银河证券电子团队

作者：王莉 杨明峰

（三）AR之显示：微投影将虚拟融入现实

1、微投技术将为AR显示扮演重要角色

光学式AR和视频式AR是增强现实两种显示实现方式

AR显示讲究的是虚拟物体与真实世界的混合显示，主要分为光学透视式显示增强现实装置（以下简称“光学式AR”）和视频透视式显示增强现实装置（以下简称“视频式AR”）。它们主要的区别在于真实环境的显示方式，类似于单反相机的光学取景器与电子取景器的区别。

光学式AR是把光学融合器放置在用户眼前，该融合器是部分透光的，用来直接获取真实环境的信息，同时部分是反射的，用来由投影仪将虚拟物体投射到融合器上再反射到用户眼里。光学式AR对真实环境几乎是无损显示，真实场景几乎完整地呈现给用户，所获得的信息可靠全面，但是也使得真实环境与虚拟环境的融合变得困难，代表产品如google glass和微软的hololens。

视频式AR是用封闭的视频头盔与两个视频摄像机结合到一起，视频摄像机为用户获取真实环境的信息，然后将真实环境信息与虚拟物体信息同时合并到显示屏上。视频式AR是通过对真实环境的复现，然后在与虚拟图像进行融合，实现会容易得多，但真实环境的显示受多种因素干扰而存在一定的失真。

由于视频式AR的显示器是由显示屏近眼来实现的，属于沉浸式体验，这与VR的显示屏没有区别，以AMOLED显示屏为优选。再加上，无论此前的Google Glass还是现今的Microsoft HoloLens都是以光学式AR为主流，本节主要讨论光学式AR的显示器件。

微投影承担着光学式AR的核心显示功能

光学式AR的显示主要靠投影器件将虚拟物体视频源投射到半透半反的光学棱镜上，进而与真实环境相融合。微投影器件是光学式AR的核心，承担了将虚拟物体叠加到真实环境显示的功能。

在消费娱乐领域，光学式AR的先驱Google Glass采用微投影作为显示技术，通过一个微型投影仪加上棱镜来实现，棱镜一方面将微投发出的图像投射到视网膜上，另一方面又将图像叠加到现实场景，展现在用户面前的是一个叠加图案。而今被寄予厚望的Microsoft HoloLens采用DLP投影技术，采用一个半透玻璃，从侧面DLP投影显示，与Espon的眼镜显示器或Google Glass方案类似。

此外，在专业的增强现实领域，投影仪也扮演着重要角色。车载抬头显示（HUD）大大改善了汽车驾驶体验，微型投影仪将导航信息直接投射在驾驶者前方，用户无需转移视线去关注中控平台显示屏上的导航信息，提升了驾驶安全性。飞机抬头显示（HUD）可以将飞行和作战信息提取后，由微型投影仪将影像信息投射到驾驶员前方的玻璃上，提高了飞行安全性和作战能力。

DLP和LCOS将成为增强现实两种主流微投技术

投影技术主要包括LCD投影技术（液晶投影机）、DLP投影技术（数字光学处理器投影机）和LCOS投影技术（反射式液晶投影机）。

LCD投影机利用金属卤素灯或UHP（冷光源）提供外光源，将液晶板作为光的控制层，通过控制系统产生的电信号控制相应像素的液晶，液晶透明度的变化控制了通过液晶的光的强度，产生具有不同灰度层次及颜色的信号，显示输出图像。

DLP技术由由德州仪器公司研发（专利为德州仪器公司拥有），采用微镜反射投影技术，在投影效果上，亮度和对比度明显提高，体积和重量明显减小。

LCOS投影机的基本原理与LCD投影机相似，只是LCOS投影机是利用LCOS面板来调变由光源发射出来欲投影至屏幕的光信号。

DLP投影系统的核心是DMD数字微镜设备芯片，其主要特性是投影效果佳，延迟少。

一块DMD通常有多达130万个铰接安装的微镜组成的矩形阵列，每个微镜比头发丝的1/5还小，一个微镜对应一个像素，可以单独调制的，与色序照明同步，以生成出令人惊艳的显示效果，目前投影像素已从7.5微米降低到5.4微米，亮度从50lm提升到200lm。此外，DLP投影在利用图像追踪用户动作的视频游戏等应用中，其产生的图像延迟性极低在输入帧率为120hz的情况下显示延迟仅为8.33ms，这也是增强现实视频图像显示亟待解决的问题。DLP投影的种种特性使之适合于无屏电视显示领域（微投影）和可穿戴显示（沉浸式）领域。德州仪器向微投影市场推出了DLP Pico 0.47英寸TRP全高清1080p芯片组，适用于微投产品和沉浸式显示应用，特点是尺寸更小，更适用于VR/AR应用

LCoS属于新型的反射式微型LCD投影技术（体积比LCD投影小得多），其主要特性是功耗低、生产难度低，更适用于移动应用。

它是在液晶LCD的基础上改造发展起来的，采用反射式投射，较少了液晶面板中的晶体管电路层阻挡的部分光线，因此光利用效率可达40%以上，远高于LCD投影的3%，可以大幅节省耗电。此外，LCoS投影还可以利用CMOS制作技术来生产，无需额外的投资，可随半导体制程快速的微细化，逐步提高解析度。因此，DLP投影和LCoS投影非常适合增强现实的所需要的低功耗、微型化的要求。

苹果不会放过微投影这个关键角色

2015年12月，苹果近期获得一项名为“自适应投影仪”的专利。从描述中可以看出，该投影仪上的摄像机能扫描房间、办公司等周遭环境，然后建立空间的数字模型，并检测出能支持图像投射的物面载体。该投影仪可以实现增强现实功能，可以改变用户所看见的场景。

这种投影仪可作为头戴式设备或者独立装置工作，能将电子书、电影等数字内容投射到真实世界中的物面载体上，可在用户读书时提供和电子书类似的高亮功能，甚至可以提供电子书购买服务，改善生活体验。

我们暂不能判断苹果将采用何种微投方案，但巨头的布局反映了微投的关键性。

2、DLP技术TI一家垄断，LCoS技术参与商较多

DLP技术的核心在于DMD芯片，而DMD芯片的生产被德州仪器垄断生产，因此要想生产制造DLP微投影器件绕不开德州仪器的支持。德州仪器向微投影市场推出了DLP Pico 0.47英寸TRP全高清1080p芯片组，拥有“全高清分辨率、画面清晰、紧凑型结构适用于各种尺寸的用户终端设备”和“低功耗、适用于电池供电设备，例如便携式投影机和可穿戴式设备”两大关键特性，非常适用于微投产品和沉浸式显示应用。

与DLP技术由TI一家公司垄断相比，LCoS的芯片商相对来说就比较多，参与商也较为活跃。

3M公司：提到LCoS技术，不得不提美国3M公司，2008年3M公司发布全球首款光学引擎，成为LCoS技术的一面旗帜。此外，3M公司在液晶偏振光控制上处于长期领先地位，并开发出了PBS(Polarizing Beam Splitter)偏振控光元器件，可以使同性能的LCoS光引擎减少体积30%以上，对比度大幅提高，工艺复杂性大大降低。

美光：美光通过收购Displaytech获取FLCOS微型显示投影技术，FLCOS微型显示技术的优势在于转换速度快，最高速度比传统的LCOS技术快100倍。2009年，美光推出了单芯片微型显示屏，该微型显示屏采用FLCOS技术，是一种尺寸为VGA四分之一的宽屏（WQVGA）微型显示解决方案，具有功耗低、图像质量好、尺寸小的特点，支持头戴式显示器产品和嵌入式手机投影仪等应用，实现便携式视频与图像投影功能。

（四）VR/AR之传感器：人机交互的核心

1、传感技术是VR/AR人机交互的核心

无论是VR还是AR，都强调用户的交互性，离不开传感器。传感器就是VR/AR的五官，而且VR要想制造身临其境的感觉，AR要想实现虚拟世界与现实世界无缝衔接，它们都对传感器提出了更高的要求。

与智能手机等传统智能硬件相比，VR/AR产品的种类众多，大致包含体视觉传感技术、体感识别技术、眼球追踪技术、触觉反馈技术等，它们传感器通过人体动作追踪，对周围位置环境感知，进而对用户形成动作反馈，从而完成用户在视觉、听觉、触觉、嗅觉的全部人体感知体验。

在VR/AR产品中，除了拥有智能手机里面已经存在的加速度传感器、磁力传感器、光线传感器等普通传感器外，我们应当重视VR/AR中关键的传感器件。

体感识别：激光雷达、摄像头在位置追踪中扮演重要角色

体感识别是VR/AR最重要的交互技术。人体动作是用户与设备之间交互的最基础的信息输入方式，设备通过捕捉人体动作的位置，识别人体动作的类型，从而对输入的信息进行处理，进而对用户反馈输出信息。要实现体感交互，首先需要位置传感器识别用户自身所处的环境，然后需要捕捉用户的动作进行信息反馈。

提到体感识别与交互，不得不提微软的Kinect、索尼的PS Move、任天堂的Vii，它们都是体感交互产品的先驱。其实现手段主要包括惯性感测、光学感测以及惯性和光学联合感测。

以微软的Kinect为例，Kinect系统主要包括转动电机系统、音频采集系统和视频成像系统，通过CMOS红外传感器感知周围环境，形成环境景深图像，并通过相关指***对用户身体某一部位的简单3D模型采集。之后在模型匹配中完成对骨架追踪，从而识别用户所采取相关的交互动作。在微软Kinect的体感识别与动作捕捉过程中，Kinect的三个摄像头极为关键，一个彩色摄像头提供了彩色图像；两个红外摄像头通过发射/接收红外线，来提供深度数据。

微软的Kinect的体感识别交互方式是典型的代表，我们认为摄像头是体感识别的重要载体，结合视频图像算法可以实现良好的体感交互功能。很多VR/AR产品都采用摄像头作为体感识别的关键元器件，应当积极关注摄像头厂商在虚拟现实产品的应用。

Valve软件公司是一家专门开发电子游戏的公司，也是超强的内容生产商和平台服务提供商。Valve进军虚拟现实领域并开发了SteamVR系统，其最有特色的功能就是基于Lighthouse激光追踪系统来实现房间追踪。Lighthouse激光追踪率先被应用在HTC和Valve联合推出的Vive虚拟现实头盔上，该设备集成了44个位置追踪传感器，并且在墙上放置两颗激光传感器，通过激光追踪运动系统获得佩戴者的位置和方向信息，可以再特定环境下准确追踪用户的移动，其用户的移动空间可达4.5米。

Oculus Rift DK2内置了很多位置跟踪传感器，原理是在机身前部上集成几个红外灯，发射的红外信号到接收器，接收器安装到显示器上方，或者固定在三脚架上，其空间移动距离1.5米，用户必须处于红外摄像头的可视范围内可以实现实时位置追踪。

2、各大厂商已经加紧布局传感技术

传感技术是VR/AR人机交互的核心手段，其重要性不言而喻。目前虚拟现实巨头在加紧发展终端设备的同时，也积极布局传感技术，以期待虚拟现实产业链上占据关键环节。

从各大巨头的布局来看，微软掌握了深度传感器Kinect；苹果收购了深度传感器PrimeSense，并且在软件上收购了FaceShift和Metaio，可配合PrimeSense进行传感技术深度布局；索尼收购了收购比利时传感器技术公司Softkinetic Systems SA，拥有全世界最小带精细化手势识别功能的 3D深度摄像头；谷歌收购了Lumedyne Technologies，掌握了光学加速度计、振动能量采集器、基于时域相应的惯性传感器等传感技术，此外谷歌的无人驾驶系统整合了声呐系统和雷达系统，将传感器应用发挥到了极致；Facebook收购了Oculus平台，并在软件上收购Surreal Vision，在室内三维重建领域技术领先。

表8：海外巨头在VR/AR传感技术的布局

资料来源：中国银河证券研究部

此外，国内厂商也积极切入虚拟现实传感器领域。

中科院宁波材料所所属二级所先进制造所的计算机视觉实验室利用全景成像技术成功研制了“虚拟现实视觉传感器”。曼恒数字成功自主研发了光学位置追踪产品G-motion，实现虚拟与真实世界互动。

传感器相当于VR/AR的五官，起到人机交互核心的功能。以微软、苹果、Facebook、索尼、谷歌为代表的科技巨头都在该领域加紧布局，凸显了其重要性。激光雷达是VR/AR位置传感器的核心基础器件，摄像头是捕捉动作，实现深度传感的基础，它们在VR/AR中扮演重要角色。