AR/VR專利技術分析

孫世寧

摘 要：AR/VR技術因其廣闊的應用前景已逐漸被國內外企業所重視，并被我國列為優先發展的前沿技術之一。通過對專利數據的分析可以實現對技術和商業情報的深度挖掘和客觀評價，本文將從多個視角對AR/VR技術進行介紹，著重介紹決定AR/VR的關鍵技術。

關鍵詞：AR/VR；關鍵技術；專利分析

1、全球范圍內AR/VR技術發展概況

自20世紀70年代以來，用于增強現實或者虛擬現實的頭戴顯示設備便被提出，AR/VR頭戴顯示設備在這40多年間處于快速發展階段。隨著人們對AR/VR頭戴顯示設備關注度的不斷提升，國內外各類申請人不斷加大研發力度，AR/VR頭戴顯示設備的技術不斷向前發展。2000年之后，隨著國內技術的發展以及中國經濟的增長，國內專利申請量開始有了相對較快的增長，隨后在2009年左右，國內申請量增長速度與國外申請量增長速度趨于一致，接下來的時間里始終保持著高增長的態勢。到2017年，我國AR/VR頭戴顯示設備專利申請量相比2009年增長了10倍以上。AR/VR頭戴顯示設備的申請量前四位的國家/地區/組織分別是美國、日本、歐盟和中國，這四個國家和地區占全球專利申請總量的八成以上，美國和日本的專利申請量就占了全球申請量的一半，其中美國是專利申請量最多的技術來源國，占全球申請量的36%，其次是日本，占全球申請量的21%，緊隨其后的是歐盟和中國提交的申請，分別占全球申請量的12%和11%。充分顯示了上述區域在頭戴顯示設備的重要性，以及美國與日本在AR/VR頭戴顯示設備領域的技術創新能力優勢明顯。

2、決定AR/VR的關鍵技術

2.1大視角的沉浸體驗

在頭戴顯示設備的VR和AR體驗中，視場角的大小直接影響到顯示設備的顯示效果以及使用者的體驗感受，因此視場角寬度一直是申請人關注的熱點之一。

索尼公司較早的提出通過避免可視范圍內色散度從而提高頭戴顯示VR設備的可視化角度，如1996年提出的專利申請JP12064496，通過使用液晶偏振抑制色散，從而提高可視化的視角。

LUMUS有限公司在2003年提出的專利申請US20030297261中提出了一種多個棱鏡整齊排列構成的透明平板，包括光傳輸基片、用來通過全內反射將光耦合進基片內的光學裝置和多個由基片承載的部分反射面，基片由多個棱鏡或多個平行的透明平板組成，部分反射面由涂覆有光學涂層的柔軟透明片組成，以獲得具有預定亮度的視場，透明平板可被嵌入眼鏡框內或被嵌入便攜式電話內，能夠實現30°的增強現實的視場角。

目前來說VR和AR頭戴顯示設備最優的視場效果是怎樣的呢？

STARbreeze在2016年提出了具有210°視場角的VR專利申請WO2016EP65209，這個光學系統接近于自然人眼的視角，最重要的是其采用了平面的菲涅爾表面的透鏡，具有了極大的視場角、高質量的成像、更優的對比度、減少了雜散光并且緊湊且輕量化。成都虛擬世界科技有限公司在2016年推出的IDEALENS一體機專利申請CN201611029369具有180°的VR視場角度，并具備相應的畸變校正算法，該專利申請為一種用于單目的近眼顯示系統以及虛擬現實設備，近眼顯示系統包括左側成像裝置和右側成像裝置，左側成像裝置和右側成像裝置的結構相同；左側成像裝置包括第一圖像源和第一成像單元，第一圖像源出射的圖像光線經過第一成像單元后進入人眼，右側成像裝置包括第二圖像源和第二成像單元，第二圖像源出射的圖像光線經過第二成像單元后進入人眼，由于第一成像單元出射的最右側光線與第二成像單元出射的最左側光線之間的夾角范圍為100°～180°，使得虛擬現實技術能夠在視覺上滿足人眼的觀看需求，從而能夠向用戶提供沉浸式的體驗。

2.2眼動追蹤技術

眼動追蹤技術包括虹膜識別和眼球追蹤，虹膜識別是利用人類眼睛進行的，每個人眼睛的虹膜都是獨特的，相較于面部識別、指紋識別都更加安全和有效。眼球追蹤技術能夠追蹤眼球的運動并利用這種眼球運動增強產品或服務的體驗，能夠實現注釋點渲染，對減少眩暈產生一定的效果，使用眼球的運動和設備進行交互能夠解放頭部運動和雙手，只要簡單的看著或者眼球轉動就能夠快速實現人機交互。

1995年奧林巴斯公司提出了追蹤眼球位置調節圖像的專利申請JP31039295，根據人眼的眼球位置與人眼調節實現圖像調整的方式，更加符合視覺生理特性。谷歌公司在2012年提出專利申請US201213427583，通過感測使用者視線，控制選擇觀測目標；精工愛普生也在2012年提出專利申請JP2012285283，通過檢測用戶注視方向確定用戶凝視的地方區域作為外景被識別；可以看出企業已經開始關注通過追蹤使用者眼球的視線方向而實現外景或控制目標的選擇。隨著眼球追蹤技術的發展，眼球追蹤不僅僅是用于圖像位置調整和目標控制選擇，其逐漸與圖像渲染、圖像顯示分辨率和顯示質量相結合。2013年SMI創新傳感技術有限公司提出了專利申請CN201380045737，利用雙眼追蹤，計算來自眼睛的定向向量，并且渲染注視點的左右眼圖像，提高分辨率。2014年，精工愛普生提出專利申請JP2014213543，通過檢測使用者視線方向，調整進入到使用者眼睛中的外界光線，從而提高顯示質量。

2.3 虛空中的手勢操作

在AR/VR交互方式中，不再使用鼠標鍵盤，大部分交互使用手直接抓取的方式，使用手勢跟蹤作為交互具有多種方式，例如是光學跟蹤比如Leap Motion、將傳感器戴在手上的數據手套。手指具有多個關節點并且伴隨著多個關節移動的角度，在移動過程中手勢具有多個自由度，操作靈活，并且簡化了設備部件，在空中彎曲手指、比劃手勢或者作出點擊、滑動、抓取等自然手勢動作，就能夠被捕捉到，實現操作控制。

谷歌公司在2011年提出了專利申請US20110507184，包括通過眼鏡上發射出的紅外光線照射到手上，利用眼鏡上的紅外相機探測反射回的紅外線，以實現人機交互的手勢追蹤方式。手勢交互主要是用于對顯示圖像的控制和對顯示設備的操作，在2012年提出了專利申請US201213630537，過手勢觸發操作并識別手勢限制的區域用來限定圖像攝取位置和范圍。精工愛普生在2013年提出了一種手指移動操作虛擬部的頭戴顯示裝置專利申請CN201410616180，通過檢測使用者手指的移動，使用者觀看到手指移動的虛像，檢測到和手指移動相應的虛擬操作部，進行操作。上述幾種都涉及到了利用手勢交互實現簡單動作的操作控制，隨著使用者體驗需求的要求以及交互技術的發展，手勢交互越來越多的體現了自然人手勢動作的操作和體驗需求。例如索尼公司在2014年提出一種手套專利申請JP2013229441，通過手套進行觸碰、抓取等動作操作。