扩增实境(augmented reality, ar)、虚拟现实(virtual reality, vr)、混合实境(mixed reality, mr)应用在今年刮起一阵飓风。虚拟现实技术自1950年代开始发展以来,科学家与工程师们无不竭尽所能希望能够打造出另一种体验感受,而从google glass掀起智能型眼镜及穿戴设备风潮后,包括facebook、htc、sony、samsung与microsoft等科技大厂都相继推出穿戴式产品,希望借着ar/vr/mr等虚拟现实技术,创造前所未有的感官体验。
根据市场研究机构digi capital预估,2020年ar/vr的市场产值将达到1,200亿美元。事实上,目前ar/vr/mr技术已经在直播、地产、时尚、医疗及军事等领域中开展相关应用或实验,虚拟应用市场潜力无穷,各行各业都有发展空间,如何切入并挖掘进而掌握其中的大商机,是现阶段跃跃欲试厂商们最主要的挑战。
ar/vr市场热度直线上升
因为智能型手机市场发展饱和,所以相关业者近年纷纷进行多元布局,穿戴式装置就成为热门的投资项目,资策会智能网通系统研究所组长林敬文(图1)表示,典型的vr应用以娱乐为主,提供使用者一封闭式空间操作,强调沉浸式(immersive)体验;而ar还能够更广泛延伸到工作、导览等领域,是在真实世界中进行虚拟对象的迭加,强调穿透式(see through)体验,一般认为市场发展潜力比vr更大。
国际大厂这两年也纷纷投入发表自有的穿戴式产品,并且积极布建自主生态系(ecosystem),微软利用其掌握之操作系统优势推动mr软硬件平台,产品hololens近期在市场上引起不少关注;sony凭借ps4全球销售超过6,000万台的基础与搭载数十款游戏大作,playstation vr 10月13日甫正式上市,据媒体报导首卖日就热销数十万台;而facebook执行长祖克伯极看好此领域,因此2014年豪掷20亿美元买下潜力公司oculus,并投入大笔资金,以技术领先者的角色积极建立平台与生态系。
图1 资策会智能网通系统研究所组长林敬文表示,典型的vr应用以娱乐为主,提供使用者一封闭式空间操作,强调沉浸式(immersive)体验。
另外,google可以说是最早投入这个领域的厂商,google glass虽然引发一些争议,但也顺利带领风潮,透过android在智能手持装置的优势,近期持续推出daydream、tango平台,要将每个手机都变成ar/vr载具;htc在valve技术支持之下发展vive平台,双方共同推动生态系,也各自发展vr应用商店。另外epson的moverio、samsung的gear vr也都没有在虚拟应用产业缺席,各自鸭子划水当中。
在ar/vr/mr产品的应用上,林敬文指出,显示成像、系统接口/操作、续航力、运算能力、价格与市场应用,是开发过程需要注意的重点。其中,头戴式装置显示成像目前有两种较常见的技术:曲面反射与波导技术;在操作方式上,有八大互动控制技术,包括:触控、语音、感测、眼动控制、骨传导、手势控制、脑波控制、对象识别等。
图2 unity科技专业讲师罗志达坦言,目前产业ar/vr/mr的应用发展还很初步,预计2019∼2020年才会出现比较好的商业化产品、应用。
ar/vr软件设计担负产品成败
越来越多虚拟应用体验的产品上市,对消费者来说已经到了眼花撩乱、目不暇给的地步,事实上,ar/vr/mr应用要获得关键性的成功,软件才是关键,因为有良好的虚拟体验才能带动产业的成长,unity科技专业讲师罗志达(图2)认为,透过软硬件的完美搭配才可以创造vr应用讲求的沉浸感,一般来说,沉浸感越重设备也越多,产品的质量、效能较高,像是vive、gear这类产品,但却牺牲了便利与普及性,因为价格相对较高,所以像daydream、carboard就希望消费者可以很简便的体验vr应用。
vr严格说起来是一种欺骗感官的体验,所以人体对于vr体验非常敏锐,不好的软件设计容易让人体产生不舒适感,罗志达坦言,目前产业对于ar/vr/mr的应用发展都还在初步的阶段,预计2019∼2020年才会出现比较好的商业化产品、应用。而且,不管是厚重或轻巧的穿戴式装置,无设备才是最佳的vr体验,人的视角可以聚焦的目标其实只在双眼前面上下与左右25∼30度的范围内,所以应该透过精准的眼球追踪技术,让焦点范围内的影像清晰,其余模糊显示就可以。
图3 台北科技大学互动设计系王圣铭副教授说明,从ar/vr提供体验根本上的不同来看,ar扩增了现实的状况,vr则是使人抽离现实。
如何从人类的感官中设计出单纯愉快的体验?台北科技大学互动设计系王圣铭(图3)副教授说明,从ar/vr提供体验根本上的不同来看,vr只专注在提供的内容上,具有高度沉浸的特性,而ar则是与现实结合,简单的说ar扩增了现实的状况,vr目的则是使人抽离现实。目前已有许多真实案例显示,过于沉浸的体验对临时的外力介入将产生后遗症,也有许多设计思考不够周延的软件或产品,让用户产生明显生理不适现象。
透过设计思考的跨领域整合架构,可以发现快乐感的设计之道,王圣铭解释,该架构有几个要点:发展趋势与前瞻性应用分析、跨领域脑力激荡与整合、并掌握以使用者为中心的洞见与设计、再以技术应用发展与界面设计整合、最后导入系统使用尺度与科学性量测,以严谨的方式确保设计的质量。
图4 ***虚拟现实科技技术长王铨彰指出,现在常见采用标记(marker)的ar应用,其实是一种窄化的ar技术,也是mr应用的一种。
ar/vr/mr设计挑战不同以往
为什么人们要发展虚拟现实技术?根本的原因还是来自于人的欲望,希望满足无穷无尽的欲望,将不会发生的幻想真实在眼前上演,***虚拟现实科技技术长王铨彰(图4)指出,vr其实就是3d的动画、互动操作与沉浸体验组成,业界现在谈论的ar/vr/mr早在多年前就出现了,现在常见采用标记(marker)的ar应用,其实是一种窄化的ar技术,也是mr应用的一种。最近网络上出现一段广为流传的影片,有一只鲸鱼凭空从体育馆的地板跃出水面,而现场的观众并没有带着3d眼镜或其他设备,被称为剧场实境(cinematic reality, cr)。
一个产业会兴起跟技术的渐进发展与突破有关,智能型手机就是最明显的例子,王铨彰表示,早期vr产业被提出却没能发展,与部分关键技术还未到位有关,他认为2000∼2010年是vr的蛰伏期,这些年包括绘图处理器(gpu)、着色器(shader)、智能型手机、高阶游戏引擎、物联网(iot)、电池技术、机器视觉、机器人等技术的发展都在酝酿虚拟应用爆发需要的养分。
现阶段ar/vr的应用还有一些技术的挑战需要克服,前述因为太过沉浸的体验而产生不舒服的情况称为动晕症(motion sickness),王铨彰说明,游戏设计要避免采用第一人称的射击游戏,因为传统lcd面板的显示原理,造成的余晖(image persistence)现象也会对人眼造成不适,透过采用主动式发光的oled面板,可以有效的减少余晖残影,但oled在制程上有单位面积分辨率上限,ppi(pixel per inch)较低,颜色色域窄不自然,需要特别调校。
相较之下lcd因为技术成熟可以在同样的尺寸上提供较高的分辨率,屏幕残影可以透过加入黑画面(backlight blinking)的方式解决,不过都不是治本之道。在最近二∼三年,ar/vr/mr的发展将围绕在,低残影屏幕(lower persistence screen)、低延迟硬件(lower latency hardware)、高分辨率(high resolution)、高效能gpu、更友善的游戏开发工具、定位技术、新兴算法(new algorithms)等面向进行发展与突破。
图5 华硕计算机系统整合开发处赖文政博士表示,头带式装置面板,两片式显示设计尺寸为2.9∼3.46吋,一片式显示最佳尺寸为4.7∼6.7吋。
ar/vr装置显示关键零组件选择
从现阶段最常见的头戴式装置来看,其关键组件都是跟显示有关的,华硕计算机系统整合开发处赖文政(图5)博士指出,面板选择上,以双眼没有互相干扰为原则,左右眼的视野区不能交迭,并加上面板利用率优化估算,左右两画面中心距离即为视野区直径,两片式面板尺寸为2.9∼3.46吋,一片式显示最佳尺寸为4.7∼6.7吋。在显示位置调整上,两片式的设计可以利用机构调整,一片式的设计只能透过软件调校;在面板利用率上,两片式设计因为尺寸较小,较容易达成经济切割。
透镜的材料以玻璃与塑料为主,塑料可以做非球面,模拟上非球面清晰度效果比球面好,赖文政表示,菲涅尔透镜(fresnel lens)又称为螺纹透镜,可以建造更大孔径的透镜,焦距短、重量轻、体积小、厚度低,但缺点是会降低成像质量,易出现光圈效应(flare)、容易卡灰尘等,所以在vr的设计中,是为了配合既有的面板尺寸,最大化可视角度(field of view, fov),但却因此牺牲成像质量,菲涅尔透镜的光学优化设计,还有待进一步突破。
图6 品臻联合系统董事长张国祥表示,ar进入门坎比vr高,初期以各垂直领域的产业应用为主,未来将普及于日常生活的消费型产品。
而在ar的装置部分,最早以google glass为代表,相较于vr业界普遍看好其应用领域与产业发展潜力,品臻联合系统董事长张国祥(图6)表示,ar进入门坎比vr高,初期以各垂直领域的产业应用为主,未来随着价格降低将逐步普及于日常生活应用的消费型产品,ar眼镜的显示会透过立体(stereoscopic)与光场技术(light field)来显示3d影像,不过立体成像技术无法主动选择聚焦,长时间配戴会出现晕眩,制造技术尚未成熟,有视野过小、成本高、良率低的问题。
张国祥认为,ar眼镜的电池、处理器、传感器等硬件性能还有待加强;另外,改善算法与导入成熟的深度学习机制,对于目标物体的检测、识别及追踪定位功能都可以进一步强化。硬件关键零组件部分,ar眼镜通常需要搭载微型投影机、感测模块包括两个微型摄影机与6/9轴加速度计、嵌入式处理器与操作系统,整个眼镜以轻薄为原则,重量不超过150公克。
图7 工研院服科中心技术经理梁哲玮表示,ar需求成长快速,品牌厂商纷纷使用ar技术进行产品展示。
产业应用将更为多元广泛
在产业应用部分,ar应用在产品展示上的案例越来越多,目前ar应用开发以零售及营销、产品加强为大宗,研究发现以ar做产品展示可以提供更丰富的顾客体验、降低产品预期落差、增加购买意愿。工研院服科中心技术经理梁哲玮(图7)表示,ar需求成长快速,品牌厂商纷纷使用ar进行产品展示。
例如积木大厂乐高(lego)运用ar技术,让消费者免拆封就可以看积木成品,降低产品预期落差,也可以提升消费者售后满意度;汽车厂福斯(volkswagen)与铃木(suzuki)也运用ar介绍新车内部细节,以辅助销售。家具大厂宜家家居(ikea)以ar呈现家俱摆设在家里的感觉,强化消费者购买体验,有助于产品销售;三菱(mitsubishi)空调导入ar产品简介,带动营收增加3000万美元。
另外,意大利咖啡品牌lavazza导入trylive retail实时可视化商用咖啡机装设效果,让该公司业务团队得以现场实时展现装设效果,提高客户选择信心,加速成交。整合扩增实境摆设、电子目录、品项比较、下订手续一次到位。而提供虚拟家俱展示服务的sayduck,利用家俱业者的2d照片或3d模型,将业者的内容变成虚拟家具并在消费者居家进行展示,服务推出六个月就增加了33个家俱品牌业者客户,藉由其ar技术提供良好的使用者体验,并让消费者在购买前就可以先进行产品体验与互动。
图8 ul能源暨电力科技部事业发展经理陈立闵指出,穿戴式装置长时间与皮肤接触,容易产生「低温烫伤」,据研究,人体接触摄氏44度六小时是极限。
ar/vr产品验证更为重要
ar/vr为提供真实的感官体验,许多产品都是穿戴式,与人体紧密接触,所以产品的安全性更加重要,因此穿戴式产品的验证也比过往3c产品更为迫切,ul能源暨电力科技部事业发展经理陈立闵(图8)表示,穿戴式产品的安全认证采用防止潜在危险的安全工程(hazard based safety engineering, hbse)原则,防止潜在危险为基础的全新思维,在产品开发前期即应纳入安全设计,比过去更强调风险管理的概念。
在风险评估与管理的过程中,穿戴式装置可能的危害包括:机械性、触电、热、电弧、电磁波、光辐射、爆炸、化学品、接触不良、人体工学、使用时间等。陈立闵举例说明,穿戴式装置长时间与皮肤接触,容易产生「低温烫伤」,据研究,人体接触摄氏44度六小时是极限,再长就容易出现低温烫伤,若超过摄氏51度,就只能接触数秒。
对于一般厂商来说,产品验证可能比开发还要棘手,陈立闵提出,许多厂商将产品开发出来后,并不知道要不要做验证?也不知道有没有标准存在?如果法规没有强制,还要做验证吗?如果要做验证,是要做电气安规还是产品性能?进行产品验证一定要依循所谓的产业标准吗?而验证要找哪个专业机构?所以他建议在商机爆发的现在,厂商应该及早做好验证规划与准备,消费性电子信息产品电器安全可采用iec/ul 62368-1进行认证,功能性认证可以采用ul verify mark进行,最后有鉴于网络诈骗、黑客事件层出不穷,网络安全认证将会变成下阶段的挑战。
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