6G網絡下的全息技術發展及業務趨勢

侯文軍，白冰，楊本植

6G網絡下的全息技術發展及業務趨勢

侯文軍1，白冰1，楊本植2

（1. 北京郵電大學，北京 100876；2. 中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

6G的研究已經在全球范圍內展開，聚焦于6G網絡下全息交互類業務，通過研究全息交互類場景和業務，分析了對未來網絡性能的要求，進而為6G網絡的設計研究和技術演進提供業務需求方面的基礎。研究了全息技術與應用現狀、全息通信與全息交互類場景以及場景業務的技術指標和網絡性能需求。定義了全息技術的發展階段、發展成熟度、5G下的全息產業鏈、全息技術應用領域分布。構建了全息類場景池、場景特征，并基于特征形成六大類應用場景。通過技術指標測算，提出了全息人像傳輸的帶寬性能要求。

6G；全息交互；全息通信；場景挖掘；業務趨勢

1 引言

6G的服務對象將從物理世界的人、機、物拓展至虛擬世界的“境”，滿足人類精神和物質的全方位需求。全息交互將是實現“境”體驗的一種典型方式，將是未來6G網絡的核心應用之一。劉光毅等[1]和中國信息通信研究院發布的《6G總體愿景與潛在關鍵技術白皮書》[2]都提到，6G將會是一個空天地海一體化的網絡布局，在6G時代，通信業務模式、交互方式和體驗都將有巨大的變化，許多現有業務也會在6G時代發生轉變，如全息會議、全息智能制造、全息地圖、全息手術等，6G時代的業務形態如圖1所示。同時也會誕生全新的業務，如全息車內演唱會，如圖2所示。這些變化對未來網絡有著新的要求，同時也會帶來新的業務發展契機，可以說抓住了業務就是抓住了6G。

圖1 6G時代的業務形態

圖2 全息車內演唱會場景

2 研究路線

為研究6G網絡下全息交互類業務需求，第一步需要進行相關的技術跟蹤研究，包含全息顯示技術及其相關的智能技術、人機交互技術等方面，分析其主要應用領域，收集資料建立相關技術研究智庫；同步進行文獻分析，梳理生成發展脈絡，進行發展成熟度評價，繪制技術發展路線圖；開展全息技術市場、全息技術產品類型及應用領域分析，研究當下的技術熱點并預測未來10～20年的全息技術及其他相關新技術發展趨勢與應用趨勢。第二步挖掘全息技術與相關新型交互技術的應用場景，研究用戶需求，提出未來場景涉及的關鍵影響因素，定義用戶畫像，進行場景需求細分，建立技術與需求之間的映射關系，給出應用場景分類及對應類別特征。第三步針對上一步產出的場景池，選取全息交互的典型應用場景，設計用例，從技術推演功能和人機環拆分兩個角度共同探索業務模型的建立，并設計全息顯示及多模態交互劇本，完成業務仿真原型。最后一步以應用模型為基礎，梳理分析典型業務的關鍵技術，提出全息技術和交互技術的核心技術指標，進而測算出業務的網絡通信性能需求。整體研究路線如圖3所示。

圖3 整體研究路線

3 全息技術發展及應用現狀

3.1 全息技術發展階段

全息顯示的概念，受到科幻電影和媒體/商業報道的影響，逐漸偏離了物理上嚴謹定義的全息，相比于光學全息對物體物光波和參考光波疊加干涉記錄信息并重現的過程，現在的全息多指一種三維（3D）立體視覺的效果，其發展經歷了以下3個階段。

● 雙目立體，根據人左、右眼看到的畫面不同，在生理上進行立體視覺的拼合形成的效果。

● 運動視差，多視點的雙目立體，人眼可以在不同的視點處觀察，可以得到畫面中內容的不同角度的圖像，讓人產生更加明顯的立體視覺。

● 模糊聚焦，結合了光場技術，從更多的視點處，由相機陣列集中采集，并依據光路可逆性進行多角度重現。

以上3個階段，雙目立體與運動視差均完成的是2D呈現的立體視覺，而光場呈現的是3D的效果。全息技術發展階段如圖4所示。

圖4 全息技術發展階段

對于2D全息，實現的技術方法比較多，按照原理將其分為3類：第一類是作為立體空間中的承接屏幕，屬于投影膜類型，常見的有旋轉扇葉屏、霧屏、投影儀等；第二類是作為空間中成像的折射板，通常由半反半透的板子組成，比較代表性的是ASKA3D板；第三類是在2D顯示器上添加立體光柵（狹縫光柵或柱透鏡光柵）的光柵顯示器，它能夠完成多視點運動視差的立體呈現。3D全息常見的技術手段有點云和光場兩種，這兩種技術區別于2D全息的地方在于真正采集并重現了物體的三維信息，相比于2D全息利用人眼的視差及大腦合成立體視覺，信息要豐富很多。從技術原理和視覺效果來評估，光場重構技術是最接近理想3D顯示的技術。

3.2 全息技術發展成熟度

通過爬蟲獲取全息技術的文獻與專利數據，由CiteSpace分析得出研究熱點、演進路徑及技術布局，并通過擬合Gartner曲線挖掘技術發展潛在規律、瓶頸。全息技術發展過程曲線如圖5所示，理想全息（真全息）的發展歷史比較久，從1947年Garbo發明全息術以來，經歷了3個階段——傳統光學全息、數字全息和計算全息。文獻記載和數據顯示，全息術的概念被提出后，很快便達到了研究熱度高峰，并在Goodman提出數字全息概念時達到頂峰，由于數字全息采用CCD等電荷耦合設備替代了傳統的化學底板，它的提出實現了全息術由光學到電子技術的跨越。但是很快數字全息的發展限制便被發現了——算力、算法及設備的不支持，于是全息技術的研究熱度發生了大幅下降。到達谷底之后，由于數碼相機的普及和21世紀初期計算機技術的大發展，數字全息的思想與計算機模擬/建模的方法相結合，產生了計算全息的分支領域，它不僅可以完成對現實物體的光場建模，還可以完成虛擬模型的全息顯示，因此全息技術的研究熱度正在穩步上升，從科研成果數量和主題分布來看，現如今的計算全息研究熱點集中在5個方面：計算全息實時顯示技術[3-4]、彩色全息術[5-6]、計算全息編碼技術[7]、計算全息光學加密技術[8-9]和動態計算全息圖制作技術[10]。

從以上的研究分析可以總結出：全息技術的發展是一個提出需求、解決算力算法條件、再提出新需求、再解決算力算法的交替上升的過程。現階段，計算全息是前沿的技術階段，它所面臨的技術瓶頸在于計算全息圖的制作需要龐大的算力支撐，并且計算全息圖的算法效率也相對較低。從計算全息的研究主題來看，它正在從基礎理論、基礎設施向著算法、數據和應用場景演化。從技術形式上看，理想全息交互與VR的主要區別在于裸眼、不借助頭戴設備[11]，與AR的區別在于成像為真實的3D空氣成像，不是呈在屏幕中的虛擬像。但是受限于技術水平與人們對全息概念的刻板印象，將VR/AR歸到類全息范疇中。

圖5 全息技術發展過程曲線

3.3 全息產業鏈

全息技術的創新應用一直在加速滲透，本文結合相關行業報告數據，分析了全息行業市場格局、市場規模及市場走向，基于爬蟲獲取領域內企業信息并構建數據庫，利用數據挖掘算法進行聚類，得出各類職能定位進而提出類全息技術在5G網絡下的產業鏈，為6G網絡下的全息業務提供基礎骨架，并基于后續場景挖掘的研究對其進行重塑，為未來6G網絡下新型業務趨勢的研究和業務模型的提出做儲備。對全息產業鏈的研究過程分為3個階段，包括前期的市場分析、中期的數據收集以及后期的數據分析。產出了一個全息企業信息的數據庫，基于該數據庫最后得出了全息產業鏈研究架構，研究過程如圖6所示。

最終形成的全息產業鏈研究架構如圖7所示。產業鏈的上游部分包含零件商、材料商、服務器商、芯片商，上游的職能在于為中、下游企業提供需要的云計算、云服務器、硬件設備、芯片、電路元件、光學器材、有機材料、信號處理設備和專業儀器（鏡頭、投影幕等服務、材料、零件和設備）。中游的部分包含內容設計商、集成服務商和整機產品商，依據實際場景中的需求，在上游技術與服務的支持下，提供整機產品銷售、全息全鏈路服務和全息產品內容設計、建模與呈現等多種類型的服務。下游包含空氣成像類產品、立體眼鏡類產品、3D屏顯類產品等的產品層。

圖6 全息產業鏈研究過程

圖7 全息產業鏈研究架構

在完成全息類業務應用領域研究后，可以發現全息類產業鏈具有規模龐大、職能完整、結構多樣、涉足領域廣泛的特點。同時全息產業鏈也存在諸多挑戰，包括行業生態起步較晚、不夠成熟、高精尖技術廠商較少、應用場景豐富度不足、平臺遷移成本較高、消費水平居高不下。

3.4 全息技術應用領域

在產業鏈分析中，本文構建了全息類業務產品的數據庫，采用層次分析法、灰度關聯法及集對分析法建立應用成熟度分析指標體系，應用到基于國民經濟分類表格的行業劃分結構中，計算出全息技術在各領域的應用成熟度，研究發現，全息應用較為成熟的領域有服務與銷售、游戲、影院、新聞與舞美、教育、駕駛、文化和體育。由于這些行業與生活、娛樂方面息息相關，應用較為直接，因此發展迅猛且發展日趨成熟。全息技術在以上領域的用途主要有兩點：一是輔助展示，例如通過全息技術展示商品廣告，讓消費者更加清晰地了解產品，激發購買欲；二是增強真實感，例如立體影院為觀眾營造身臨其境的觀影體驗。全息技術在這些領域應用的同時，為了提升用戶的沉浸感，也融合多種交互技術在內，例如語音、體感等交互方式，更凸顯智能化效果。但是，在部分專業、科技要求高的領域，例如農林牧漁、采礦、醫療衛生等方面，全息技術應用較少，還處在探索和發展期。全息應用領域成熟度分析如圖8所示。

圖8 全息應用領域成熟度分析

4 6G全息通信與全息交互場景

基于對全息技術的發展和應用現狀的研究結果，探索未來6G網絡下全息通信與全息交互類業務的場景特征，結合6G的技術特征，如更大帶寬、更低時延、更廣連接、全面覆蓋、AI組網等，從5G到6G場景拓展、用戶調研、專家訪談、頭腦風暴4個方面構建6G網絡下全息交互類業務的場景池。在現階段已經產出了300余個有效場景，覆蓋文化、家居、廣告、舞美、傳媒、娛樂、教育、醫療、交通、體育、安防、工業、農業、旅行、寵物、游戲、藝術、漁業、兒童、設計、地質等多領域。

為了評估場景池中數據的合理性，判別其是否適合6G、適合全息交互，本文從全息技術適配度、6G技術適配度、用戶價值、市場價值4個方向進行場景價值的綜合評估。

首先，對場景進行特征描述的階段定義了6個維度：時間、空間、交互、心理、內容以及感官。其中，空間包括狹小—宏大、封閉—開放、固定—移動；時間包括短暫—持久、耗散—永續；交互包括穩定—躍遷、個體—群體、人機單向—人機耦合、滯鈍—融智；心理包括理智—情感、低荷—負荷、游離—聚焦；內容包括抽象—全真；感官包括：獨感—交感、平緩—沖擊。

其次，6G技術需求度將6G的技術指標按照時間自由度、空間自由度、網絡穩定性和通信智能化4個方面劃分，時間自由度包括實時性、帶寬；空間自由度包括傳輸距離、移動性、傳輸高度/深度、連接數密度、定位精度；網絡穩定性包括安全性、同步性、可靠性、抗干擾性；網絡智能化包括網絡算力規模、網絡自適應性、網絡切片、情景感知能力。在用戶價值上，通過改良馬斯洛判別模型，從自我實現需求、尊重需求、社交需求、安全需求、生理需求5個方面進行評估。

最后，在市場價值上，按照市場規模、生命周期、社會價值和可持續發展4個方面評估。最終建立評估體系，由用戶/專家對場景打分，通過二次聚類法，將場景池中的場景進行聚類得到6G網絡下全息交互的6類場景，如圖9所示，快速響應遠程監控系統、大容量數據管理平臺、強算力無人智能服務、低時延精密輔助設備、沉浸式全息交互體驗以及高質量全息影像顯示。

5 全息技術指標測算

基于場景分析得到6G全息交互類業務的場景特征描述后，本文以遠程全息人像傳輸功能為例，結合文獻[12]，測算了不同類型全息技術的核心技術指標及通信帶寬需求。全息技術按照技術原理與顯示效果分為2D全息、3D全息與狹義全息，其中，2D全息的技術手段包括全息板、投影膜、光柵顯示器，3D全息的技術手段包括點云[13-14]和光場[15]，而狹義全息的技術手段包括數字全息與計算全息[16-20]。各類型全息技術的帶寬計算方法如下（其中，投影板以4路金字塔全息為例）。

投影板帶寬 = 分辨率×色深×幀率×傳輸壓縮率×4

投影膜帶寬 = 分辨率×色深×幀率×傳輸壓縮率

立體光柵帶寬 = 分辨率×色深×幀率×傳輸壓縮率

點云帶寬=單幀點數×（單點數據量+頭文件存儲量）×傳輸壓縮率

光場的相機陣列帶寬=單路相機分辨率×色深×幀率×相機陣列數×密集相機陣列壓縮率×傳輸壓縮率

光場的全光相機帶寬 = 全光相機圖像分辨率×色深×幀率×密集相機陣列壓縮率×傳輸壓縮率

數字全息的帶寬 = 通道數×每通道位數×像素數×幀率×傳輸壓縮率

計算全息的帶寬 = 通道數×每通道位數×像素數×幀率×傳輸壓縮率

全息技術指標與不同體驗測算下相關的技術指標見表1。

最終產出的全息單人圖像傳輸在各類全息技術上的帶寬需求見表2。

圖9 6G網絡下全息交互的6類場景

在2D全息測算時，雖然技術種類不同，但本質都是傳輸2D視頻，ASKA3D投影板以4路全息金字塔的形式作為代表，它的視頻數據量為普通視頻的4倍，投影膜是普通的2D視頻單路，立體光柵涉及多視點以及顯示器分辨率限制，單一視點的分辨率會有所下降，但是傳輸的數據與單路視頻區別不大，主要在于傳輸單路視頻加其他路視頻與該視點的差別數據。

在3D全息的測算時，采用光場和點云兩種數據形式，點云的點數直接映射為像素數，光場中相機陣列的數量決定了視頻路數，全光相機的構造為微透鏡陣列模擬多路相機陣列，分辨率比單路相機下降很多，但單幅分辨率累加高很多。

真全息（狹義全息）按照公式計算，由波長和視場角決定像素密度，再由顯示尺寸和像素密度得出像素數量，進而計算帶寬。

從帶寬的計算結果來分析，真全息的傳輸需要的帶寬非常龐大，算力要求也很高，超出了5G乃至6G的承受范圍，因此6G是可以支撐點云/光場全息的，但是無法支撐狹義全息。

表1 全息技術指標與不同體驗測算下相關的技術指標

表2 各類全息技術帶寬需求

6 結束語

全息交互類業務是6G下的典型業務，未來的全息信息傳遞將通過“境”的形式體現，實現人、物及其環境的三維動態交互。在研究的過程中發現，現有的場景業務研究方式不能完全適配于未來6G業務內容的研究，因此對全息交互類技術的發展現狀做分析，以此為基礎開展未來6G下全息通信與全息交互類業務的場景挖掘，產出了初步的場景池架構，并基于多個角度綜合建立的場景價值評估體系，得出以場景特征為基礎的上層分類。最后以全息單人人像傳輸為例，分析并提出了各類全息技術的核心技術指標，給出了兩種體驗等級的帶寬估算結果。在后續的工作中將繼續豐富場景池內容，對典型場景進行設計用例，從技術支撐和設計發散兩個方面綜合產出業務原型，并完成其他核心通信技術指標（如時延、吞吐率、穩定性等的測算）。

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Research on the development and business trend of holographic technology under 6G network

HOU Wenjun1, BAI Bing1, YANG Benzhi2

1. Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China 2. China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China

Research on 6G has been carried out on a global scale. Focusing on holographic interactive services under 6G, the requirements for future network performance by studying holographic interactive scenarios and services were analyzed. A basis for business requirements for the design and research and technological evolution of 6G networks was provided. The holographic technology and application status, holographic communication and holographic interaction scenarios, as well as the technical indicators and network performance requirements of the scene business were studied. The holographic technology development stage, development maturity, holographic industry chain under 5G, and holographic technology application field distribution were defined. A holographic scene pool and scene characteristics were constructed, and six types of application scenes were formed based on the characteristics. Through the calculation of technical indicators, the bandwidth performance requirements of holographic portrait transmission were proposed.

6G, holographic interaction, holographic communication, scene mining, business trends

TP39

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021254

侯文軍（1964?），女，北京郵電大學教授、博士生導師，主要研究方向為人機交互與智能設計。

白冰（1996?），男，北京郵電大學博士生，主要研究方向為人機交互與智能設計。

楊本植（1984?），男，中國移動通信有限公司研究院研究員，主要研究方向為未來網絡的業務趨勢、業務技術、全息通信業務模式及網絡需求、未來網絡下的智能交互技術。

Funded by Beijing University of Posts and Telecommunications-China Mobile Research Institute Joint Innovation Center

2021?09?08；

2021?11?16

北京郵電大學-中國移動研究院聯合創新中心資助項目