保证MTP(Motionto Photon,动作至显示)的时延不超过20ms,超过这个时延,则非常容易引起晕动症。目前为了满足云渲染技术下VR体验的时延要求,除了云渲染技术外,端云异步渲染、端到端低时延传输也是两大关键技术解决方案。端云异步渲染:CloudVR处理主要包含云渲染及流化,终端二次渲染以及刷新显示两个过程。
CloudVR终端进行动作捕捉并将捕捉的动作信息经过网络传到云端,云端完成逻辑计算并渲染生成实时画面,再经过编码压缩后,以视频流的形式通过网络传输至终端进行解码的过程。由于比本地VR引入了网络传输、编解码的环节,时延增加,很难满足MTP<20ms的时延要求。在端云异步渲染方案中,完整的渲染分到云端和终端分别完成:云端进行基础渲染,终端进行头部渲染,该技术下云渲染及流化,终端二次渲染及刷新显示这两个过程从串行处理分离成并行处理。从而满足MTP<20ms。
端到端低时延传输:CloudVR端到端时延为20ms,分解到网络各段,约为家庭Wi-Fi<10ms,固定接入网<2ms,城域承载<8ms。在各个环节,核心解决方案为“基于Wi-Fi的家庭网+基于4Kready的承载网+利旧CDN/新建云渲染服务器”。包括家庭高性能Wi-Fi的部署,GPON/EPON升级成10GGPON/EPON,城域内部署CDN/云渲染服务器。
二问硬件:VR/AR硬件设备的困难在哪里?
目前来看,VR/AR的硬件上仍面临的较大的技术实现难度,远高于手机等传统智能终端,例如芯片、屏幕等性能在手机等设备上已经过剩了,但在VR/AR上仍有门槛。AR的技术实现难度还要比VR更高,尤其是在近眼显示与感知交互领域,很多技术需要从无到有的重大突破。
近眼显示技术
近眼显示(Near-eye display,简称NED),被认为是VR/AR硬件最重要的问题,也是目前用户体验的痛点所在。近眼显示技术是指通过光学和屏幕的设计,将显示器上的像素,通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射到人眼中。不同于半导体遵循摩尔定律,往往具有可预见的迭代周期,光学设计则需要在最基本的物理定律的框架下,不断探索、论证各种的可能性,技术门槛较高,进展相对缓慢,但目前在一些技术上已经取得了较为明确的突破。
另外,由于现有技术方案在分辨率(清晰程度)、视场角(视野范围)、重量体积(美观舒适)等方面存在潜在冲突,如何做到既要保证VR/AR眼镜的轻薄舒适性,又要保证一定的视觉体验,同时在各种光学参数存在冲突的情况下做出取舍,是近眼显示技术的巨大挑战。由于VR与AR终端形态的差异,二者的近眼显示技术的发展路径又有较大不同,VR是直接显示虚拟的图像,由于AR是需要透视的,成像系统不能挡在视线前方,因此多了一个或一组光学组合器,通过“层叠”的形式,将虚拟信息和真实场景融为一体。
现VR 将长期使用 LCD、OLED 类型屏幕作为显示器件,技术突破的重点为1000ppi以上的 AMOLED、Fast-LCD屏幕技术。AR
分为图像源器件,即显示屏(OLEDoS、LCoS)和光学器件(如光波导、折返光学透镜、自由曲面棱镜等),技术突破的重点在于微显示屏以及光波导显示技术的发展和实际应用。
屏幕技术:超高ppi显示屏是VR眼镜的主要技术突破点
视场角(FOV,Field of View)用来衡量人的视野范围,无疑是VR/AR设备最重要的参数之一。越大的视场角带来越好的沉浸感。一般来讲,正常人类的视场角,也就是不转头从一侧看到另一侧的最大角度一般在200°左右,不过看得最清晰的部分是双眼重合的视角,大约是120°。VR设备由于光学设计更加简单,视场角已经可以接近覆盖到人类的整个视场;AR显示器的视场角则仅能够覆盖人类视场的一小部分。对于眼镜形态的设备,由于视场角,视窗和适眼距等参数密切相关,适眼距是20mm,视窗尺寸是20mm的情况下,35mm的显示器尺寸可以达到FOV40°,60mm显示器尺寸可以达到FOV90°,要想达到170°的FOV,则需要170mm的显示器,如此宽的尺寸在平面显示器上基本是不可行的,曲面波导是一种解决方案,但是距离应用还有距离。
分辨率以一块屏幕上有多少个像素点来衡量显示效果和清晰度。像素点越多,成像效果也越清晰,例如1080P的片源,匹配1080P的平面屏幕,人眼感知到的清晰度就是1080P。但对于VR设备,则没有这么简单,由于VR特殊的分屏播放形式,在显示的时候单个画面只会用到屏幕一半的像素点,1080P的VR屏幕在观看VR视频时候,左右两面各显示540个像素点,是面板分辨率的一半。
再加上光学镜片和屏幕材质等因素的影响,复杂的光学系统位于用户眼睛和显示面板之间,它们会严重降低图像质量,VR感知分辨率就会远远低于面板的分辨率。目前8K的VR可以相当于屏幕480P的视觉效果,12K的VR相当于平面720P的视觉效果。像素密度(ppi)衡量每英寸所包含的像素点数,这个参数比分辨率更为关键,因为分辨率与屏幕大小无关,在一款65吋大屏液晶电视上做到4K分辨率与在6.5吋的手机屏幕上做到4K分辨率的难度是截然不同的。
VR的原理是将手机大小的屏幕分屏,然后用放大镜将屏幕画面矫正后投射到人眼中,让人形成双目立体视觉。简单理解就是放大镜的原理,人眼虽然只离屏幕几厘米近,却能看到宽广的世界,但是要让这宽广的世界在方寸之小的屏幕上显示,必须要求极高的ppi。目前普通手机屏幕在300ppi左右,而VR则要求1000ppi以上的显示器件。现有的VR/AR硬件设备的体验效果不好,颗粒感、畸变、色散和眩晕等问题都受制于现有屏幕技术的制约。由于LCD、OLED在较长时间内仍将是VR/AR显示器件的主导,1000ppi以上的AMOLED、Fast-LCD将是未来显示技术的主要方向。
光波导:AR眼镜的主流方案,但预计中近期难以大规模普及
AR设备的光学显示系统通常由微型显示屏和光学元件组成。光学组合器的不同,是区分AR显示系统的关键部分,市场上各种方案百花齐放。目前看来,光波导方案从光学效果、外观形态,和量产前景来说,具备较好的发展潜力,也成为微软HoloLens、谷歌眼镜、Magic Leap、DigiLens采用的主要方案。
光波导的原理:利用“全反射”将远距离成像传输到眼睛前方光波导并非一个新的技术,事实上和光纤光缆的原理一样。为了在光在介质里100%保留住而不漏光,传输的介质要满足两个条件,全反射(传输介质即波导材料需要具备比周围介质高的折射率),入射角(光进入波导的入射角需要大于临界角θc,光线穿梭基本没有损耗)。光机完成成像过程后,波导将光耦合进自己的玻璃基底中,通过“全反射”原理将光传输到眼睛前方再释放出来。通过波导,显示屏和成像系统远离眼镜移到额头顶部或者侧面,降低了光学系统对外界视线的阻挡,并且使得重量分布更符合人体工程学,改善了设备的佩戴体验。目前光波导的技术方向有两类:几何光波导和衍射式光波导。
几何光波导:镜面阵列设计,实现一维扩瞳,制造工艺复杂几何光波导中,耦合光进入波导首先遇到一个棱镜或反射面,在多轮全反射后到达眼睛前方,耦合光出波导的结构是一个“半透半反”镜面阵列。每一个镜面会将部分光线反射出波导进入人眼,剩下的光线透射过去继续在波导中前进。镜面阵列相当于将出瞳沿水平方向复制了多份,这样眼睛在横向移动时都能看到图像,这就是一维扩瞳技术(1D
EPE)。
目前几何光波导代表光学公司是以色列的Lumus,国内的珑璟光电。如果生产过程符合设计,几何波导的成像质量比较好,但光效率比传统光学系统偏低,相当于出光面积变大,每一个出瞳位置看到的光就变少了。但问题在于,几何波导的工艺难度非常大,主要在于复杂的镀膜工艺,由于光在传播过程中会越来越少,要保证动眼框范围出光均匀,阵列中这五六个镜面的每一个都需要不同的反射透射比(R/T),又由于光通常是偏振的,每个镜面的镀膜层数可能达到十几甚至几十层;另一方面是胶合难度大,镜面之间的平行度和切割的角度都会影响到成像质量,极易出现瑕疵,导致黑条纹,出光不均匀,鬼影等现象。因此几何波导的良率较低,可量产性较低。衍射光波导:通过光栅调整,可以实现二维扩瞳
衍射光波导主要有:利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导 (Surface Relief Grating,SRG)和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导(Volumetric Holographic Grating,VHG), HoloLens 2,Magic Leap One均属于前者,苹果公司收购的Akonia和Digilen则致力于后者。
衍射光波导的原理简单来讲,就是是通过设计衍射光栅的参数,将光衍射到想要的方向上去。衍射光栅是一个具有周期结构的光学元件,这个周期可以是材料表面浮雕出来的高峰和低谷
(图a),也可以是全息技术在材料内部曝光形成的“明暗干涉条纹”(图b),但归根结底都是在材料中引起了一个折射率n的周期性变化。因此,衍射光栅通过衍射级和色散实现分光特性,起到了与传统光学器件类似的改变光线传播方向的作用,但是它所有的操作又都是在平面上通过微纳米结构实现的,所以非常节省空间,自由度也比传统光学器件大很多。
衍射光波导技术与几何光波导相比主要优势在于光栅在设计和生产上的灵活性,不论是利用传统半导体微纳米制造生产工艺的表面浮雕光栅,还是利用全息干涉技术制成的体光栅,都是在玻璃基底平面上加镀一层薄膜然后加工,不需要像几何光波导中的玻璃切片和粘合工艺,可量产性和良率要高很多。衍射光波导技术的不足主要来源于衍射元件本身对于角度和颜色的高度选择性,光的效率偏低,另外还有色散问题。
光波导的优势包括:
能够实现通过一维和二维扩瞳技术增大动眼框,从而适应更多人群,改善机械容差,推动消费级产品实现;
波导镜片像光缆一样将图像传输到人眼,成像系统旁置,不阻挡视线并且改善配重分布;
波导形态一般是平整轻薄的玻璃片,其轮廓可以切割,外观形态更像传统眼镜,利于设计迭代;
多层波导片可以堆叠在一起,每层提供一个虚像距离,提供了“真”三维图像的可能性。目前光波导技术也存在一些不足,主要包括:由于光在耦合进出波导以及传输的过程中都会有损失,并且大的动眼框使得单点输出亮度降低带来的光学效率相对较低;对于几何波导来说,繁冗的制造工艺流程导致总体良率较低;对于衍射波导来说,衍射色散导致图像有“彩虹”现象和光晕,非传统几何光学,设计门槛较高。
在微软,谷歌,Magic Leap 、DigiLens等厂商的推动下,光波导目前成为AR眼镜的主流技术。光波导技术在 AR 领域的技术发展前景是明确的,但预计在中近期难以大规模普及。光波导技术中各类技术路线间存在明显的优势和短板,目前尚未确立主导地位技术方案。
此外,由于受到基础物理定律的限制,光波导要实现重大技术突破将面临巨大的研发困难,相关产品难以单独作为完整终端产品,须配套技术和零部件才可能产出被市场认可的 AR 终端,而有关配套技术和零部件尚有相当比例需要进一步完善,因此高性能光波导的发展尚需要时间。
感知交互技术
交互性是VR/AR的关键要素,如何实现设备对人的感知,以及人和设备的交互成为VR/AR技术中重要一部分。目前,在感知交互领域中,主要包括追踪定位、手势交互、机器视觉、触觉反馈、眼球追踪、沉浸声场即虚拟移动等技术。
追踪定位:Inside-out成为VR主流架构,SLAM技术未来可期
定位追踪技术的目的是,感知人体的每一个动作(头部旋转、位置移动),并在虚拟世界产生相应的效果,带来沉浸感。定位技术的原理简单概括,就是“信号源+传感器”,使用相应的算法,计算出物体的位置信息(包括xyz三轴及旋转共六个自由度,6DoF)。
Inside-Out逐步取代Outside-in成为主流技术。定位追踪技术在实现上主要分为两类,即“Outside-in”和“Inside-out”。2017
年,由外向内(Outside-in)追踪定位技术实现产品化,并开始大量用于体验馆、线下门店等商业场景。Outside-in需要在房间里布置传感器的摆放或者悬挂位置,如果你想把
VR
体验场地换到另外一个房间,传感器的摆放就又得重新布置。2018年,Facebook、HTC发布基于Inside-out的一体机,由内向外(Inside-out)追踪定位技术能够实现设备的无绳化,也逐渐取代
Outside-in,
明确成为VR主流追踪定位技术架构。在AR领域,目前主要的技术路线是单目视觉+IMU融合SLAM定位,实现厘米级准确度和毫米级精密度定位输出。
SLAM(Simultaneous localization and
mapping,同步定位与建图)技术近几年开始成熟,并被用于VR/AR等消费者产品的追踪定位。简单理解,SLAM就是某种设备(机器人、VR/AR设备)来到陌生环境中,需要精准建立时空对应关系,并回答“我在哪里?”“这是什么地方?”“我该怎么走?”等问题,也就是定位、建图和路径规划。由此可见,SLAM是一套要求实时性和准确性的大型系统,涉及硬件上高速度高精度的感知和姿态跟踪、算法上多线程并发执行,资源的分配、读写的协调、地图数据的管理、优化和准确性等系统整合的众多问题。
SLAM的数据来源是传感器,传感器的质量对于SLAM的效果影响很大。因此SLAM对于硬件的要求很高,包括对于IMU要求高精度,对于摄像头要求全局快门,大的视角,快门速度足够高,能够保证图像在高速运动时不会产生模糊。不仅如此,SLAM数据来自于多个传感器的融合,以Facebook的Oculus Insight系统为例,硬件架构包括三种传感器:IMU,摄像头和红外LED,多个传感器需要精密的校准和调整,直接关系到算法的准确性。
精确高效的算法则是SLAM的核心。以开源的ORB-SLAM算法为例,主要分为三个线程,Tracking用于跟踪Camera Pose,Local
Mapping用于构建点云地图,Loop Closing用于闭环检测,优化点云位置。Place Recognition,即重定位,是利用BoW(Bag of
Words)模型在已经构建好的地图内定位Camera。目前距离应用到终端产品上还存在比较大的问题,主要包括代码Bug优化,传感器的位置跟踪不稳定,芯片实时处理所有数据的算力不够,以及内存问题。
SLAM是AR必备的核心技术,各大公司纷纷布局,未来前景可期。从VR/AR的应用场景来看,由于VR设备主要是虚拟世界的沉浸感,SLAM是对真实世界的描述,现有的Outside-in方案基本不需要SLAM,Inside-out需要SLAM配合解决跟踪用户位移的问题。
而对于AR设备来说,为了实现虚拟元素和真实世界的融合,SLAM则是必须拥有的最核心的一项技术之一,苹果 ARKit、谷歌 ARCore 与华为 AR Engine 推出的AR SDK 普遍遵循单目视觉+IMU 融合定位的技术路线,也验证了各大公司对其重视的程度,在SLAM相关的传感器、算法、软件、硬件等方向,也出现了小公司在关键细分领域快速创新、大公司在各个关键方向布局并且频繁收购的趋势。
在初期阶段,由于产品和硬件高度差异化,而SLAM相关技术的整合和优化又很复杂,目前有能力做好SLAM全套解决方案的仍是Facebook、微软、谷歌、苹果等大厂。随着SLAM各个领域的产品化进程推进,细分市场的创新和应用正在迅速推进。由于市场上算法和软件仍然比较碎片化,移动端硬件的计算能力还不够,SLAM相关技术正在从软件和算法层面向硬件推动,可以期待在这个过程中必将会产生巨大的机会和众多优秀的公司。
手势交互:目前以基于手柄的“6+6”交互为主流,未来将以裸手交互为趋势
手势识别的原理并不复杂,它通过硬件捕获自然信号,就像相机捕获图片信息那样,然后通过软件算法计算得到手的位置、姿态、手势等,处理成计算机可以理解的信息。但如果VR设备要做到高精度和高稳定性的手势交互,则对硬件和算法均具有较高的要求。其中,硬件方案可以分为基于手柄的非裸手交互控制,以及裸手交互。目前手柄控制依然是主流,融合Inside-out 6DoF 头动和 6DoF 手柄交互的所谓“6+6”交互路线成为发展趋势,代表厂商有 Oculus Quest、Pico 及 Nolo、Ximmerse 等。各厂商的VR手柄设计有较大不同,通常都会配置摇杆,小型触摸板,A、B操作按钮,以及握柄部分的电容感测,可识别压力、触感、以及光学数据。
裸手交互(原生手势识别)方案则更为复杂,需要识别出手部骨架的21或26个关键点,并将每个点用3个自由度衡量,输出21/26*3维的矢量,并由专业算法来识别手部的姿态和位置。裸手交互的硬件方案包括RGB摄像头、3D摄像头(TOF、结构光、双目视觉)和数据手套等,业界标杆是以 Leap Motion 和 uSens为代表的双目红外相机方案,支持双手交互、单手 26DoF 跟踪,广泛用于一体式、主机式虚拟现实终端,而在手机式产品方面,华为AR Engine 利用结构光器件实现了单手 26DoF 交互方案。
裸手交互的算法方案大体可以分为模型驱动和数据驱动两种方式,模型驱动类的算法不需要训练数据,但需要高度精确的初始化设计,通常只能用于手势追踪领域,数据驱动类算法依靠大数据和机器学习,目前已经成为主流的研究方向。
目前,手势识别技术的落地场景还比较有限,主要在VR游戏场景中,另一方面,手势识别技术存在使用疲劳、识别率不高、精确性较差和时延等方面的固有问题,因此还处于比较早期的发展阶段。
但可以预见的是,手势交互是未来人机交互必不可少的一部分。随着深度学习的快速发展,交互范围也逐渐从手部拓展到肢体,以Wrnch、Facebook、华为 AR Engine、百度、旷视、商汤等国内外厂商先后推出可实时运行的人体骨骼点跟踪技术,广泛用于各类VR/AR应用。
三问内容:谁将是那个“杀手级”的应用?
随着技术的日趋成熟、“双G”部署加速的背景下,VR逐渐在以视频、游戏、直播为主的娱乐应用领域落地,并在以教育培训、营销等为主的B端垂直应用领域得到发展。根据赛迪发布的《2018年VR/AR市场数据》,在中国AR/VR行业应用结构中,按销售额计算,游戏应用市场规模28.6亿元,占比35.7%,其次为视频和直播,占比分别为20.3%和11.2%。
在2B市场中,房地产、工程、教育、医疗领域名列前位。展望未来,预测2021年游戏应用市场规模可达206.4亿元,占比37.9%;视频类市场规模可达116.5亿元,占比21.4%;直播类可达64.3亿元,占比21.4%;教育应用可达50.6亿元,市场占比9.3%。若按内容结构分析,2018年国内VR/AR市场消费级内容占比66.5%,企业级占比33.5%,虽然目前消费级内容占据较大比重,但我们认为企业级市场将在未来几年得到迅速发展。根据赛迪预测,2021年企业级内容占比可增长至45.5%。回顾今年以来VR/AR投融资市场,从投融资环节来看,相比于全球VR/AR资本市场,内容环节成为吸引国内VR/AR投融资增长最快环节。
2019年1-10月内容环节获得投融资额为30.6亿元,相比2017年同比高增83.2%,为各环节第一。其中,从内容领域细分来看,游戏和教育领域始终是内容环节投融资的热点,但同时VR/AR内容呈多样化发展趋势。2019年1-10月游戏、教育、营销、医疗和视频投融资占比分别为16.8%、11.3%、5.3%、5.1%和1.2%。其他领域投融资相比2017年同比增长近10个PCT,体现了VR/AR内容由聚集单一应用逐渐转向多样化的发展趋势。
2C市场:VR直播、VR游戏有望率先落地VR
直播:5G大带宽特性促进VR直播发展,看好体育赛事、演唱会领域VR直播
根据赛迪《2018年VR/AR市场数据》,在VR/AR行业应用结构中,2018年直播市场规模为9亿元,2021年VR直播的市场规模将达到64.3亿元,市场占比为11.8%。VR直播即通过在广播电视采集制作过程中采用全景摄像技术对进行内容录制,将虚拟内容创作、视频内容拼接和编解码等,并使内容在设备上呈现,让观众获得人与内容场景互动的体验。与传统直播差异在于:1)沉浸感强:VR直播提供180°或360°全景视角;2)画面立体,趣味性强:通过近眼3D显示让画面更立体且真实,使得观众有“身临其境”的体验,趣味性强;3)主动性强:可实现更多交互,用户可以自由选择任意角度,跳出了传统2D平面视频的视角框定,由体验者主动选择想观看的内容,而非被动接受内容。
与传统直播不同,VR直播对于网络的要求较高,通常要求大带宽上行和下行网络,传统视频承载网络方案难以满足。但随着千兆宽带入户(10G PON光纤接入技术为基数的千兆接入时代)与5G规模化部署,网络传输带宽将优化,使得VR直播普及。
从生产内容方式来看,VR直播主要有两大分类,一是PGC(Professional
GeneratedContent,专业生产内容),如体育赛事、综艺节目、新闻事件、教育培训、产品营销等;二是UGC(User Generate
Content,用户生产内容),如网红直播、户外直播、生活直播等。近年来VR在以体育赛事、综艺节目等为主的PGC领域不断试水,得到快速发展。
在体育赛事领域,NextVR是全球最早实现高品质VR直播的公司,并与NFL、NBA、PBC超级拳击冠军赛等众多重量级赛事形成全面合作关系,和福克斯体育(拥有众多体育赛事转播权)建立了长期合作机会;2017年,微鲸VR联合体奥动力、飞猫影视,VR直播2017年中超联赛;2018年,美国电视网NBC与英特尔合作,借助TrueVR技术,对韩国平昌冬奥会进行了超过50个小时的VR直播。英特尔TrueVR技术在每场比赛中,采用多个摄像机点位拍摄,打造交互的360度虚拟环境。观众可以自由选择多个视角来观看比赛,营造真正的沉浸式体验。
在演唱会/综艺节目领域,2016年王菲“幻乐一场”演唱会在上海召开,该演唱会现场门票售价约3000~7800元,门票售罄,票价被炒作至数十万一张。该演唱会采用了VR 360°视频进行直播,根据后台统计显示,近9万名观众使用VR直播方式进行在线观看本次演唱会。用户需要付费30元购买兑换码才能观看VR直播,为演唱会额外创264万。此外,2017年,中央电视台举办的春节联欢晚会通过兰亭数字首次实现VR直播,用户下载央视客户端就可以观看VR版春晚,此后3年央视连续进行了VR直播。
案例:银河威尔--CBA VR直播2019年4月,CBA 2018-2019赛季总决赛第二场广东与新疆队的对决在东莞篮球中心举行,此次比赛在“双G”的支持下实现了VR高清直播,让非现场的观众戴上VR终端可享受沉浸式的比赛观影。本次直播在比赛现场共架设了3个VR摄影机(主队视角、客队视角、中立视角),VR直播拍摄方为银河威尔在东莞比赛场外的嘉年华体验区进行了VR直播展示,现场提供了15台VR眼镜供场外球迷体验。
广东移动在广州的全球通大厦也接入了CBA赛事的“第二现场”体验区,使得广州的球迷也可以通过5G+VR直播观看比赛。根据《VR直播白皮书》,此次VR直播上行是在东莞篮球中心CBA决赛现场通过5G基站+5G
CPE保障30~50Mbit/s高流VR直播信号回传至VR直播平台;VR直播下行是通过将VR直播视频分发到边缘CDN,并以不低于30Mbit/s码率视频流传输到通过千兆专线、家宽或5G
CPE接入VR直播平台的VR一体机终端。
整体而言,我们认为演唱会、体育赛事VR直播本身具有将强的“粉丝效应”,可以突破现场座位的限制,解决热门比赛及活动门票供不应求的现象,并可以让用户自由选择视角和回放时机,拓宽收视群体。此外,与VR视频制作高成本、长周期相比,体育赛事及演唱会等综艺活动具有定期性,且一般都设置有直播,仅需在现场添置VR直播设备,可以有效解决内容不足和成本过高(相对VR视频)的难题。
VR游戏:追求“沉浸感”、庞大的用户基数、较强用户粘性等特点推动VR游戏落地
VR内容中游戏一直是备受用户青睐的重要领域,VR游戏按照使用设备的不同大致可以划分为VR线上游戏和VR场地游戏。VR线上游戏需要用户使用PC端或者主机端配套VR头显等设备来获得出色的沉浸式体验,目前的目标客户群体主要面向重度玩家或专业游戏爱好者,而VR场地游戏提供商需要搭建VR展台等体验设施供用户游玩,而用户无需自己额外配套相应VR设备,主打广阔的大众需求,因此对用户硬件需求并不高。
根据赛迪《2018年VR/AR市场数据》研究成果,中国VR/AR行业应用中游戏领域占比始终领跑整个应用环节。2018年中国游戏领域市场规模为28.6亿元,占比达到35.7%,赛迪预测2021年市场规模增长至206.4亿元,该占比将会扩大至37.9%。同时游戏领域市场增速不容小觑,2018年全球VR游戏市场的价值为103亿美元,展望未来,IMARC Group预测该市场到2024年将达到402亿美元,在2019-2024年期间的复合年增长率为25.5%。目前涉足VR游戏领域的公司既有创业型公司,传统游戏转型VR游戏的厂商,也有各大游戏巨头的积极参与。
目前PC端主流VR线上游戏搭配使用的头显来自Oculus Rift(Rift CV1、Rift S)、HTC Vive(Vive Pro)、Valve
Index和WMR,主机端VR线上游戏头显主要使用索尼的PSVR,这些VR设备价格最便宜的是平价版WMR
299美元,除此之外,高端PC、PS4平台以及其他VR游戏配套设备如控制器、追踪基站等也价格不菲。
Steam平台作为PC端目前VR内容最多,且最为优质的国际性内容平台,截止2019年10月共有VR独占应用数3804个,相比2018年1月2285个增长了66.15%,VR游戏在所有VR应用中保持在80%以上,因此其VR月活跃用户数可以作为VR线上游戏人数的缩影。
根据steamspy的数据,除了2017年11月和2018年2月两次月活跃数明显下滑外,VR月活跃用户数所占比例整体呈现稳定上升格局,在2019年6月突破1%大关后增长势头不减,于9月创造历史最高纪录1.09%。
案例:Improbable公司VR线上游戏架构和开发公司Improbable成立于2012年,总部位于伦敦,在旧金山设有办事处。Improbable属于游戏架构公司和游戏开发公司,其开发的云计算平台Spatial OS允许第三方通过它建立大规模的虚拟世界,或者模拟真实世界。Spatial OS兼容性强,可以在PC端、移动端(IOS、安卓)、主机端(Xbox One、PS4)运行,因此旗下客户涵盖了多个领域。到目前为止,已经有很多工作室在开发基于Spatial OS的游戏,包括BossaStudios(Worlds Adrift),Spilled Milk Studios(Lazarus),HelloVR(MetaWorld),Entrada Interactive(RebelHorizons)和Soulbound Studios(Chronicles of Elyria)等。
在网易与Improbable合作后,网易自主研发的首款VR多人在线开放世界游戏《Nostos故土》有望更加完善。Improbable公司同样有涉足VR游戏开发,公司在今年开设了两家工作室,致力于游戏开发,其第一款RPG游戏正在由加拿大埃德蒙顿工作室制作。
2B市场:教育、培训类场景市场潜力大,有望最先落地
VR教育/培训:高成本、高危险、传统方式无法呈现领域有望首先普及
教育是VR B端市场最先落地的应用领域之一,市场潜力大、目标用户多、政策支持力度大的特点驱动资本密集投向教育培训领域。整体而言,VR在教育培训领域的应用可以分为K-12基础教育、高等教育和企业培训:
1)基础教育/高等教育
VR在K-12基础教育的应用有利于结合虚拟现实沉浸式教学的体验,解决课堂教学中的抽象、困难的知识点,让学生有“身临其境”的体验,有效改善传统教育存在学生主动性、积极性不足等问题,充分结合VR沉浸性、交互性、空间性的特点,可以提高学生兴趣,通过直观的画面了解抽象知识并加以记忆。在高等教育领域,VR教育在医学、化学等需要重复进行实验,以及考古、设计等需将抽象知识具体场景化的学科领域将发挥价值,VR实验室、VR设计工坊等方面部署能够打破实验教学的场地、费用等限制,积极推动VR在科研创新中应用。
目前国内外在VR教育领域布局的厂商较多,其中布局K-12基础教育领域的商家最多,且多数拥有小规模的试用案例,具体如下:
案例1:百度VR教室百度VR教育布局主要由百度制作VR内容,和爱奇艺合作,用爱奇艺的硬件VR一体机,形成软硬件结合的解决方案,出售给学校。百度VR教室整个系统架构在百度云服务上,拥有语音识别、图像识别、AR算法等AI技术,通过自研的全景图片、全景视频、3D模型交互等渲染技术提供沉浸式内容。目前百度VR教室针对PC VR和一体机两种VR设备,提供两套硬件解决方案,同时提供软件解决方案(教学管理系统、体系化VR课程),以及配套服务(安装部署、教师培训和售后咨询服务,为部分学校及企业提供课程定制与合作挂牌服务)。
硬件解决方案:PC
VR解决方案沉浸感和互动性较强,教师可通过显示器观察学生的VR学习情况,学生则分为小组,教师通过使用搭载教学管理系统的安卓pad对学生VR设备进行控制。根据我们在2019年世界VR大会百度VR馆的体验和了解,以一个班45人为例,一个百度VR教室需要布置9组VR课桌,每组约5人,需要一个VR软件管理系统+9套VR设备,费用约几十万到百万不等。一体机VR解决方案教学方式相对更加灵活,对教学场地要求小,可使用独立教室或在普通教室授课,每个学生一套VR设备。
软件解决方案:软件解决方案包括教学管理软件以及VR课程,教学管理软件能够兼容各类VR硬件设备,支持各学龄段的VR教育资源管理、学校及教师权限控制、教师及学生端教学互动。VR课程则依据教纲教材进行设计,提供标准教材课程、实验课程。例如,小学《科学》标准教材课程覆盖3-6年级教学计划,包含50个VR片段和380个知识点;初中《生物》课程包含10+节VR课程和150+知识点,支持45分钟授课。目前百度VR课程覆盖小学、初中、高中各年级,涵盖了科学、生物、物理、化学和安全培训等学科,拥有超500节VR课程内容,已编辑完整套教材。
配套服务:百度提供一站式部署安装、账号管理、课程升级及平台维护服务,并且针对部分学校提供定制化课程、合作挂牌服务,同时提供教学和项目支持。
目前,百度VR教室已经在上海、北京、安徽、浙江等省区多所中小学落地。我们认为VR+K12教育的优势在于基础教育的教材一致,制作完内容后可以实现规模化的推广,内容可以得到广泛传播。另一方面,内容仍存在可改善之处,我们团队在VR产业大会体验后认为目前内容的交互性可进一步加强,此外VR教育方案的价格较高,未来价格能否下降以及政府在VR基础教育的支持力度是其今后能够得到规模化落地的重要因素。
2) 企业实训
VR在企业实训/职业教育领域的应用通常需要定定制化的方案,我们认为其在高成本、高危险领域将首先落地。首先,在石油、电力等领域,员工培训经常需要重大且昂贵的硬件设备、较大的场地,造成员工的培训费用高,VR则可帮助企业解决硬件设备及场地问题,有效提高培训效率;其次,在消防、化工、医疗、航空航天等领域,员工在真实环境下实训存在较高危险系数,而VR可有效在虚拟环境下通过沉浸式的教学让学员能够有“身临其境”的感觉,同时避免实训风险、降低操作成本,提高教学质量。
目前VR在航空航天、安防教育培训领域已有落地应用;以航空航天为例,目前空军已有小范围试用针对战术飞行训练系统,主要是将学员的初步(基础)的培训会通过VR模拟机运行,以节省成本。该类方案通常为定制化,价格在百万区间,可有效解决教师人力成本和实训的成本,避免实训风险。我们认为企业在高成本、高风险领域实训成本及风险过高,可以先让学员在VR中熟练操作,反复不断练习,以降低成本。此外,对于火灾演练、紧急情况应对演练等培训,出于安全的原因无法还原真实场景,学员训练一般缺乏真实感和紧张感。在虚拟的世界中可以营造真实的灾难现场。
案例:上海航空电器有限公司(以下简称航空工业上电)
航空工业上电隶属于中国航空工业集团有限公司,公司具有军用航空、民用航空、非航防务等业务。公司拥有战术飞行训练系统,由VR头盔、三联屏、主机还有飞行摇杆和油门台为硬件基础,融合VR技术、高空仿真飞控模拟技术及5G网络通信技术,支持多种飞行任务(空中加油、陆地起降等)的5G联网模拟器协同作战系统。支持复杂地貌、复杂天气等特殊环境,具有较强的交互性、实时性和沉浸感。该战术飞行训练系统选用两种地形:1)比卡兹大峡谷:世界最大的峡谷之一,地形险峻,适合进行作战训练的航路点部署,作战路线图设计;2)张家界天门洞:该地形对于飞行员锻炼飞行技巧、体验极限飞行具有帮助。该系统构建地形最高精度为30m*30m,并同时配备专用的飞行摇杆、油门台等操控硬件,能使飞行模拟训练人员达到较好的人机交互效果。其结构复杂度低、成本低、功能聚焦、仿真程度高等特性能帮助缩短飞行训练的训练周期,降低飞行训练的成本,目前该系统已经在军方使用。
VR营销:弥补传统媒体被动营销模式,引导用户消费
VR营销可弥补传统媒体被动的形式,让用户从被动接受到主动体验,以更清晰地了解产品,让用户切身感受产品优势。同时对于商家而言,VR营销能够获取客户的数据(通过合法的途径),有助于进行更进一步的用户分析。目前,VR在房地产、汽车、网上购物等领域已经展现出独特价值。目前最为大众熟知的VR看房,已经被大多数第三方平台采用,如安居客和贝壳网等,能够用较好的沉浸感展示出房屋各个方位的细节,具有3D空间结构图和平面户型图,还具有标尺功能,大大减少了租户或买主的看房成本,用户好评度较高。
VR/AR体验店:“赚钱”不易,存在不确定性
娱乐类的2B场景主要为各类VR/AR主题体验店或者电子竞技馆。2018年全国VR线下体验店规模达到20.9亿元,同比上涨99.0%,预计未来增速会显著下降。但是目前看来,受客流量、内容、整体体验水平、民众对VR认知等多因素影响,很多虚拟现实线下体验店盈利情况并不乐观。另一方面是消费者在体验VR的过程中,缺少类似于电影或网吧等的社交互动性,难以与共同来体验的好友交流,进一步影响了体验店和竞技馆的接受度和盈利能力。
韩国运营商的尝试
韩国5G推出半年以来的情况表明,依靠AR/VR、高清视频等业务,实现了近3倍流量增长,我们认为随着5G用户渗透率的提高,有望驱动更多的内容制作厂商创新5G新内容,流量有望进一步提升,驱动运营商利润提升。从用户数据流量使用的具体情况来看,根据KT披露的行业数据,韩国2Q 5G 用户平均月移动数据使用量达到22.5GB,是4G用户平均月移动数据使用量8.8GB的2.6倍,流量的增加主要由VR/AR、高清视频等推动;5G无限量套餐用户消耗26.2GB/月,4G无限量套餐用户为22.4GB/月,增长趋势并不显著,我们认为在一定程度上是由于4G无限量套餐的高价值用户升级5G带动DOU增长,5G流量提升缺乏长期动力。
由于5G个人套餐推出仅5个月的时间,现在的流量使用情况并不完全代表未来,但随着VR/AR内容的进一步丰富、多款云游戏的陆续推出,5G用户DOU有望实现进一步增长。
SKT:从LTE时期的用户平均月移动数据使用量9.2GB上升到5G时期的24GB;
KT:根据19年5月的数据,LTE用户平均月移动数据使用量为9.5GB,5G用户平均月移动数据使用量为22.3GB,是LTE的2.3倍;
LGU+:2Q LTE用户月均移动数据使用量为9.9GB,高于行业平均值,5G用户月均移动数据使用量为31GB,是LTE用户的3倍。根据调研了解,主要由于体育赛事直播VR/AR、云游戏等应用推动流量的增长,棒球比赛每小时消耗流量可达4GB,云游戏每小时可达8GB,VR/AR每小时流量消耗可达30GB。
目前韩国在5G商用初期,三大运营商就5G套餐资费、网络质量而言并非有较大的差异(U+的下载速度和时延略微优于竞争对手),三家运营商拟在年底前建设的5G基站数量、拟覆盖人口(90%以上)及地区的目标都基本相似,难以体现差异化的竞争优势。此外,由于韩国4G速度较快、用户体验好,我们认为目前5G对于速度和时延的优化尚不能对于用户体验引起质的改变,为吸引更多用户升级5G,需要让其认识到升级到5G带来的不仅是更快的速度,更为关键的是带给用户全新的体验。我们认为前期5G用户渗透率的提高较多程度上依赖于激烈的市场竞争导致的补贴恶战以及亲民价位的5G套餐,未来能够提供差异化5G应用内容的运营商将在下一阶段的市场份额拓展中具备优势。
就三家运营商而言,我们认为LG U+目前提供的以VR/AR为核心的5G应用内容最为丰富,在一定程度上驱动其迅速拓展5G市场。5G网络开通前,LG U+占据韩国移动通信市场份额的20%,在4月实现5G商用后,其5G用户市场份额增至29%,我们认为LG U+能够在三大运营商套餐资费无太大差异、在相对稳定的市场结构中实现市场份额逆袭的原因在于其丰富的内容增值服务。LG U+在5G标准套餐中捆绑了五大新业务,包括U+职业棒球、U+高尔夫、U+偶像直播、U+ VR、U+ AR,并提供独家内容。
此外,在5G套餐推出初期,为吸引用户体验VR/AR内容服务,LG
U+曾在套餐中捆绑VR头盔,购置最高价值5G套餐的用户甚至可以免费获得VR设备,其余中高档套餐则提供一定程度的折扣(套餐价值越高,折扣越高),以吸引用户体验沉浸式的媒体服务(注:目前官网所显示的5G套餐中不包含对于VR头戴式显示器的折扣或免费赠送的内容)。我们将以LG
U+为重点,分析韩国运营商提供的5G应用内容服务,重点分析其VR/AR相关应用。
LG U+在5G标准套餐中捆绑了五大新业务,包括U+ VR、U+ AR 、U+职业棒球、U+高尔夫、U+偶像直播,并提供独家内容。近期,LG
U+在首尔龙山总部举行了新闻发布会,发布两项新的5G服务“Smart home Training智能网上培训”和“U +
AR购物”,将5G融入健康和购物等日常生活型领域,促进5G向多年龄层发展普及。至此,LG U+将四月发布的五种服务U + VR、U + AR、U +职业棒球、U
+高尔夫、U + Idol Live作为第一代5G服务,8月份发布的云游戏U+Game Live和“Smart home Training智能网上培训”和“U
+ AR购物”作为第二代5G服务,并计划在明年上半年推出一种新型的第三代VR·AR服务,目标是开创一个让5G服务真正覆盖全年龄段和日常生活的5G时代。
U+AR:该应用提供一系列的AR内容,用户通过手机能看到特定韩流明星的真人全息影像在用户所处空间里活动。LG U+在其位于首尔的U+AR工作室中录制真人的实时自由视角视频,积累了大量独家内容,包括韩国女歌手金请夏、AOA、车银优等KPOP内容,用户可以通过AR和明星近距离接触,通过AR的3D效果打造亲眼见到偶像的效果,并且可以拍摄他们自己或朋友在特定明星身边跳舞的视频,且能实现自由旋转360度欣赏艺人不同的角度。截至9月19日,U+AR已有1400个AR全息影像可供观看,这些内容在U+AR平台独家供应。管理层称该工作室为第一个可以制作4K高清AR视频的录影棚。
U+VR:LG U+的VR视频应用内容丰富,截至19年9月30日,包含950多条视频,其中700余个为独家视频。应用中有韩流明星独家内容,以及太阳马戏团的表演视频O Show和Kurios。除此之外,还有纪录片、旅游、网络漫画、喜剧和“明星约会”等各类内容。其中,虚拟约会是在亚洲市场越来越流行的一类VR视频,通过U+VR应用中的一些独家视频,用户就能和他们最喜爱的明星进行虚拟约会。若不想佩戴VR头盔,用户也可以在智能手机屏幕上通过Magic Window观看360°画面的2D VR内容(部分视频要求佩戴VR眼镜,其余可自行选择)。LG U+着重打造独特的VR内容,投资VENTA VR公司并共同制作VR内容。VR内容并不局限于视频,LG U+也打算利用3D特殊效果制作VR网络漫画,并和韩国网络漫画制作工作室Horang Studio签订独家合约。
此外,LG U+近期也投资了美国AmazeVR公司,未来将独家提供AmazeVR的3D
VR内容。在VR游戏方面,计划上半年开始提供VR云端游戏,使用者能直接通过5G网络运行游戏,体验云端游戏服务。VR内容目前可以在LG V50,三星Galaxy
S10 5G,Galaxy Note 10和Galaxy A90 5G
中使用(已预装至手机),未来将进一步拓展。我们在调研时获悉,因自己制作VR视频的成本较高,U+也在积极探索将制造的内容卖给其他运营商等模式,目前在与国内运营商及欧洲运营商洽谈合作事宜,同时U+已经与华为形成此方面的合作,即将内容出售给华为,用户可在华为视频上观看。
云游戏:LG U+与英伟达合作,从9月4日起U+的5G用户可以下载GeForce NOW并免费试用,免费试用期有效至2019年10月31日(针对5G
Premium或以上计划的用户),用户可以直接通过网络访问游戏,从超过100种游戏中选择在5G手机或是PC上体验云游戏。
U+职业棒球/U+高尔夫:棒球及高尔夫两项体育赛事应用均提供赛事直播和精彩回放服务,用户可选择从球场的多个位置、放大角度观看比赛,并支持多屏播放和实时图形叠置“AR立体转播”,同时用户可以在电视上观看。应用的亮点在于可以实现比赛选手的击球动作回放,通过在特定位置,如棒球场的本垒板或高尔夫发球台周围设置多台摄像机,用户可自由调整球员周围的视角,从任意角度观看球员的击球动作,可具体观察球员的击球技巧。
该内容的实现需要改造棒球场及高尔夫球场以设置多个机位,改造费用较高,因此U+选择合作模式。以棒球场为例,U+与棒球联盟(独家合作)、转播商一起合作,LG
U+与转播合作伙伴共同呈现与实时自由视角视频相同的观赛体验。该内容用5G播放,每小时约消耗4.1GB。
U+职业棒球/U+高尔夫:棒球及高尔夫两项体育赛事应用均提供赛事直播和精彩回放服务,用户可选择从球场的多个位置、放大角度观看比赛,并支持多屏播放和实时图形叠置“AR立体转播”,同时用户可以在电视上观看。应用的亮点在于可以实现比赛选手的击球动作回放,通过在特定位置,如棒球场的本垒板或高尔夫发球台周围设置多台摄像机,用户可自由调整球员周围的视角,从任意角度观看球员的击球动作,可具体观察球员的击球技巧。
该内容的实现需要改造棒球场及高尔夫球场以设置多个机位,改造费用较高,因此U+选择合作模式。以棒球场为例,U+与棒球联盟(独家合作)、转播商一起合作,LG
U+与转播合作伙伴共同呈现与实时自由视角视频相同的观赛体验。该内容用5G播放,每小时约消耗4.1GB。
U+偶像直播:该业务充分利用KPOP韩流明星在韩国的热度,提供著名韩流偶像团体演出的视频直播和录播,在女性用户和年轻用户中最受欢迎。用户可通过360度VR视频观看演唱会,并且可以实现选择最喜爱的艺人观看他们演出的特写视频,同一时间可以选择至多3个艺人特写在同一屏幕观看。
此外,用户通过简单的界面操作就能选择同时观看不同视角(舞台正面、侧面、背面,由LG
U+独家拍摄,只能在U+Idol
live上观看)或不同艺人,还可在不同视角和艺人之间实时切换。并且可以在现场直播期间,返回错过或希望重复观看的部分。此外,可以设置特定艺人的闹钟提醒,将在该艺人表演时闹钟提醒,以避免错过表演。虽然U+提供的是2D的视频,但是可多视角观看及选择自己喜欢的艺人(可选择不同速度和角度)的创新特点吸引了女性及年轻客户。
AI健身:LG U+与Kakao VX合作,为U+提供独家免费访问AI健身内容,用户可跟随AI教练以正确的姿势锻炼。目前带有3D
AR的四个不同的家庭培训视频和360度运动录像,用户可从多个角度查看和学习姿势。AI健身提供的家庭计划包括重量练习、瑜伽、普拉提、舞蹈等多项运动,以让用户实现健身和缓解压力的目的。
Smart home Training智能网上培训:该培训是由Kakao
VX专门开发旨在进入基于5G的家庭培训市场的服务,提供200多种健康内容,融合了AI和AR等各种技术。AI教练不仅可以像传统的家庭训练内容那样执行动作,还可以实时纠正姿势。锻炼完成后将自动分析时间、燃烧的卡路里和每个动作的准确性。LG
U +计划将“Smart home
Training智能网上培训”发展成为一个开放平台,可以从上面购买相关视频内容及家庭培训相关的产品和食品,计划到今年年底将平台内容数量增加到现在的两倍约为400余项。
U+AR购物:这是一项将AR添加到家庭购物的服务,当用户使用智能手机相机播放家庭购物频道时,用户可以360度3D AR方式查看产品信息,并可以使用Video AR功能来更详细地了解更多产品信息。此项服务适用于所有移动运营商客户和IPTV用户,享受与现有家庭购物相同折扣,LG U+5G用户在年底前能够获得额外5%的折扣。
虽然SKT和KT也提供类似的沉浸式媒体C端应用,但我们认为LG U+的应用更为丰富且具有独特优势:1)U+将AR、VR等媒体服务捆绑到标准5G套餐中来实现套餐差异化,且大部分应用可免费提供,用户无需为内容支付额外的费用,而SKT和KT的类似内容较多需额外支付费用;2)U+以投资合作的方式与诸多VR/AR内容制作商共同制作内容,其AR内容是自己拍摄的真正独一无二的视频,可以与其他运营商形成差异化的战略;3)根据U+管理层的介绍,公司AR/VR业务相比竞争对手目标受众更广,U+偶像直播应用针对的是10-20岁的用户群,棒球应用针对的是30-40岁的用户群,而高尔夫应用针对的是50-60岁的用户群,U+提供多元化的应用以覆盖不同年龄的目标客户;4)只有LG U+的高尔夫和棒球应用提供多屏观看业务。
LG今年推出的V50 ThinQ 5G手机配备外挂式双屏配件,搭载一块6.2英寸、OLED材质、分辨率为2160*1080的屏幕,带上手机壳后,该手机能化身“双屏手机”,双屏可运行不同的任务。我们认为双屏带来的以不同视角观看体育赛事及演唱会、玩游戏时可以将一个屏化身虚拟手柄使用等功能可有效升级用户体验。
韩国经验对中国的启示:运营商注重内容领域布局,VR有望成为5G最先落地的应用场景
5G商用进程加速,解决部分VR痛点
全球5G商用进程加速,韩国5G部署及5G用户渗透率在运营商的推动及政策支持下超预期发展,国内于今年6月提前发放5G牌照,10月5G手机销售249万部,环比增加402%,预计11月销量可观。2020年中国三大运营商表示拟在2020年实现5G覆盖所有地级市。5G网络高速率、低时延的特性适合承载VR/AR业务,并大幅提高用户体验,可以有效解决VR/AR目前所存在的渲染能力不足、终端移动性等痛点。
运营商在内容端的参与度有望加深,推动VR/AR落地
在提速降费持续推进、4G投资成本未完全收回、5G盈利模式尚不清晰的情况下,运营商对于5G的巨额资金投入面临压力。我们预计未来5年中国市场5G的投资将达1.2万亿,全球投资总额有望达3-4万亿水平,为此运营商需寻要找新的盈利模式,有效提高ARPU值。
3G/4G时代,运营商主要扮演管道角色,主要提供网络;5G时代,我们认为三大运营商逐步将在内容领域布局,例如中国移动入股芒果超媒,成为其第二大股东,并自建咪咕影视等内容;中国电信通过控股子公司积极布局以VR内容为重要组成部分的5G内容领域,并与LG U+签订VR内容引入和VR直播合作协议;中国联通自建沃视频,并与爱奇艺等在MR/VR/AR、超高清视频等领域达成合作。放眼海外,以LG U+、KT、SKT为代表的韩国运营商极其重视VR/AR及云游戏等5G应用内容并纷纷布局,且VR/AR应用均为其5G套餐中的重点。我们认为运营商有望进一步参与5G场景/应用领域,有效推动以VR/AR为核心应用的5G内容领域落地。
自从韩国4月推出面向个人消费者的5G套餐以来,月均用户流量提升约3倍,其中超过一半的应用由VR/AR视频贡献。我们认为在中国市场,VR/AR应用同样能够撬动运营商ARPU值的提升,无论是消费者市场或是B2B/B2G市场,围绕VR/AR的内容有望为运营商带来新的商业机会,因此运营商也会积极的推动VR/AR应用的发展以吸引用户。
提供差异化5G内容的运营商将具备优势
中韩市场同样存在一个有所区别的特征:韩国运营商为了能够迅速吸引5G用户,为消费者提供了不同方式的购机补贴。补贴方式包括设备补贴,以及给零售商和代理商的佣金。在一些零售店中,运营商补贴叠加上运营商给渠道商的600,000韩元(折合3600人民币)的返利,用户甚至可以几乎免费获得5G手机。同时运营商在套餐中捆绑VR头盔,购置最高价值5G套餐的用户甚至可以免费获得VR设备,以吸引用户体验沉浸式的媒体服务。高额的补贴费用是韩国5G用户渗透率迅速提高的原因之一,而目前中国三大运营商推出的5G个人套餐资费在128-599区间,尚不包含大幅度的终端补贴,套餐之间价格无明显差异,我们认为未来能够提供差异化5G应用内容的运营商将在下一阶段的市场份额拓展中具备优势。
VR/AR产业未来前景展望
VR/AR市场规模和空间:2023年全球VR设备超过3500万,AR设备超过3000万
经过低谷期的一系列洗牌和调整后,VR/AR行业将迎来平稳增长期。IDC数据显示,到2023年,全球VR设备年出货量超过3500万,AR进展将慢于VR,到2023年全球出货量也将超过3000万。从中国市场来看,2019年VR/AR头显设备出货量强劲增长。据IDC数据,2018年全年中国虚拟现实设备出货量为120万台,其中VR头显出货量为116.8 台,AR头显出货量3.2万台。2019年第一季度,中国AR/VR 头显设备出货量接近27.5万台,同比增长15.1%。5G商用化带来运营商渠道对头显设备的需求大幅上升。预计 2023 年,中国VR头显设备出货量将突破1000万台,AR设备出货量将超过800万台。VR/AR市场增长的推动力包括:5G和千兆带宽网络建设的推进,硬件技术的突破,以及越来越丰富的内容和场景。
VR/AR的终端形态展望:一体机VR将逐步超过PC VR成为最大的市场
从终端形态来看,目前VR头显目前主要分为主机式(PC VR),手机式(手机盒子),一体式三类。
2016年以前,主要以手机盒子形态为主,例如Pico1,三星的Gear VR等。这类产品成本较低,使用简单,普及较快。手机盒子的问题在于对手机屏幕的分辨率要求较高,也对不同手机的兼容性要求较高,没有互动性,受限于手机的处理能力,也难以做进一步的开发和升级。因此手机盒子VR只是一个过渡,不会成为VR的主流形态。
2017年,PC VR开始兴起,第一代PC VR包括Oculus Rift、HTC Vive、PS VR等。PC VR能实现的功能强大许多,如位置追踪、无线控制等等,搭配丰富的遥控套件,在游戏体验方面更为出色。但是这些设备并没能培养出一个积极活跃的消费生态。一方面是高昂的价格,另一方面是由于系统适配问题,需要复杂的安装、调试并处理兼容性,因此买来往往被长期闲置。
目前,以Facebook的Oculus Quest为代表的一体机VR开始被越来越多人认为是VR设备的未来主流形态。一体机VR本身内置处理器,并集成屏幕,意味着没有线缆,没有外部传感器,无需PC和智能手机,只要戴上VR,启动系统,马上步入虚拟世界。目前VR一体机的问题在于技术门槛过高、成本过高,目前的技术水平下,体验比主机式VR要弱一些。
未来五年,PC VR和一体机VR将作为VR主要的两条产品线并行发展,一体机VR或将逐渐超过PC VR成为最大的市场。一体机VR逐渐配备上PC
VR已具备的先进技术特性,比如的头手双6DoF等。一体机VR在未来的技术迭代还包括全身动捕技术、眼动追踪技术、面部捕捉技术、变焦显示技术等前沿技术的集成(这些技术或将分批次集成),以及产品的简易轻便小型化。PC
VR依然代表着最高端的性能和最优秀的体验,应用于高性能需求的场景中。同时,PC
VR的另一个非常重要的角色是——探索最前沿技术的可能性,然后再将技术成果移植到一体机VR上。现在我们已经看到的有:Facebook在Oculus
Rift上探索的消费级低成本全身动捕技术、面部捕捉技术等等。未来,PC VR和一体机VR的发展过程很可能会类似于服务器和个人电脑。
VR/AR产业链机遇展望:终端+网络+内容
VR/AR产业链条长,参与主体多,主要分为内容应用、终端器件、网络平台和内容生产。
终端器件方面,主要涉及头显整机、感知交互和关键器件。头显整机中,我国聚集了全球主要的头显硬件制造商歌尔股份,成为全球的硬件采购和组装中心,以大朋、Pico
为代表的终端企业发展迅速,成为我国一体机市场的主要力量,华为、小米、爱奇艺等陆续进入。在感知交互方面,涌现出七鑫易维、诺亦腾、NOLO、瑞立视等一批在追踪定位多通道交互领域的特色企业。在屏幕、芯片、传感器等关键器件中,京东方凭借
AMOLED 屏幕、快速响应液晶屏与 OLED-on Si 在虚拟现实近眼显示领域实现突破。网络通信/云控平台方面,虚拟现实为
5G网络的市场经营和业务发展探索新的机会,此外,华为、兰亭数字、7663、视博云等在福建移动开通全球首个运营商云控平台,通过Cloud VR 连接电信网络与
VR
产业链,助推虚拟现实加速普及。内容应用方面,VR的解决方案聚焦在文化娱乐、教育培训、工业生产、医疗健康和商贸创意方面。教育培训内容企业成为行业应用中的主要力量,以百度VR、威爱教育、幻鲸VR、网龙华渔等为代表的企业纷纷布局;在文化娱乐方面,爱奇艺、斗鱼、完美世界、赛欧必弗等公司陆续在VR视频、VR直播、VR游戏等领域布局。内容生产系统方面,主要涉及操作系统、开发引擎和
SDK 等开发环境和全景相机、拼接缝合、三维重建等采集系统,目前我国涌现出睿悦、微鲸、Insta 360、川大智胜、通甲优博等一批代表性企业。
风险提示
虚拟现实技术及增强现实技术发展不及预期、国内运营商5G布局不及预期。