2016年9月7日,赛迪智库召开主题为“虚拟现实行业应用的引爆点”报告会,同时发布了《虚拟现实产业与应用发展白皮书》。赛迪智库电子信息产业研究所副所长温晓君博士表示,“虚拟现实的作用对象是“人”而非“物”。虚拟现实以人的直观感受体验为基本评判依据,是人类认识世界、改造世界的一种新的方式手段。与其他直接作用于“物”的技术不同,虚拟现实本身并不是生产工具,它通过影响人的认知体验,间接作用于“物”,进而提升效率。”

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虚 拟现实以临境(Immersion)、交互性(Interactivity)、想象(Imagination)为特征,融合三维显示技术、三维建模技术、 传感测量技术和人机交互等多种前沿技术。创造了一个三维交互场景,用户借助特殊的输入输出设备,可以体验虚拟世界并与虚拟世界进行自然的交互。
虚拟现实是互联网未来的入口与交互环境。
虚拟现实技术体系包括感知、建模、呈现和交互四的方面。其中,感知技术是对环境和自身数据的采集和获取,包括眼部、头部、肢体动作捕捉,位置定位等;建模技 术是对环境对象和内容的机器语言抽象,包括几何建模、物理建模、生理建模、行为智能建模等;呈现技术是对人视觉、听觉、嗅觉、触觉等感官的表现,包括3D 显示(视差、光场、全息)、3D音效、图像渲染、AR无缝融合等;交互技术是人与虚拟环境中对象的互操作,包括触觉力觉反馈、语音识别、体感交互技术等。
消费端产品出现成为虚拟现实产业化起点。虚拟现实概念由来已久,相关技术在军事、航天领域已有深入应用。2015年以来,随着虚拟现实消费级产品的不断推 出,虚拟现实才真正成为电子信息领域最受关注的产业之一。虚拟现实产业有望成为全球继计算机、智能手机之后新的通用计算平台。
虚拟现实产业链大致可分为关键零部件、软件、设备、应用与内容制作四大部分。关键零部件包括处理器芯片、显示器件、光学器件、传感器等。软件包括操作系统、 软件工具包(SDK)、UI、中间件等。设备包括了主机系统(PC、一体机、手机)、显示终端、交互终端,还包括内容采集与编辑的终端设备等。应用与内容 制作包括了行业应用软件的开发和内容的制作、分发等。
国内企业主要分布于设备制造环节,显示器件国内大厂以布局为主,VR用高清晰OLED屏技术上尚未完全攻克,不能稳定量产。处理器芯片、高端传感器件、软件与应用内容开发方面,我国企业数量少,短板尤为明显。
巨额投资刺激产业链环节快速发展。近 年来,Facebook、谷歌、微软和苹果等巨头科技公司纷纷通过投资、并购、孵化等方式介入虚拟现实产业链布局,GoPro、HTC、Nvidia、高 通和三星等知名企业也开始发展虚拟现实技术。2014年和2015年,VR/AR领域共进行225笔风险投资,投资额达到35亿美元,极大地促进了虚拟现 实产业在硬件、软件、内容、应用和服务等诸多环节上的快速发展。
产业生态构建成龙头企业发展重点。由 于虚拟现实盈利模式将和智能手机盈利模式存在相似之处,构建硬件商、消费者、开发者三方共赢的“平台+应用”闭环生态圈已成为虚拟现实行业发展主流。脸书 和三星通过软硬件优势互补,在虚拟现实产品方面开展深入合作。索尼围绕现有游戏主机构建开放的应用开发平台,从内容和应用端发力完善生态体系。
发展重点开始向行业应用转移。由于虚拟现实普及至少还需要2-3年时间,且虚拟现实产品还需要从沉浸感和体验感方面进行优化,现阶段生产厂商很难从消费端用户获得硬件销售收益,因此多家虚拟现实创业公司开始转向行业应用端用户,以为行业用户提供解决方案和培训业务为生存方向。
我国虚拟现实企业现主要分为两大类别:一是成熟行业依据传统软硬件或内容优势向虚拟现实领域渗透,其中智能手机及其他硬件厂商大多从硬件布局;二是新型虚拟 现实产业公司,包括生态型平台型公司和初创型公司,以互联网厂商为领头羊在硬件、平台、内容、生态等领域进行一系列布局。目前,国内VR行业具有如下特点:
资本市场前景良好,融资创新积极性较高。预计2020年国内VR设备出货量820万台,用户量超过2500万人,与2020年全球VR硬件市场预计规模28亿美元比较,国内VR硬件市场规模将占全球的34.6%。目前硬件制作商是国内VR行业现阶段行业融资发展的重点产业,VR硬件开发商的融资总占比占到整个VR行业的51.9%。
内容开发受市场认可,线下体验馆增长迅速。由于国内VR市场主流设备仍以移动端VR眼镜为主,国内VR视频内容的开发数量要远多于VR游戏内容。国内VR平台上已有约2700款视频和800款游戏。与此同时,国内VR线下体验馆数量近几年增长迅速,全国已超过2000家。
初创企业集结,巨头企业观望。由于硬件设备不统一、产业链和标准不完善、虚拟现实内容和沉浸式体验较为缺乏和用户群体小众化等因素,目前虚拟现实企业多为初创企业,巨头大多保持观望态度,投资也主要集中在天使轮。类似O2O产业初期发展历程,国内虚拟现实创业目前属于资本导向下的试探发展,一旦在某个细分领域呈现爆发的苗头,巨头和风投将迅速跟进。
虚拟现实产业市场具有良好前景。国内外多家大型市场研究机构对2020年全球VR产业规模预计在150亿到300亿美元之间;咨询公司Gartner预计 VR产业在2020年达到400亿美元规模。2015年我国虚拟现实行业市场规模为15亿元左右,预计2016年将达到56.6亿元,2020年将接近 600亿元。
2015年中国虚拟现实行业市场规模为15.4亿元人民币,预计2016年将达到56.6亿元,2020年市场规模预计将超过550亿元,2020年中国VR设备出货量预计将达到820万台,用户数量超过2500万人。

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虚拟现实产业爆发的制约因素。一 是技术成熟度,包括突破共性技术难题,如广视角、低眩晕、低延时、真三维等。二是明确演进路径,桌面端或移动端,VR或AR。三是产业链支持度,包括硬件 配套、应用开发、内容生产。四是消费者认可度,包括用户体验、使用习惯、价格因素等。五是行业应用推广度,能否找到行业应用的突破口,并形成可观收益。

虚拟现实行业的引爆点:

引爆点之一:军事

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VR在武器系统的性能评价和设计、操纵训练和大规模军事演习及战役指挥等方面发挥了重要作用并产生了巨大的经济效益。美国已初步建成一些洲际范围的分布式虚拟环境,并将由人操纵和半自主兵力引入虚拟的战役空间,在世界上处于领先地位。

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我国军事领域虚拟现实仿真应用得到飞速发展。建成服务于导弹、卫星、飞机和舰船等的武器仿真系统。建成防空、导弹攻防和多武器攻防等仿真对抗平台。在软件、技术和标准规范等方面取得了一批成果。
存在问题或瓶颈
积极推进军用虚拟现实技术发展,将有助于我国实现后发赶超。与国外相比,我国在部分军用虚拟现实技术上亟待改进,主要表现为:一是半实物仿真系统只能进行单 一武器的性能仿真,不能服务于武器装备全寿命和全系统设计;二是体系对抗系统的规模、功能和组织管理等方面可扩展性不强,功能覆盖不全面;三是在体系结 构、建模、可信度评估技术、标准与规范、仿真环境等技术领域存在差距。
未来需求及趋势分析
近年来,虚拟现实技术在航空航天和军事领域的成功应用,取得了巨大的经济效益和社会效益,促进世界发达国家进一步加大了对VR技术研究的支持力度。VR技术在武器系统性能评价、武器操作训练、指挥大规模军事演习等三个方面的仿真应用中能发挥大幅度降低费用、极大提高效益、消除意外伤亡事故的重大作用,因此未来VR技 术研究需要紧紧围绕着提高这三种能力的系统和环境而展开。进一步的研究趋势包分布式虚拟环境、虚拟环境建模、分布式可交互环境数据库、虚拟环境显示、数据 融合与输出、各个层次(包括地形绘制、天气描述、运动和传感、武器系统与效应、计算机生成的半自主兵力等)上的逼真性、分布式多维人机交互及标准化等。

引爆点之二:制造

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虚拟现实技术在全球制造业研发、装配、检修、培训等环节已经实现初步应用。

在研发环节,虚拟现实技术可以展现产品的立体面貌,使研发人员能够全方位构思产品的外形、结构、模具及零部件配置使用方案。特别是在飞机、汽车等大型装备产品的研制过程中,运用虚拟现实技术能大幅提升产品性能的精准性。波音公司将虚拟现实技术应用于777型和787型飞机的设计上,通过虚拟现实的投射和动作捕捉技术,完成了对飞机外型、结构、性能的设计,所得到的方案与实际飞机的偏差小于千分之一英寸。据统计,采用虚拟现实设计的波音777飞机,设计错误修改量减少了90%、研发周期缩短了50%、成本降低了60%。

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在装配环节, 虚拟现实技术目前主要应用于精密加工和大型装备产品制造领域,通过高精度设备、精密测量、精密伺服系统与虚拟现实技术的协同,能够实现细致均匀的工件材 质、恒温恒湿洁净防震的加工环境、系统误差和随机误差极低的加工系统间的精准配合,提高装备效率和质量。中国一拖集团应用我国本土企业曼恒数字研发的“数 字化虚拟现实显示系统”,打造出虚拟装配车间,可实现360度内部全景漫游,既能多角度观察每个装配工位,又能精准跟踪装配工件的生产工艺流程,为我国大型农业装备制造行业发展注入了新鲜血液和强大力量。

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在设备维护检修方面,虚拟现实技术应用于复杂系统的检修工作中,能够实现从出厂前到销售后的全流程检测,能够突破空间限制、缩短时间需要,提高服务效率、拓展服务内容、提升服务质量,将制造业服务化推向新的阶段。例如,美国福特公司联合克莱斯勒公司与IBM合作开发了应用于汽车制造的虚拟现实环境,在汽车出厂前可以检验出其存在的设计缺陷,并辅助修正,大大缩短了新车研发周期。未来,通过远程数据传输,虚拟现实技术将帮助实现实时、远程、预判性的监测维修服务。
在培训方面, 通过利用虚拟现实技术建立虚拟培训基地,能够立体展现制造场景,帮助学员通过全方位的感知体验,获取高仿真的、可重复的、低风险的学习体验,有利于制造业 从业人员提前熟悉制造场景、提升应用技能。当前,已经有许多国内外企业运用虚拟现实技术开展培训工作。例如,英国皇家装甲公司采用虚拟现实技术,对 14.5吨的新型车辆进行车辆训练模拟,实现了对专用车型驾驶员的操作培训。

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从应用基础看,我 国在虚拟现实领域已经形成一批科研成果,为在制造业推广应用奠定了基础。北京航空航天大学和一汽公司合作开发的板料成形软件,基本能够模拟车门等复杂覆盖 件的冲压成型过程;沈阳铸造研究所开发的电渣熔铸工艺模拟软件已经应用在水轮机组叶片曲面造型中;合肥工业大学开发研制的双刀架数控车加工模拟已应用于马 鞍山钢铁车轮轮箍厂。
从应用实践看,我国已在航天、航空、汽车等高端制造领域初步应用了虚拟现实技术。中国商飞研发出虚拟现实仿真系统,用于新型民机的预先研究评估和关键技术攻关;一汽、二汽、上汽等汽车公司在运用UG、CATIA、PRO-E等三维软件进行产品设计方面已积累多年经验,具备了应用虚拟现实所需的数据基础。
从产业基础看,我国制造业规模位居全球第一,规模以上制造企业数量超过32万家,产业门类齐全、产品种类丰富,产业体系健全,对虚拟现实技术的应用场景丰富,空间广大。

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存在问题或瓶颈
一是基于集成的数字化产品模型技术尚处于概念阶段。虚拟现实制造要求基于集成的数字化产品模型开展研究工作,但相关技术有待于进一步研究,具体包括:CAD模型中的产品信息含量太低、现有CAD模型无法支持产品的概念设计、缺乏良好的产品信息重用机制。
二是产品创新支持工具尚不充分。目前产品创新支持技术有了部分支持工具,但离对产品创新支持技术的要求还有一定的距离,主要表现在:缺少创新设计支持系统、缺乏将知识与VM结合的工具、缺少交互式外型设计技术与VM的集成工具、缺少支持逆向(反求)设计的工具。目前逆向设计中仍然有大量未能克服的难题,如具有随机测量误差的测量数据处理技术、残缺数据的修复技术等需要进一步改进与完善。
三是产品数字化技术尚不成熟,具体包括:产品数据管理与其它应用软件的集成问题、虚拟产品开发的产品数据组织体系、与数字化产品模型相关数据的组织和管理。
四是制造过程仿真建模方法和技术有待突破,主要表现在虚拟加工、虚拟装配、虚拟测试几个方面:虚拟加工分析工具、面向对象的集成化装配建模的研究尚不丰富和装配工艺规划、基础理论、测试技术需要进一步研究。
未来需求及趋势分析
随着我国制造战略的发展,未来虚拟现实制造需要高度重视和全面规划、加强高质量研究型人才培养和培训工作、大力普及CAD/CAM技术、加强相关关键技术的研发推广,全面实施基于并行工程的虚拟制造。

引爆点之三:教育

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虚拟现实技术在教育领域的应用主要包括科学研究、虚拟学习环境、人体模型仿真等方面。虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃,通过提供生动逼真、沉浸 性和交互性的体验,有助于营造“自主学习”的环境,实现由传统的“以教促学”的学习方式向学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式转变。
存在问题或瓶颈
一 是VR技术在教育领域的成熟度不够,虚拟学习、虚拟教学等模式在国内外并没有得到普遍的应用。二是VR技术的复杂性和违背传统的教学模式并不能被传统教育 学派的学者所完全接受。三是虚拟教学缺乏真实的人际互动,削弱了学习者相互交流的能力。四是虚拟教育不能有效识别学习者在真实环境中的个性差异,无法对学 习者进行针对性的培养。
未来需求及趋势分析
一是虚拟教育、虚拟课堂等应用将更加普及。二是VR技术与理论教育将实现有机地结合,教育与社会需求之间的差距得以缩小。三是虚拟现实技术将会更广泛地应用于学习情景的创设,不断增强学习内容的形象性和趣味性。
虚拟现实技术在教育领域的应用主要包括科学研究、虚拟学习环境、人体模型仿真等方面。虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃,通过提供生动逼真、沉浸 性和交互性的体验,有助于营造“自主学习”的环境,实现由传统的“以教促学”的学习方式向学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式转变。
存在问题或瓶颈
一 是VR技术在教育领域的成熟度不够,虚拟学习、虚拟教学等模式在国内外并没有得到普遍的应用。二是VR技术的复杂性和违背传统的教学模式并不能被传统教育 学派的学者所完全接受。三是虚拟教学缺乏真实的人际互动,削弱了学习者相互交流的能力。四是虚拟教育不能有效识别学习者在真实环境中的个性差异,无法对学 习者进行针对性的培养。

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未来需求及趋势分析
一是虚拟教育、虚拟课堂等应用将更加普及。二是VR技术与理论教育将实现有机地结合,教育与社会需求之间的差距得以缩小。三是虚拟现实技术将会更广泛地应用于学习情景的创设,不断增强学习内容的形象性和趣味性。

引爆点之四:医疗

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1、应用环节及特点
虚拟现实技术在医疗健康领域的应用主要包括学习培训、手术模拟、精神康复质量等方面。通过提供具有真实感的环境和实时的触觉反馈,虚拟现实技术可以帮助医生提高手术的熟练度和成功率,虚拟出有效的康复训练计划帮助病人实现术后康复,帮助培训者快速地掌握医学要领。
2、存在问题或瓶颈
一是把VR技术应用于医疗康复、药物研制等领域会带来一定的风险。例如,尚未实现完全精确的模拟,会给医疗过程带来不可靠因素。二是用于医疗的VR产品质量不能得到保障。大众的接受程度低,其在医疗领域也尚未得到广泛的应用和接纳。三是医疗健康领域的VR产品价格昂贵,无法在医疗机构实现大规模的普及。

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引爆点之五:文化艺术

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1、应用环节及特点
虚 拟现实在文化艺术领域的应用主要包括通过数字手段进行文物古迹复原、文物和艺术品展示,提供虚拟场景进行雕塑、立体绘画等艺术创作,以及作为一种新型工具 来进行建筑设计、汽车设计和室内设计。作为传输显示信息的媒体和新型设计工具,虚拟现实可以将艺术动态化,将设计者构思变成看得见的虚拟物体和环境,将不 复存在的文物进行复原展示,并大幅提高表现能力,为文化艺术发展带来无限想象空间。
2、存在问题或瓶颈
一是缺乏既有文化艺术专业知识,又懂VR技术的人才。二是VR三维建模技术、图形渲染技术有待进一步突破,应用于文化艺术领域有一定的效果局限性,例如物理真实感、时间真实感、行为真实感弱,画面的真实感不强等。
3、未来需求及趋势分析
一是VR技术在古迹复原、文物展示、艺术品设计领域得到进一步的普及。二是VR产品成本降低,可以应用于更广泛的消费群体。

引爆点之六:旅游

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1、应用环节及特点
虚拟旅游是在现实旅游景观基础上充分利用虚拟现实技术,通过模拟或还原现实中的旅游景区构建虚拟旅游环境,向旅游者提供虚拟体验的旅游形式。虚拟旅游可细致 逼真、生动地再现旅游景点的风光风貌,带来虚拟导游、地图导航、酒店预订、社区、虚拟古迹等方面切实可观的效益,提供数字化保护虚拟现实技术重现历史遗 迹,可应用于国家大型景区构建,推动旅游业进一步向高新技术发展。目前,虚拟旅游产业具有如下特点:
虚拟现实游戏架构下的国际化产业。基于虚拟现实游戏中三维网络虚拟现实技术的快速发展,国外虚拟旅游产业也获得了生机。一些国家的旅游部门,如爱尔兰旅游局、菲律宾旅游局,和相当多的著名旅游相关公司,如STA Travel、Starwood、Hyatt等均在Second Life、OpenSim、Project Wonderland等虚拟现实游戏中开发了虚拟旅游市场,吸引游客将其作为旅游目的地(表2)。截至2015年底,全球旅游网上交易共达130亿美元,而且其增长速度甚至高于IT行业。
个性化交互性增强沉浸感。虚 拟旅游发展的特点主要包括增强交互性以及二维与三维技术相结合。其中,增强交互性包括设置化身亲身参与,通过设置参观景点建构实时更新的虚拟模型,用户可 以通过自己制定并采集的二维图片实行三维建模,将二维信息与三维的模型重合,给人以更直观的形象,大大增强沉浸感与交互性。二维、三维技术相结合涵盖了属 性查询、导航信息、地物查询等内容丰富的虚拟现实二维技术和立体形象、空间信息、地物外观等三维技术,更有利于虚拟现实的表达。国外虚拟旅游成功案例如表所示
与旅游大数据结合的体验型产业。国内虚拟旅游已经开始注重购物、娱乐、饮食、住宿等出行要素与虚拟旅游的结合。在2015年的世界互联网大会上,中国联通、国家旅游局和全景客共同推出“旅游大数据指数+虚拟旅游体验”合作,将黄果树景区旅游实时数据的变化,如游客人数、游客性别、客源地、拥堵指数、天气舒适指数等与无人机拍摄的黄果树瀑布和青岩古镇360度全景图相结合。

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2、存在问题或瓶颈
国内虚拟旅游刚刚起步,具有巨大的发展空间。技术方面,国内虚拟旅游的发展主要依赖于虚拟旅游网站的建设,但虚拟旅游系统远未达到高度逼真和实时漫游的水平。当前VR硬 件设备较为昂贵,且设备还存在帧率延迟、电池续航有限等技术瓶颈,若要普及,仍需在技术和成本上有所突破。国内常用将实景技术嵌入到二维的电子地图、三维 造型进行二维电子地图开发等实现技术,这些准三维虚拟现实技术不能够进行现实内容的完整表达,未来随互联网技术进步,正三维技术将在虚拟现实旅游领域获得 应用。产业方面,虚拟现实旅游存在平台碎片化、人才缺乏的问题,数据标准和规范较为粗放,一线旅游从业者对信息化技术的接受偏低。
3、未来需求及趋势分析
虚 拟现实旅游未来需求和发展趋势包括:针对现在已经不存在的旅游景观或即将不复存在的旅游景观开展虚拟旅游;与酒店、旅行社、航空公司、车辆租赁公司和其他 旅游相关行业相互合作,获得更高回报;降低虚拟现实硬件设备价格、解决帧率延迟和电池续航等技术问题;建立正三维虚拟现实和实时漫游技术标准,加快虚拟旅 游网站建设。

引爆点之七:汽车工业

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汽车虚拟设计
应用虚拟设计技术可以快捷地建立产品的模型族,迅速实现产品的变型设计和系列化设计。虚拟技术通过网络技术和PDM(产品数据管理)技术的支撑,还可以实现异地设计和并行设计。采用虚拟现实系统全尺寸的车身及内外饰的三维立体影像能方便逼真地显示在设计者眼前。
虚拟协同设计
在汽车设计阶段,往往分为多个设计部门进行汽车不同部分的分工设计,使用不同的设计软件。如车身、内饰、发动机、零部件等等,当这些部门完成了各自的设计之 后,却会发现诸如数据格式不同,整体车身的各种搭配问题和机械问题。虚拟协同设计平台为各个部门创造了三维模型的实时协同工作机制,实时获取多个设计师的 不同设计软件下的设计成果,快速整合,达到工作效率的快速推进。
汽车虚拟装配
设计人员在产品原型实际加工之前就可以全方位地检查零部件之间的装配间隙和干涉,也可通过程序自动检查装配状态。可以大大提高实际装配成功率并降低零件制作返工率。
虚拟实验
采用虚拟实验技术可以在建立了汽车整车或分系统的CAD模 型之后,在计算机上模拟真实的实验环境、实验条件、实验负荷进行虚拟仿真实验。通过虚拟实验,可以在汽车实际产品加工以前,预测它的安全性、可靠性、动力 性、气动性、经济性及舒适性等各种性能,同时对不满意的地方进行改进设计。虚拟试验还可以进行虚拟人机工程学评价、虚拟风洞试验、虚拟碰撞试验等。
虚拟培训
在汽车制造生产的过程中,往往伴随是精细的加工和零部件装配,一个细小的错误就可能导致车体结构的偏差和无法通过验收,导致返工等巨大损失。通过虚拟培训,使生产线员工能够提前收悉生产装配流程,避免错误,提高工作效率,减少企业承受经济损失的风险。

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应用场景和应用路径尚不清晰。国内企业对虚拟现实的技术特征、应用方法等缺乏基本了解和整体把握,对行业各环节与虚拟现实技术的结合点尚不清晰,加之应用场景设计缺失,产业标准不统一,难以对工业技术与虚拟现实技术的融合应用形成明确的产业化引导,制约了应用范围的拓展。
我国相关行业自身发展层级不高造成新技术应用的效率成本难以平衡。以制造业为例,目前应用虚拟现实技术的企业主要集中于航空、汽车、仪器仪表等高端制造行业,以及原型设计、精密加工等高端制造环节。我国的低端加工制造占比较大,进入高端制造的行业和企业不足,涉及制造前端原型样机设计、流程仿真的屈指可数,导致企业的应用能力不足、应用意愿不强。
虚拟现实行业应用的供应链短板依然明显。除 了在虚拟现实相关主控芯片、光学器件、高端传感器等方面存在共性短板外,国内面向工业制造的增强现实模块化产品设计、操作维修、仿真训练等虚拟现实内容和 应用供应严重匮乏,缺乏应用开发工具和开发平台,系统集成能力不强。供应链短板的存在严重拉高了行业融合应用的成本,延缓了推广进程。

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From 外芯房