數字現實技術：元宇宙的入口及核心技術

□文/ 馮 云 杭州市科技信息研究院

根據《德勤2018 技術趨勢報告》，數字現實（DR）是一個總括性術語，涵蓋增強現實（AR）、虛擬現實（VR）、混合現實（MR）、360°全景視頻和沉浸式技術等。隨著技術的發展，數字現實所包含的內容不斷變化，在《德勤2020 技術趨勢報告》中，數字現實涵蓋的內容增加了語音交互、語音識別、普適計算等。數字現實正在重新定義人類與數據、技術以及彼此間的互動方式。

數字現實技術幫助用戶突破鍵盤和屏幕的禁錮，與用戶感知無縫銜接，用戶可更加自然地參與互動。它可以打破傳統的空間界限，讓人與底層技術進行自然、本能甚至下意識的互動。在數字現實技術中，可穿戴設備、智能產品和傳感器方面的突破有時會吸引最多的關注，但最關鍵的點不在于設備本身，而是通過設備所開啟的交互和體驗。數字現實領域取得的進步將引領科技以更自然、更直觀的方式使我們的生活更美好，我們與數字信息交互的方式，將可能由屏幕和硬件轉變為手勢、表情和眼神。

增強現實（AR）

●定義

增強現實是把計算機產生的虛擬物體或其他信息合成到用戶看到的真實世界中的一種交互式的可視化技術。所謂增強，就是將計算機生成的虛擬信息加于真實的場景之上，產生虛實相融的視覺效果，讓人們身處真實的場景卻能感覺到除真實物體以外的虛擬信息，這些感受包括視覺、聽覺甚至味覺，從而增強用戶對真實環境的理解。突破屏幕、虛實結合、自然交互是增強現實技術最重要的特征。

●應用

增強現實要求的硬件系統比較容易實現，因此被廣泛應用于多個領域，如尖端武器、飛行器的研制與開發，數據模型的可視化，虛擬訓練，娛樂與藝術等。同時，由于其具有能夠對真實環境進行增強顯示輸出的特性，在醫療研究與解剖訓練、精密儀器制造和維修、軍用飛機導航、工程設計和遠程機器人控制等方面的應用也越來越多。

軍事領域：部隊可以利用增強現實技術，獲得目前所在地點的地理數據等重要軍事數據。

古跡復原和數字化文化遺產保護：文化古跡的信息以增強現實的方式提供給參觀者，用戶可以看到古跡的文字解說，還能看到遺址上殘缺部分的虛擬重構。

工業維修領域：通過頭盔顯示器將多種輔助信息顯示給用戶，包括虛擬儀表的面板、被維修設備的內部結構、被維修設備零件圖等。

教育、娛樂、游戲領域：增強現實游戲可以讓位于全球不同地點的玩家共同進入一個真實的自然場景，以虛擬替身的形式，進行網絡對戰。

旅游、展覽領域：人們在瀏覽、參觀的同時，通過增強現實技術將接收到途徑建筑的相關資料，觀看展品建筑結構的數據材料。

市政建設規劃：采用增強現實技術將規劃效果疊加在真實場景中直接獲得規劃效果。

網絡視頻通訊領域：使用增強現實和人臉跟蹤技術，在通話的同時，在通話者的面部實時疊加一些如帽子、眼鏡等虛擬物體，提高視頻對話的趣味性。

電視轉播領域：通過增強現實技術可以在轉播體育比賽的時候實時將輔助信息疊加到畫面中，使觀眾可以得到更多信息。

其他：增強現實技術還廣泛地應用于廣告、辦公環境、室內裝潢等商業領域，機器人遙控等工業制造領域。

●產業鏈

底層平臺和技術、硬件、內容以及行業應用構成增強現實產業鏈的主體，如圖1所示。

圖1 增強現實產業鏈及相關企業

增強現實產業鏈具有技術驅動型特點，人工智能技術和計算機視覺等核心底層技術制約產業發展。但是以需求為起點的行業應用卻是一個能將技術、硬件和內容結合起來的商業閉環，是未來發力的重點。

虛擬現實（VR）

●定義

虛擬現實指囊括計算機、電子信息、仿真技術于一體，以計算機模擬虛擬環境，打造仿真空間沉浸感的技術。虛擬現實技術可創造一種完全渲染的數字環境，取代用戶所處的現實環境，具有身體追蹤和運動追蹤能力。

●應用

虛擬現實應用從基礎應用階段、補充應用階段逐漸向泛行業應用階段、生態構建階段演進。基礎應用階段集中于游戲、短視頻、軍事訓練等領域，內容較為有限，交互方式單一，在C 端市場普及率低。補充應用階段，虛擬現實技術及內容應用于各類全景場景，并向教育、營銷、職業培訓、體驗館、旅游、地產等場景拓展，初步深入C 端市場。泛行業應用時代，虛擬現實應用在醫療、工業加工、建筑設計等場景的價值逐步凸顯，通過B 端用戶拓展C 端市場。應用生態構建階段是虛擬現實應用終極階段，以強交互、深入滲透為特點，虛擬現實全景社交將成為虛擬現實終極應用形態之一（如圖2）。在本文中，A 端市場是指開發界面，B 端市場是商家軟件，C端市場面向消費者。

圖2 全球市場虛擬現實應用演進

教育領域：虛擬現實技術能將三維空間的事物清楚地表達出來，能使學習者直接、自然地與虛擬環境中的各種對象進行交互作用，并通過多種形式參與到事件的發展變化過程中去，從而獲得控制和操作整個環境的最大自由度。

軍事領域：虛擬現實的最新技術成果往往被率先應用于航天和軍事訓練，利用虛擬現實技術可以模擬新式武器如飛機的操縱和訓練，以取代危險的實際操作。

工業領域：虛擬現實已大量應用于工業領域。以制造工業為例，虛擬現實技術制造業生產流程應用主要集中于工業設計、生產模擬、數字化測試、數字化仿真等領域。對汽車工業而言，虛擬現實技術既是一個最新的技術開發方法，更是一個復雜的仿真工具，它旨在建立一種人工環境，人們可以在這種環境中以一種自然的方式從事駕駛、操作和設計等實時活動。虛擬現實技術也可以廣泛用于汽車設計、實驗和培訓等方面。

藝術與娛樂領域：虛擬現實所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態的藝術（比如油畫、雕刻等）轉化為動態的，可以提高藝術表現能力。

醫療領域：在醫學教育和培訓方面，醫生見習和實習復雜手術的機會是有限的，而在虛擬現實系統中卻可以反復實踐不同的操作。虛擬現實技術將能對危險的、不能失誤的、難以提供真實演練的操作反復地進行逼真練習。

城市仿真：運用虛擬現實技術能夠使政府規劃部門、項目開發商、工程人員及公眾可從任意角度實時互動真實地看到規劃效果，更好地掌握城市的形態和理解規劃師的設計意圖，公眾的參與也能真正得到實現，這是傳統手段如平面圖、效果圖、沙盤乃至動畫等所不能達到的。

科學計算可視化：在科學研究中人們總會遇到大量的隨機數據，為了從中得到有價值的規律和結論，需要對這些數據進行分析，而科學可視化功能就是將大量字母、數字數據轉化成比原始數據更容易理解的可視圖像，并允許參與者借助可視虛擬設備檢查這些“可見”的數據。它通常被用于建設分子結構、地震、地球環境的各組成成分的數字模型。

●產業

虛擬現實從關鍵技術上看，以近眼顯示、渲染處理、感知交互、網絡傳輸、內容制作為主的技術體系正在形成。從產業構成上看，虛擬現實產業體系依托器件（設備）、工具（平臺）與內容（應用），相比較為成熟的智能終端，虛擬現實產業鏈參與主體大致趨同，但在硬件方面，手機等設備的“性能過剩”成為虛擬現實的“性能門檻”。

此外，為保證沉浸感等用戶體驗，虛擬現實內容制作所需的工具（平臺）改變較大，圍繞人機交互這一核心特性，業界需要對影音捕捉、開發引擎、網絡 傳 輸、SDK/API 等 領 域深度優化，乃至重新設計研發。

混合現實（MR）

●定義

混合現實指一組技術組合，虛擬現實技術及增強現實技術的進一步發展。混合現實是借助先進的計算機技術、圖像處理技術和人機交互技術生成具有虛實融合特征的可視化環境，在該環境中虛擬和現實對象并存，學習者可與之進行實時交互。

混合現實技術通過在現實場景呈現虛擬場景信息，在現實世界、虛擬世界和用戶之間搭建交互反饋信息回爐，以增強用戶體驗真實感。混合現實可無縫融合用戶所處的現實世界和數字化內容，兩個環境可以共同存在、相互影響，利用先進的傳感器實現空間感知與手勢識別。

●應用

混合現實技術將AR 和VR 技術相結合，綜合兩者優點，彌補技術不足。在原有技術的基礎上，增加了新的輸入方法，受到了廣泛認可。現階段，MR 技術已應用于工業制造、政府及公共事務、教育培訓、醫療健康、建筑工程、文化展示等領域，給各個領域創新發展提供了技術支持。

建筑行業領域：混合現實技術實時協同、實時交互的特點，有效地解決了設計方、施工方以及購買方協調不一致問題。混合現實技術能夠將建筑設計以全息圖的方式呈現出來，模擬出來的環境能夠最大程度地還原設計方案。設計方、施工方以及購買方能夠觀察建筑細節，降低溝通成本。

醫療教學領域：通過混合現實技術能夠將臨床場景直觀立體地呈現出來，還原手術過程，為學生展示各個操作細節。混合現實技術打破了教學時間、空間的限制，為更多的學生提供學習機會，同時降低了教學成本。

軍事領域：混合現實技術在軍事領域主要應用于虛擬戰場、軍事技能訓練、項目測試等方面。利用混合現實技術模擬戰場環境，提升軍事作戰能力，可以大幅度地降低軍事訓練成本以及軍事訓練事故發生率。

工業制造領域：產品設計與研發往往需要大量的人力、財力、物力。混合現實技術模擬不同設計方式、不同的材料，提升產品質量，降低成本。混合現實技術具有虛擬性、直觀性等特征，設計者能夠通過全息圖的方式更直觀地觀察細節，高效地完成研發工作。

沉浸式技術

●定義

沉浸式技術指的是一種深度交互的多感官數字化體驗，其形式各異，可使用VR、AR、360°全景視頻、MR 以及其他技術創造沉浸式體驗。沉浸式技術正是虛擬現實和增強現實技術發展的最新成果。借助頭盔式或盔甲式顯示設備，沉浸式技術能將用戶的視覺和聽覺封閉起來，產生虛擬的視聽效果。同時，沉浸式技術借助數據手套為用戶提供虛擬的觸覺感官，通過語音識別器為用戶提供一個可以替代真實環境的理想模型。

●應用

沉浸式技術作為一種手段，與各行各業現有的業態都可以結合，可廣泛應用于對空間感和視覺效果要求較高的領域，例如應用于科技館、博物館、多媒體展廳、房地產展廳、多功能會議室、指揮中心、建筑展示、室內裝修、設備結構研究、模擬訓練、科研、餐廳、KTV 等。未來，沉浸式技術不再作為任何一種行業固定的名詞，將靈活運用于各種場景中，以全新的體驗方式吸引和刺激消費者購買產品。

數字現實技術國內外發展情況

數字現實技術在眾多行業中的應用越來越廣泛，尤其是融合了AR、VR、MR 技術的擴展現實XR，作為新興行業元宇宙的入口及核心技術，在近兩年的發展速度驚人。

當前互聯網主流終端設備（智能手機、平板電腦、PC 等），無法為消費者提供沉浸式用戶體驗，而以AR/VR 為代表的可穿戴設備作為下一代智能終端，受到全球科技巨頭關注。據互聯網數據中心（IDC）數據，2021 年全球VR 設備出貨量同比增長92.1%至1095萬部，預計2022年出貨量將超過1500萬部；全球AR 增強顯示產品出貨量為57 萬臺，同比增長約42.5%，預計到2023 年出貨量將達到140 萬臺。未來幾年內，AR/VR 設備規模將處于快速增長階段，同時Meta、蘋果等互聯網巨頭研發的MR 產品將陸續推出，針對不同使用場景下的產品功能日漸完善豐富，XR 終端市場前景廣闊。當前，VR 設備的多項技術已經逐漸進入落地階段，可以應用到實際產品中，而AR 光學和顯示的相關技術仍處于研發中，隨著產業發展，已經可以看到落地的可能。預計到2025 年AR、VR設備全球市場規模將達到728億美元，市場前景廣闊。

《2020 全球沉浸式設計產業發展白皮書》數據顯示，2019年沉浸式娛樂行業價值達到618 億美元（含主題公園），較2018 年497 億美元的市場價值增長了24%，其中主題公園市場價值躍升至520 億美元，沉浸式娛樂行業得到了快速發展。從國內市場來看，自2013 年王潮歌推出沉浸式演藝《又見平遙》開始，我國沉浸式產業呈現指數級增長態勢。《幻境·2020 中國沉浸產業發展白皮書》數據顯示，2019 年中國沉浸式產業總產值48.2 億元，沉浸業態也從2018 年的21 種增長為35 種，沉浸體驗項目數量達1100項。

《德勤2020 技術趨勢報告》歸納出了數字現實最有價值的技術體系，并預測其大放異彩的時間范圍。未來2年——會話語音界面、3D 對象建模、傳感器與智能設備、虛擬現實、增強現實、混合現實。未來2—5 年——周邊計算、超感官計算、增強現實云、觸覺互聯網、可穿戴式大腦控制接口、內容微個性化、高級生物特征識別、情感計算。未來5年以上——神經塵埃、植入式大腦控制接口。

杭州AR/VR產業市場主體發展現狀

市場主體是經濟的力量載體，而企業是最重要的市場主體。近年來，杭州積極培育和集聚虛擬現實相關企業，努力打造虛擬現實產業發展的新高地，以濱江高新區、余杭未來科技城等為重點，全力推動虛擬現實基礎技術研發與產業化，培育購物、教育、娛樂、游戲等行業虛擬現實應用的領軍企業。根據天眼查專業版數據庫，筆者對北京、上海、廣州、深圳、杭州、成都、南京、蘇州、無錫、武漢、重慶等11 個城市的AR/VR 產業的市場主體基本信息進行檢索和比較分析，數據采集日期為2021 年12 月15日-17日。

●企業集聚區域主要集中在余杭區和西湖區

根據天眼查專業版數據，截至2021年12月17日，杭州市VR/AR 企業共有559 家，其中余杭區、西湖區、蕭山區的企業分別為94家、91家、84家，企業數量位居前3位（如圖3）。

圖3 杭州市AR/VR產業企業數量各區縣（市）分布概況

●高新企業占比排名重要城市第四

杭州AR/VR產業的企業數量為559家，列廣州（5612家）、深圳（5242 家）、上海（2347 家）、北京（1303 家）、蘇州（889 家）之后，排名第6 位（如圖4）。其中，高新企業66家，占比11.81%，占比排名第4位，列北京（23.10%）、南京（13.92%）、武漢（12.91%）之后。小微企業458 家，占虛擬/增強現實（AR/VR）企業總數量的81.93%，小微企業占比排名第6 位，列無錫（85.71%）、蘇州（85.26%）、北京（84.11%）、南京（83.86%）、上海（83.77%）之后。

圖4 國內11個城市AR/VR產業小微企業數量及占比分布情況

●擁有知識產權信息的企業數量排名重要城市前五位

杭州AR/VR 產業擁有專利信息的企業數量占比26.65%，排名第1 位；擁有3 件以上專利的企業占比20.93%，排名第1 位；擁有作品著作權的企業數量占比6.98%，排名第2 位，列北京（11.28%）之后；擁有3 件以上作品著作權的企業數量占比2.33%，排名第3 位，列北京（4.22%）、重慶（3.70%）之后；擁有軟件著作權的企業數量占比28.62%，排名第4 位，列北京（37.38%）、武漢（36.68%）、成都（28.80%）之后；擁有3 項以上軟件著作權的企業數量占比19.86%，排名第5 位，列武漢（33.61%）、北 京（29.09%）、成 都（22.13%）、南 京（21.84%）之后（如圖5）。

圖5 國內11個城市AR/VR產業具有知識產權信息的企業數量占比分布情況

●上市企業及獲得融資的企業數量占比排名重要城市前三位

杭州AR/VR 產業相關上市企業7 家，占比1.25%，占比排名第2 位，列北京（1.46%）之后。有融資的企業61家，占比10.91%，占比排名第3 位，列北京（17.19%）、南京（12.03）之后（如表1）。

表1 國內11個城市AR/VR產業融資情況一覽表

杭州AR/VR產業展望

隨著2021 年元宇宙熱潮被引爆，元宇宙被認為是互聯網的下一個重要發展方向，將深刻改變未來生產生活方式，推動未來產業發展。多地政府的工作報告和產業規劃中，也出現了“元宇宙”這個詞。2022年2月，杭州提出“抓緊布局量子科技、深海空天、元宇宙等未來產業，大力搶占新賽道競爭主動權”的任務，為此，杭州的多個城區布局了元宇宙產業。

2021年3月，濱江區白馬湖生態創意城落地了“VR數字產業園”，在打造一個從IP內容、全景攝像、特效制作、5G傳輸到終端實際應用場景的VR 數字科技全產業鏈生態園。北航杭州創新研究院也在打造VR/AR研究中心。

2022 年3 月，杭州未來科技城發布了“XR 產業計劃”，將以空間站的4 萬平方米空間為核心，打造一個產業園區。“XR 產業計劃”明確，將匯聚規模10 億元的XR產業基金，鼓勵社會資本參與投資，優質項目最高可享受500 萬創業風險池、讓利性股權投資基金和跟進投資基金等支持；加大對XR 產業人才引進力度，實施“頂尖人才項目”政策，最高給予1 億元的支持；形成一套XR 專項人才培育機制，給予“一人一策”最高1300 萬元獎勵，分層次給予梯隊人才獎勵；完善XR 人才服務保障，最高給予300 萬元安家費補助。截至2022 年6 月，未來科技城已聚集XR 企業超70 家，產業鏈覆蓋場景內容、設備平臺等上下游內容。

未來，杭州AR/VR 產業的發展，一方面需要加快跨領域核心技術研發，聚焦融合創新圍繞AR/VR 技術與實體經濟融合的關鍵環節，加強產學研合作，積極引導重點院校、行業領軍企業以及重點科研機構共建共享數據中心、VR/AR 實驗室、產品應用中心等研發應用機構，并在跨領域核心技術研發、融合創新上展開深度合作。另一方面，要通過下游典型應用場景適配，反向促進產業鏈上游的終端器件及內容生產工具的升級迭代，推動產品應用范式、商業模式和體制機制創新，培育一批具有國際影響力、市場競爭力的品牌企業。■