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突破了光学瓶颈的AR硬件,普及路上还有哪些拦路虎?

2020-07-15 09:38
VR陀螺
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2. 光波导量产问题解决,良率逐步提升

光波导一直是AR产业硬件发展的趋势,但是就现阶段来说这类解决方案成本较高,普及难度较大。

6月16日,微软推出的第二代HoloLens产品面向公众开售,售价为3500美元。这款价格问鼎的产品采用了微软研发的MEMS激光扫描屏幕(MEMS Laser scanning display)提升了视场角。

相较上一代产品,该设备在手势识别、一体化等方面做到了顶尖水平,但早期有传闻称第一批收到设备的开发人员发现其显示效果良莠不齐。知名科技博客Karl Guttag表示:“这款产品的波导系统存在图像显示和波导良率相关的问题,这是因为色彩均匀度一直以来都是衍射波导存在的问题,难点就在于没有一个固有标准去衡量,只有对比过后才会发现问题。”

显然,任何一种新技术发展都会有前期,比如说从样品到量产中遇到的良率低等一些坎坷。然而,轻薄化是AR产品发展的必然选择,这让更多人坚信光波导是未来消费电子非常重要的一个核心器件。

几何光波导方面,灵犀微光创始人兼CEO郑昱表示:“光波导技术工艺和量产的难点,主要在于良率的提升。相比其它方案,光波导的精度要求更高,这势必会导致产量下降。可行的解决方案,首先是通过尝试各种校准办法,降低光波导精度要求同时提升了设计难度,达到工艺转换,以此将问题变得有解。其次,从解决工艺难度本身来看,也需要长期实践经验的积累达到质变的效果,这也是技术型厂商的壁垒所在。”

郑昱告诉VR陀螺,光波导的普及不会是很长的一个时间线,其中有两点原因:第一,近两年各厂商相关技术不断迭代已经基本解决了良率问题,成本也已经降到可以使用的水平。第二,显示效果上有较大的提升,清晰度、对比度以及鬼影消除方面目前最新的解决方案已经可以和其他方案比拟。

从一万片到十万片,每一次量级的提升都意味着生产工艺精进和自动化设备的不断迭代。VR陀螺得知,目前灵犀微光已基本完成10万片、70%以上良率的阵列光波导量产标准。

几何光波导最终效果好坏,要结合整体来衡量。

郑昱认为:“屏幕像素密度越高,那么对于设计时光波导传输函数要求就越高。以1080p高清屏为例,匹配较好的光波导在传输路径对于亮度、画质的损失程度更小,故光学部分最大程度输出1080p高清的图像,并最大程度减少扭曲,这对于设计和工艺也提出了较高要求。”

结合上述,郑昱认为目前应用较广、被普遍看好的AR设备是LCOS微型显示器。相较其他,其工艺比较成熟、成本较低;同时在亮度上较能符合用户要求。响应速度上,可以达到适用范围之内的程度。

总的来说,LCOS并非最好,但各项指标相对平衡。目前,该屏幕存在的问题,在于其PPI像素停滞在1080p左右,很难进一步上提升。0.34寸左右的屏幕,在这个小尺寸基础上,再提升分辨率是一个瓶颈。同时,这类显示屏在亮度、低温适应性上也有待改进。

相较之下,无论是DLP还是Micro OLED。其在AR产品当前的应用郑昱认为都有各自的缺陷,他认为,Micro OLED存在亮度问题,且其自底层的显示原理上就很难有所突破,主流光波导衍射率较低,这种情况下Micro OLED只适用于一些特定场景,走到C端难度较大。而DLP光学本身体积较大,虽然它的亮度较高,可一旦设计成光学模组体积较大,跟光波导轻量型的定义互相矛盾。

衍射光波导方面,谷东科技崔海涛认为:“从显示效果来说,衍射光波导技术在透过率方面具有其他方案无法比拟的优势,技术原理上决定其更加轻薄,更符合大众对于未来AR眼镜形态的憧憬。尽管技术上良率把控直接决定了色散以及彩虹效应问题的强弱,但相较几何光波导量产难度更小。”

“从设备集成的层面来看,目前最大的成本反而是芯片这块占了大头。国内像京东方、视涯这类显示芯片厂商技术的逐步成熟,将有效降低国产化设备成本,届时光机价格便会有更大幅度的下降。”

崔海涛表示:“在整个AR的显示行业,其实是分为几种被采纳的显示芯片。比如说一般衍射光波导,会采用DLP显示屏,因为衍射光波导对光的利用率是最低的,而DLP最大的好处就是提升亮度,令入眼的可见亮度得到保障。

而相对阵列光波导,其亮度本来较高,因此要比衍射光波导可选余地更大。如果衍射光波导使用OLED,基本看不见。另外,反射式方案亮度普遍较高,可以达到40%以上,因此相较光波导方案选择余地更大。

长期来看,苹果、Facebook都和MicroLED厂商合作,因此从LCOS到MicroLED将成为AR显示器发展的方向。郑昱称:“MicroLED亮度、对比度和响应速度上拥有较大优势,极限分辨率也较高,因此可以说是全面压过其他方案,尽管目前大多厂商处于研发阶段,但一定是必经的发展路径。”

3. 芯片迭代加速,支持更复杂计算

无论是VR还是AR产品,拥有一颗强劲动力的“芯”是一切功能和体验优化的前提。

近几年,高通在VR/AR产业大力布局,推出独立AR/VR头戴设备Snapdragon芯片组。早期发布的XR1芯片整合了高通的异构计算架构,其中包括基于ARM的多核CPU、矢量处理器、GPU和AI引擎。其他功能还包括先进的XR软件服务层、机器学习和Snapdragon XR软件开发套件(SDK),以及连接和安全功能。

在影创CEO孙立看来,基于独立AR/VR头戴设备设计的Snapdragon芯片组主要有以下几点优化对产品的体验提升起到直接作用:

延时

高通的芯片组大量算法使用了835的DSP,其中有一个专门针对XR产品做出优化的数字信号处理芯片。

我们在CPU上测试时,正常的运行算法显示200%的CPU占用率,而在DSP上跑功耗和最终造成的CPU占用率只有20%。算法和时间耗时越少(或消耗越小),就意味着留给CPU提升画面渲染,运行反畸变算法的时间越多,这会直接影响整个设备的显示延时。

系统优化

XR平台绕开了安卓的调取底层数据的方式,所有信号的处理运算都会直接调用芯片内置的原本系统算法。

比如,调用设备里的陀螺仪。如果用安卓调用,那势必会经过其系统的整个运算框架。安卓框架原本是为手机设计的,陀螺仪调用更多只是辅助。那么如果整个设备都跑安卓,那么数据处理时的延时就会高达四五十毫秒。

高通的XR芯片基本上重新编写了整套数据调取逻辑,并在数据呈现方面做出了专门的优化。从整个渲染逻辑来看,它始终能够保持在高占有率。这类似于将CPU锁定,从而做到任何时候都优先操作显示的一个高频率状态。

同样的,这套解决方案在交互上的效果也很显著。当用户手部触碰屏幕时,平台会跳过安卓系统底层,直接控制显示器响应。只要一有动作屏幕的渲染立刻会有非常低延迟的反馈。

这方面的评估,主要是基于ASW(异步空间扭曲)的优化程度。

较常见的,是ATW。也就是一种生成中间帧的技术,当游戏不能保持足够帧率的时候,有效减少游戏画面的抖动。相比之下,ASW实现了时间层面平滑各种运动线索(如动画和头显追踪),而非只在时间方面校正头显追踪。因此,ASW可以在廉价VR主机上实现流畅的帧率体验。

而现阶段移动设备实现ASW是有挑战性的,主要有三个原因:

1、ASW技术依赖于游戏将深度缓存馈送至设备驱动,不这样做的游戏很难获得相应的体验效果

2、渲染完整的ASW仅限于一个合成层,超性能运算和VR应用程序无法以相同速率运行,因此无法依赖ASW平滑超性能运算内容的移动

3、ASW和PTW的结合技术难点尚未突破

孙立表示:“ASW本身是一个比较难的算法,目前只有高通和微软的平台上效果做得好。一般来说,提升ASW可以通过加大主机显存和内存实现,但是在移动设备上实现的目前只有Oculus。因此,做ASW优化是影响系统响应速度、杜绝卡顿的最根本工作。”

疫情期间,创企需更沉入B端生态

1. 疫情带来的机与危

疫情,是个绕不开的话题。

把AR智能硬件产业链分为上游、中游与下游。上游主要为元器件包括芯片,光学元件,高分辨率微型图像源、各类传感器等零部件,中游为头显、眼镜、手机、车载终端等各种设备,下游则是游戏娱乐、医疗、教育、社交、电商等应用及内容平台。

程德文表示:“疫情对AR行业的直接影响,短期内对上游和中游硬件端负面影响比较大,绝大多数企业无法进行正常的工作和生产;对于下游软件端来说则是机遇和挑战并存。疫情导致学生居家学习,大人居家办公,人们对于可远程、非接触、半沉浸的设备需求量激增,这也直接促进了很多比如AR发布会、AR直播间、远程办公、远程协作维修等新的应用场景需求。长远看来,此次疫情会极大促进AR行业的发展。”

线上业务需求量的暴增的确给不少企业带来业务倾向上的变化,结合自家产品在线上会议、防疫测温等方面加速落地。但在苏波看来,专业领域的高门槛,一方面会对具备这方面解决方案经验的企业起到推进作用,同时也会助推这类企业在相关领域快速建立其壁垒。

这方面的门槛,主要存在于:

首先,红外测温。在安全性上微型摄像头的测温误差通常达到0.3~2之间,而医学的标准要求则是±0.1,也就是说基于AR设备的防疫测温其实有可能达不到要求。

其次,线上办公。基于AR设备的线上办公产品售价昂贵,但目前技术的发展程度却无法满足正常会议需要的高频交互需求,手势识别、语音交互等适合线上会议的技术其本身还存在较多难点尚未解决。

线上办公需求量的增大,成为了AR产业在疫情肆意之时逆势发展路途中的一把遮雨伞。但疫情的侵袭,也切实对上半年企业发展、产品迭代带来了不小的挑战。

苏波认为:“疫情肆虐,对于企业影响也很大。上半年,很多厂商受到影响导致招标取消、硬件产品供应链厂商停工,导致大量订单积攒。”据透露,上半年,整个产业的企业营收额或许只达到500万左右,而这些订单和招标则更多是去年底积攒至今年上半年执行的现存单。

苏波表示:“下半年,AR产业的转机表现在两个方面。第一个,各个厂商上半年酝酿的项目——因为做解决方案的公司偏多,上半年积累了很多项目会在下半年会集中爆发;第二,运营商方面,上半年网络办公促进其整合了一些资源。接下来将会在包含云端工具、云端视频等方面有采购需求,再加上5G的夹持,这对于厂商来说是提升设备出货量的一个机会。”

2. 大厂入局,创企的机与危

“企业发展,就像是参与一场登山竞技,有的卖力往上爬,有的找好地方修整行装,有的则不慎跌落。”

上半年1月起,AR技术、内容领域远程协作软件商Jolokia、AR/VR设计平台Mindesk、AR Cloud公司6D.ai、VR直播平台NextVR、AR/AI零售商Geomagical Labs、视效动捕技术公司Goodbye Kansas、AR / VR技术服务公司Finger Food、三维传感技术公司MicroVision、地图数据库公司Mapillary、智能眼镜制造商North先后宣布被收购。

收割从未间断,待到大厂强势入局之时,对于创企业来说好坏参半。首先,这证明行业前景被持续看好,新的技术、资源涌入将会带动行业发展;其次,创企会受到挤压,这就需要创企持续追求创新和落地。

郑昱认为,时代改变,意味着不能再走之前手机时代大厂推进国内模仿的老路。首先,创企要考虑在单个技术点上钻研,掌握自研技术成果,并率先将其落实在应用场景上。无论是物流、工业检测还是其他领域,其对应的需求对产品的某一个技术点要求较高,这也意味着创企有机会以此为发力点,在B端求得稳定发展。

AR巡检维修

一家公司的发展,不光要在技术研发上超前同类企业,更要在资源、资金投入上善于周转。目前AR硬件难点集中在光学和芯片两方面,这两个领域都是高智力资源和资金源投入的领域,具有非常高的门槛。

苏波则认为:“目前,AR产业的发展国内与国外无论是在硬件整合、供应链,还是最终形成产品上的差距都不大,不管是巨头还是创业公司,各有各的特色。大厂做加法,小厂做减法,除了商业逻辑的定位不同,形成的产品逻辑不一样,其他方面的差距并非很大。”

他分析道,举个例子,国内的AR大厂,比如说去年OPPO、Vivo也发布了AR眼镜,但其走的路径基本都是类似微软的,布局未来,也都在探索,现阶段定位的不同不会给创企带来过大冲击。但所谓的逻辑区别,在于创企必须寄希望与1~2年就要落地。越是革命性的技术,其发展路径就越沿着从军事到工业,从工业到办公,从办公到消费领域的逻辑发展。

面向B端,对于创企来说是钻研技术,深挖客户的长期发展阶段。一方面,这类公司向着供应链厂商沉淀,为之后加入大厂整合的供应链梯队打好基础;另一方面,借助技术创新能力逐步扩大涉足范畴,在稳扎稳打的前提下专注提供某个或者某些领域的一体化解决方案,为从B端到消费端转变蓄力。

结语

疫情的来袭,并未能抵挡住AR技术发展的脚步。从光学到芯片再到微型屏,供应链厂商的研发进程从未停机,光机无法量产、芯片算力不够、屏幕亮度低等问题正在被逐渐增多的解决方案所攻破,工艺不再是扼住AR产业发展咽喉的利刃,转而成为更多新型解决方案诞生的摇篮。

AR产业将长期处于快速发展阶段,期间内容、生态的发展将随着硬件壁垒的缓慢迭代迎来B端向C端蔓延的趋势,而这一进程将因为苹果、Facebook等大厂的强势入局开始加速。


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