风起元宇宙，VR/AR的跨维度战争｜深度研报上
作者｜赵江宇、王嘉攀、谢晨星
本报告由势乘资本和光锥智能联合发布
前言：
从2012年Google Glass的发布引发全球市场热潮开始，VR和AR相关理念和技术逐步落地，大量企业和研究机构进入相关领域，一批VR和AR产品进入市场。然而，由于相关技术要素尚未成熟，VR和AR行业从2016年开始进入了一个相对的低谷期。
自2019年开始，VR和AR行业开始复苏，在2020年全球VR和AR行业融资规模达到了244亿元，几乎恢复到了与2016年相同的水平。元宇宙概念的出圈、字节跳动90亿收购Pico和Facebook VR产品Oculus Quest 2 大卖等事件进一步点燃了公众对VR和AR行业的热情，越来越多的创业者、投资人也开始“回头看”，重新审视这个曾经让很多人感到失望过的行业。
当前市场上有关VR和AR行业的讨论已经很多，但仍存在很多过时的观点和未关注到的盲点。本次Scale Partners势乘资本将从硬件、软件、内容/平台及应用四个维度深入剖析行业发展的内在规律，介绍产业链的相关情况，从而阐述我们当前对VR和AR产业的看法，并对未来趋势做出预判。
一、核心结论汇总
1. VR设备为用户提供了一个三维的、跨越时空的沉浸式信息解决方案，而目前AR设备在C端的主要场景为观影游戏、智能翻译、实时提词、导航、AR探店等。我们预计VR设备在短期内会比AR设备有更好的发展前景，但长期来看，融合了VR/AR功能的硬件设备或者MR设备将成为主流，因为人们不可能在沉浸于虚拟世界的同时还能够在现实世界正常开展活动。
2. 当前VR和AR设备远没有成熟到替代PC或者智能手机的程度，但可以凭借现有的优势先去满足当前“二维互联网时代”没被满足或满足得不太好的需求。随着5G、Wi-Fi6、云计算等基础设施不断完善、光学技术的理论突破和商业化应用向前，未来VR会是下一代媒介形式与流量入口，AR会成为下一代生产力平台。
3. VR硬件设备迭代速度飞快，不存在技术路径上的争论，没有“弯道超车”的可能。考虑到整个产业链已经比较成熟，企业很难依靠做好几款硬件构建壁垒。短期内以Quest为代表的这一代VR产品仍有大的增长潜力，配套零部件及相关产品周期远未结束。
4. AR硬件相对不成熟，关键技术还处于探索攻坚阶段，在硬件快速放量之前应重点关注相关技术的进展情况和量产应用机会。部分AR眼镜厂商会与汽车厂商或主机游戏厂商合作，面向高端或垂直人群推出尝鲜款应用，强化公众对AR眼镜的认知，但未来AR眼镜最终将摆脱分体式设计，成为独立硬件而不是手机、汽车或主机的附庸。
5. VR设备与内容互相促进的正循环局面已经逐步形成，未来平台应用类型会逐步多样化，社交、办公等场景将成为继游戏之后的快速爆发点。但目前国内VR内容企业还没有制作出现象级的内容，这个领域有机会诞生一批好公司。
6. 现有的巨头会依据自身资源禀赋的不同选择不同的切入方向，消费级硬件、操作系统、内容生态、底层技术都是潜在的发力点。其他在主机游戏、智能手机、社交应用等领域有过布局或积累的企业凭借供应链、庞大用户基数、IP储备等优势，在VR/AR行业的发展中也将获得一席之地。预计未来2-3年游戏领域的公司会最为积极，纷纷布局。
7. AR眼镜如果想应用于特定行业，需要像服务垂直行业或者特定场景的SaaS企业一样，对行业、各个企业/行业的IT系统、知识图谱有深刻的理解，交付的方案一般是硬件+AI辅助的软件平台。
8. 行业可能面临的风险：技术研发进展不及预期、上游关键零部件产能受限、相关配套基础设施（5G等）建设进展不及预期、全球VR/AR行业需求下降、内容制作、用户隐私等环节政策监管收紧等。
二、市场环境
1. VR/AR的定义及行业边界
我们人能看到东西，是因为有光线进入到眼睛，刺激相关视觉神经，最终大脑完成成像工作。同时在不考虑某些特殊情况下，光是沿直线传播的。在帮大家回忆了这两个初高中的物理和生物知识后，我们一起来辨析一下VR和AR，便于我们后续展开讨论。
- 虚拟现实（Virtual Reality，即VR）：VR的本质是创造一个虚拟的三维交互场景，让用户借助特殊的设备体验虚拟世界，并在其中进行自然的交互而不自知。因此，VR的核心是欺骗我们的大脑，令我们沉浸在设备发出的光线营造的虚拟世界中而不感到违和。
- 增强现实（Augmented Reality，即AR）：AR以虚实结合、实时交互为特征，通过测量用户与真实场景中物体的距离并重构，将计算机生成的虚拟物体或其它信息叠加到真实世界中，从而实现对现实的“增强”。
上图比较直观地说明了VR和AR的直观区别：VR情境下进入我们眼睛的光线都不是自然存在的，而是设备发出的；AR情境下进入我们眼睛的光线则既有真实世界的，也有设备发出的。此处如果我们借用微软CEO Nadella的话总结一下就是：VR可以理解为“把物理世界加到计算中”，AR可以理解为“把计算加到物理世界中”。
接下来，我们用一张图帮助大家对本次要探讨的行业有一个大致的认识。在本文的第二部分，我们将详细讨论行业内每个领域的情况，帮助大家对行业有一个全景的认识。
2. 行业历史及阶段
VR/AR 产业的发展经历了四大阶段：
1）概念期（1968-2010）：VR/AR新技术被提出，逐步进入大众视野。
2）热潮期（2010-2016）：企业和研究机构开始进入VR/AR领域，多种VR/AR设备进入市场：
2010年，Oculus推出第一台Oculus Rift原型机；
2012年，谷歌推出 Google Glass；
2014年，Facebook花费20亿美元收购Oculus，Sony、三星、HTC等多家企业也推出相关硬件产品；
2015年，任天堂发布Pokemon Go游戏，一时风靡全球；
2015-2016年，VR/AR市场热度达到高点：微软发布HoloLens；Sony、HTC、Oculus分别推出第一代面向大众消费市场VR终端 （PSVR、HTC Vive、Oculus Rift）；谷歌以5亿美元投资Magic Leap。
3）冷静期（2016-2019）：由于网络、硬件及内容的瓶颈均未突破，VR/AR产品仅能带给用户初级沉浸体验，阻碍了产品在人群中进一步渗透。人们对VR/AR行业的预期逐步从乐观转向悲观，资本市场热度下降，行业逐渐进入寒冬。
4）复苏期（2019年至今）：VR/AR行业重回升势，产业链趋于成熟。技术突破推动VR/AR进入到部分沉浸和深度沉浸层次，Oculus、HTC等公司密集发布新一代硬件产品，具备独立处理器的VR一体机开始快速发展，已成为当前VR头显的主流形态。
从2020年开始，随着VR/AR行业产业链各环节成熟度提升，叠加全球新冠疫情推动居家需求上升等因素，消费级VR设备需求增长强劲：2020年VR设备出货量接近1000万台，2021年出货量约1095万台。相较于VR硬件，由于AR硬件的显示、光学、芯片等核心技术尚处于攻关阶段，面向C端市场的 Google Glass、Magic Leap One等产品销量远不达预期，大部分厂商纷纷转向B端行业应用市场，预计在C端市场迎来爆发需要时日。
投融资环境方面，VR/AR行业资本热度回归且流向更加理性。从投融资金额来看，根据VR陀螺与36氪研究院数据，2021年全年VR/AR行业共发生340起投融资事件，投资金额达556亿元。2020 年全球完成大额融资的企业集中于 VR/AR 硬件与应用两大关键领域，2020年AR 眼镜以 47.62 亿元融资并购额占据年度融资并购额排行榜榜首，预计未来2-3年仍将延续火爆的态势。
3. 市场需求及价值
只有当行业能够创造社会价值、行业内企业能够解决消费者的需求（Needs），这个行业才有存在的意义，值得我们花时间和精力搜寻优异的投资标的。那么VR/AR行业到底解决了什么需求、创造了什么价值呢？
短期来看，VR还是作为娱乐设备应用于C端游戏、社交等场景，未来将拓展在医疗、教育、传媒、工业互联网、供应链等行业的应用。就AR而言，目前面向C端的应用还比较鸡肋，短期内赋能B端的应用（如远程协作）将是主流。
接下来我们以几个行业为例，再具体探讨一下VR和AR能解决什么需求，或者说提供何种更高效、低成本的解决方案：
制造：赋能产品研发、装配、维修等环节，显著提升仿真设计、制造测试、运营维护可视化程度，实现工业制造全流程智能化和一体化；借助远程协作系统，工作人员可进行“面对面”的远程指导服务，解决由于疫情隔离无法亲临现场的问题；
医疗：用于学习培训、手术模拟、精神康复治疗等领域。通过提供真实环境和实时触觉反馈，帮助医生提高手术的熟练度和成功率，制定有效的康复训练计划帮助病人实现术后康复；
教育：构建虚拟学习环境，用于稀有、抽象场景的基础教育和高成本、高风险的技能培训；
军事：用于战场环境显示、战场作战指挥、装备维修保障、远程医疗救治和军事训练等场景，全面提高前方作战能力、后期保障工作效率以及军事训练水平；
文化：通过数字手段对传统影视作品进行艺术加工，使观众获得身临其境的体验；或是将创作者构思变成看得见的虚拟物体和环境，帮助进行创作；
零售：在增加顾客对在线商品的感知度、提升在线商品信息的准确性和在线产品虚拟制造和展示这三方面应用前景广阔；
旅游：打破时间和空间的限制，让人们身临其境地感受美好景色，或替代导游和讲解器，为游客提供更加自然的服务。
相信现在大家能深刻地体会到，VR和AR有望给我们当前的社会生活带来巨大的改变。
4. 市场规模及增速
判断一个行业能否孕育伟大的公司，很关键的一点就是要对市场规模有数量级层面的正确认知，因为我们很难指望从一个小池塘中捞到大鱼。在估算并综合对比了多家机构的测算结果后，我们认为这个行业的市场规模在千亿人民币量级。
- 根据中国信通院、IDC等机构的预测，2020-2024年全球虚拟（增强）现实产业规模CAGR约为54％，其中VR增速约45％，AR增速约66％，2024年二者市场规模接近、均达到2400亿元。
- 另据海通证券、CICC等机构的预测，2021年全球VR设备市场规模超过230亿元，2023年超过500亿元，2021-2023年CAGR达到31%。
5. 市场增长的驱动因素
熟悉VR和AR的读者应该清晰地记得，在不久的几年前，VR和AR行业曾经“风光无两”，但好像热闹了一阵后又沉寂了下来。那么是什么原因让人们重新燃起了对这个行业的兴趣呢？我们从供需两个角度来分析一下：
- 需求端：
a. 随着元宇宙概念的火热，VR/AR作为短期内面向消费者最为成熟的应用场景和元宇宙交互的重要入口，获得人们的广泛关注；
b. 元宇宙概念游戏、社交应用和工具软件不断受到追捧，国内外VR线下消费生态持续扩张等因素强化了消费者对VR和AR的认知；
c. 新冠疫情造成的社交隔离限制了人们外出活动的频率和时长，增加了人们接触VR/AR设备和应用的机会。
- 供给端：
a. 网络基础设施不断完善，显示成像、光学模组、专用芯片等技术不断成熟，成本进一步下探，VR/AR设备的性价比和用户体验在过去几年取得实质性的提升，逐步获得消费者的认可；
b. 与硬件设备匹配的内容生态不断丰富，大量IP运行在推出VR/AR设备上的游戏等内容，吸引越来越多的人们关注和使用VR/AR设备；
c. Khronos组织发布的"OpenXR"规范获得众多VR/AR厂商支持，打破了过去软硬件平台各自发展的局面；同时移动端SDK的统一降低了开发者在平台适配上的开发成本，为VR/AR应用爆发铺平了道路；
d. 具体到中国来看的话，国家在政策方面给予VR产业较大支持，从中央到地方政策铺陈较为完善，是国家重点关注的高新技术产业之一。
综上可以看出，VR和AR行业重新火爆并不是“炒冷饭”，而的确是“今时不同往日”，出现了一些过去不曾具备的条件和机会。
6. 行业最新趋势变化
下表整理了VR和AR设备在当前未来一段时间内形态结构、显示和光学模组技术的迭代路径。在本节中，我们将从多个维度详细为大家介绍硬件相关的技术创新和进展情况。
a. VR相关技术
（1）显示技术
VR屏幕显示技术分成入门级、消费级和专业级三档。早期由于没有专门适配VR的显示屏，厂商选择了在响应速度方面优势明显的OLED方案，后来在高分辨率和高响应速度的Fast-LCD推出后，Fast-LCD逐渐成为主流，在当前处于实质量产阶段。
未来，随着微型发光二极管（Micro-LED）量产能力提升带动成本下降，Micro-LED将凭借高分辨率、短响应时间、轻薄等方面的性能优势成为VR显示技术的最佳方案。
（2）光学模组
当前主流VR设备的光学模组多采用菲涅尔透镜。菲涅尔透镜能够大幅度削减透镜的厚度，有效降低VR头显的重量和体积，从而减少用户佩戴的不适感。但菲涅尔透镜有时会让图像产生畸变，降低成像质量。此外，由于透镜本身的焦距所限，人们无法进一步减少光学模组的厚度。
短焦距光学模组是未来发展方向。短焦距光学模组本质是采用折叠光路的技术，对光线进行多次折叠增加折射距离，从而减少镜片与眼睛的距离，使得VR设备体积、重量进一步缩小。与菲涅尔透镜对比，画面畸变问题得到了有效的缓解，但该模组方案需要与Micro-LED显示技术搭配，以克服光能利用率低、功耗高、轻薄与广视角难兼得等缺陷。
（3）追踪方案
早期VR设备（如Oculus Rift、HTC Vive和PSVR）多采用基于外部定位基站的Outside-in追踪方案。尽管该方案精度高，但所需要的设备价格高昂，安装调试复杂，且追踪空间有限制。同时，这种方案在有遮挡的情境下的追踪效果不佳（比如，如果使用者突然走到沙发或高大植物的背后，那么系统将会难以追踪人的具**置）。目前的解决方案是增加多个追踪设备以保证效果。
随着机器视觉算法的逐步成熟，Inside-out方案逐渐兴起。在该方案下，VR头显上安装的摄像头会自主检测外部环境变化。在搜集相关信息后，视觉算法（如SLAM算法）会计算出摄像头的空间位置，从而实现对用户的追踪。由于该方案显著降低了硬件成本和使用门槛，当前 Inside-out 追踪已成为消费级VR的主流定位方案。同时，6自由度（6DOF）替代了3自由度（3DOF），由原先只支持旋转运动的场景变为可支持旋转和位移运动的场景，极大地提升了用户体验。
（4）动作捕捉
动作捕捉技术有助于更好地实现人与设备的交互，提升设备使用体验。当前动作捕捉技术主要分成两大方案：光学动捕和惯性动捕。目前主流的VR设备多同时采用了这两种方案。
a. 光学动捕
光学动捕又可细分为激光、红外、可见光等多条技术路径，但本质都是基于计算机视觉原理，由多个高速摄像机从不用角度对目标特征点进行跟踪，根据得到的目标图像及摄像机自身的位置信息推算出目标物体的位置及姿态等信息，从而完成对用户全身动作的捕捉。
光学动捕的优点主要是精度高，但设备要求高、场地布置复杂，对个人用户来讲门槛有些过高。
b. 惯性动捕
一整套惯性动捕系统通常包括几十个传感器单元，其中每个惯性传感器测量单元都包含陀螺仪、加速度计、磁传感器以及数字信号处理器。在惯性动作捕捉方案中，传感器捕捉动作后，数据被进一步传输、处理，最后得到包含动作信息的三维模型。
惯性动捕的优点是能以相对低廉的成本、简单的设备和环境实现较高精度的动捕效果，但存在“零点漂移”等问题。当前大多数惯性动捕设备都需要额外集成光学定位设备来确定手的空间位置。
（5）眼动追踪
眼动追踪设备能够帮助提高VR设备的计算效率、通过动态曲光帮助使用者避免视觉疲劳、判断使用者的情绪以提升在特定场景下的用户体验（比如VR社交）。目前眼动追踪技术路线主要有3种，其中以Tobbi的瞳孔角膜反射法方案成熟度最高，已经有一定规模的应用。
（6）面部表情识别
面部表情识别与重塑技术能够及时识别用户的面部表情和眼神变化，从而提升用户与虚拟人物交互时的体验。目前Facebook在这个领域已经取得较大突破，能够通过摄像头和相关算法实现成本可控的面部表情重塑。
（7）可变焦显示
人眼会根据屏幕显示内容的远近调整视觉焦点，但由于VR设备屏幕与人眼的距离却始终不变，因此用户在设备佩戴过程中可能会出现视觉辐凑调节冲突（VAC）。可变焦显示技术能够解决这个问题，方案分为机械模组和电子模组两种：机械模组主要通过音圈马达和柔性铰链调节显示平面与人眼的距离，电子模组则利用电子液晶透镜的开合来实现变焦。
（8）云VR
在当前状况下，一体式VR和分体式VR各有各的优势，未来随着5G和云计算的应用扩展，内容存储、图像渲染等步骤将在云端完成，用户佩戴的头显设备只需要具备解码、呈现和网络接入能力，从而推动VR设备向低时延、轻量化的云VR形态逐步发展。
b. AR相关技术
（1）显示技术
- 目前硅基OLED为主流方案，与自由曲面/Birdbath光学模组搭配，但是亮度有限；
- LCoS和DLP方案量产工艺成熟，大部分参数都适配光波导光学模组，目前被认为是AR发展的主要方案；
- 长远来看，Micro-LED是业界内比较公认的最佳解决方案，其刷新率、亮度、发光方式、像素密度等指标均表现最佳。但是，当前Micro-LED产业化面临成本高企等问题，全产业链还要持续探索和优化。
（2）光学方案
自由曲面/共轴空导（Birdbath）方案由于成本可控、工艺较为成熟，目前仍在C端AR市场占有一席之地。而光波导方案凭借轻薄、对外界光线的高穿透特性等优点，被认为是未来消费级AR眼镜的必选方案。此外，多层波导片可以堆叠在一起，通过每层提供一个虚像距离，提供更“真实”的三维图像。
波导结构的基础是轻薄透明的玻璃基底(一般厚度在几毫米或亚毫米级别)，光线在玻璃上下表面之间来回“全反射”前进。不同波导类型的区别主要在光进出波导的耦合结构上。具体来说，光波导分成几何光波导（Geometric Waveguide）和衍射光波导（Diffractive Waveguide）两大类。
①几何光波导
几何光波导也被称为阵列光波导。该方案通过阵列反射镜的堆叠，实现图像的输出和动眼框的扩大，采用这条技术路径的代表公司是以色列的Lumus。
说明：耦合光最初进入波导结构时一般是先遇到一个反射面或者棱镜。在经过多轮全反射后到达眼睛前方时，光线会遇到一个“半透半反”镜面阵列（耦合光出波导的结构）。这里的“半透半反”镜面阵列相当于将出瞳（图像的“出口）沿水平方向复制了多份，每一个出瞳都输出相同的图像，这样眼睛在横向移动时都能看到图像，实现一维扩瞳(1D EPE)
优点：镜片透光性好。且由于该技术路径应用的是传统几何光学设计理念、仿真软件及制造流程，没有牵扯到任何微纳米级结构，因此图像质量（颜色、对比度）可以达到很高的水准。
缺点：整体工艺流程比较繁冗，“半透半反”镜面阵列的镀膜、保证镜面之间的平行度和切割的角度等工艺难度极高，总体良率较低。另外，虽然随着工艺的优化，镜面阵列已经几乎做到“不可见”，但在关掉光机的情况下人仍然可以看到镜片上的一排竖条纹（即镜面阵列）。这排条纹可能会遮挡一部分外部视线，也影响美观。
②衍射光波导
在衍射光波导中，光耦合入和耦合出波导结构的过程不再是由传统光学元器件（比如棱镜、“半透半反”镜面阵列）实现，而是由平面衍射光栅完成，从而节省空间、增大自由度。目前两种主流光栅是全息体光栅（VHG）与表面浮雕光栅（SRG）。得益于过往光通信行业设计和制造的积累，表面浮雕光栅目前占据市场主流（比如微软的HoloLens和Magic Leap的产品都采用此方案），采用全息体光栅波导方案的厂家比较少（代表企业有Digilens、Sony，被苹果收购的Akonia等）。
简单来说，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 ，也可以是借助全息技术在材料内部曝光形成的“明暗干涉条纹”，但归根结底都是在材料中引起了一个折射率的周期性变化。衍射光栅在对光线“分光”处理后，起到了与传统光学器件类似的改变光线传播方向的作用。
由于光栅结构相较于传统光学器件拥有更大的自由度来操控光线路径，衍射光波导既可以相对容易地实现一维扩瞳，也可以实现二维扩瞳。这种特性不仅扩大了AR眼镜能够适配的瞳距范围，也提高了眼镜对不同脸型、鼻梁高度的兼容性。
优点：
a. 与几何光波导使用传统光学元器件的方案相比，衍射光波导使用的光栅在设计与生产环节更具灵活性。而且，由于衍射光波导模组都是在玻璃基底平面上加镀一层薄膜然后加工，不需要几何光波导中使用的复杂玻璃切片和粘合工艺，产品的量产性及良率会比较高；
b. 二维扩瞳技术使得动眼框在鼻梁方向也能覆盖更多不同脸型的人群，给人体工程学设计和优化用户体验留了更大的余地。
缺点：
a. 衍射过程本身对光线的角度和波长具有选择性，容易导致色散问题（表现为视场角和动眼框内的颜色不均匀，即“彩虹效应”）。在设计和优化光栅的过程中，如何用一层光栅作用于RGB三色并且能实现最大的FOV是巨大的挑战，对企业的设计水准提出了很高的要求；
b. 制造衍射光波导所需要的电子束曝光机和纳米压印仪器价格不菲，并且需要放置在专业的超净间里使用，生产线的建设成本极高。
（3）云AR
由于AR眼镜自身算力难以满足复杂应用的需求，很多企业会选择设计分体式AR眼镜，通过USB/UWB等有线无线传输方式把AR所需的计算和通信任务转至手机上完成，从而避免设备过重、功耗过大等问题。在未来，如果能把AR设备的计算密集型任务转移到云端，凭借云端服务器的数据存储和高速计算能力，我们可以进一步降低对本地AR设备的性能要求，从而进一步降低硬件成本，加速一体式AR眼镜的渗透过程。
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