AR/VR专利技术分析

孙世宁

摘 要：AR/VR技术因其广阔的应用前景已逐渐被国内外企业所重视，并被我国列为优先发展的前沿技术之一。通过对专利数据的分析可以实现对技术和商业情报的深度挖掘和客观评价，本文将从多个视角对AR/VR技术进行介绍，着重介绍决定AR/VR的关键技术。

关键词：AR/VR；关键技术；专利分析

1、全球范围内AR/VR技术发展概况

自20世纪70年代以来，用于增强现实或者虚拟现实的头戴显示设备便被提出，AR/VR头戴显示设备在这40多年间处于快速发展阶段。随着人们对AR/VR头戴显示设备关注度的不断提升，国内外各类申请人不断加大研发力度，AR/VR头戴显示设备的技术不断向前发展。2000年之后，随着国内技术的发展以及中国经济的增长，国内专利申请量开始有了相对较快的增长，随后在2009年左右，国内申请量增长速度与国外申请量增长速度趋于一致，接下来的时间里始终保持着高增长的态势。到2017年，我国AR/VR头戴显示设备专利申请量相比2009年增长了10倍以上。AR/VR头戴显示设备的申请量前四位的国家/地区/组织分别是美国、日本、欧盟和中国，这四个国家和地区占全球专利申请总量的八成以上，美国和日本的专利申请量就占了全球申请量的一半，其中美国是专利申请量最多的技术来源国，占全球申请量的36%，其次是日本，占全球申请量的21%，紧随其后的是欧盟和中国提交的申请，分别占全球申请量的12%和11%。充分显示了上述区域在头戴显示设备的重要性，以及美国與日本在AR/VR头戴显示设备领域的技术创新能力优势明显。

2、决定AR/VR的关键技术

2.1大视角的沉浸体验

在头戴显示设备的VR和AR体验中，视场角的大小直接影响到显示设备的显示效果以及使用者的体验感受，因此视场角宽度一直是申请人关注的热点之一。

索尼公司较早的提出通过避免可视范围内色散度从而提高头戴显示VR设备的可视化角度，如1996年提出的专利申请JP12064496，通过使用液晶偏振抑制色散，从而提高可视化的视角。

LUMUS有限公司在2003年提出的专利申请US20030297261中提出了一种多个棱镜整齐排列构成的透明平板，包括光传输基片、用来通过全内反射将光耦合进基片内的光学装置和多个由基片承载的部分反射面，基片由多个棱镜或多个平行的透明平板组成，部分反射面由涂覆有光学涂层的柔软透明片组成，以获得具有预定亮度的视场，透明平板可被嵌入眼镜框内或被嵌入便携式电话内，能够实现30°的增强现实的视场角。

目前来说VR和AR头戴显示设备最优的视场效果是怎样的呢？

STARbreeze在2016年提出了具有210°视场角的VR专利申请WO2016EP65209，这个光学系统接近于自然人眼的视角，最重要的是其采用了平面的菲涅尔表面的透镜，具有了极大的视场角、高质量的成像、更优的对比度、减少了杂散光并且紧凑且轻量化。成都虚拟世界科技有限公司在2016年推出的IDEALENS一体机专利申请CN201611029369具有180°的VR视场角度，并具备相应的畸变校正算法，该专利申请为一种用于单目的近眼显示系统以及虚拟现实设备，近眼显示系统包括左侧成像装置和右侧成像装置，左侧成像装置和右侧成像装置的结构相同；左侧成像装置包括第一图像源和第一成像单元，第一图像源出射的图像光线经过第一成像单元后进入人眼，右侧成像装置包括第二图像源和第二成像单元，第二图像源出射的图像光线经过第二成像单元后进入人眼，由于第一成像单元出射的最右侧光线与第二成像单元出射的最左侧光线之间的夹角范围为100°～180°，使得虚拟现实技术能够在视觉上满足人眼的观看需求，从而能够向用户提供沉浸式的体验。

2.2眼动追踪技术

眼动追踪技术包括虹膜识别和眼球追踪，虹膜识别是利用人类眼睛进行的，每个人眼睛的虹膜都是独特的，相较于面部识别、指纹识别都更加安全和有效。眼球追踪技术能够追踪眼球的运动并利用这种眼球运动增强产品或服务的体验，能够实现注释点渲染，对减少眩晕产生一定的效果，使用眼球的运动和设备进行交互能够解放头部运动和双手，只要简单的看着或者眼球转动就能够快速实现人机交互。

1995年奥林巴斯公司提出了追踪眼球位置调节图像的专利申请JP31039295，根据人眼的眼球位置与人眼调节实现图像调整的方式，更加符合视觉生理特性。谷歌公司在2012年提出专利申请US201213427583，通过感测使用者视线，控制选择观测目标；精工爱普生也在2012年提出专利申请JP2012285283，通过检测用户注视方向确定用户凝视的地方区域作为外景被识别；可以看出企业已经开始关注通过追踪使用者眼球的视线方向而实现外景或控制目标的选择。随着眼球追踪技术的发展，眼球追踪不仅仅是用于图像位置调整和目标控制选择，其逐渐与图像渲染、图像显示分辨率和显示质量相结合。2013年SMI创新传感技术有限公司提出了专利申请CN201380045737，利用双眼追踪，计算来自眼睛的定向向量，并且渲染注视点的左右眼图像，提高分辨率。2014年，精工爱普生提出专利申请JP2014213543，通过检测使用者视线方向，调整进入到使用者眼睛中的外界光线，从而提高显示质量。

2.3 虚空中的手势操作

在AR/VR交互方式中，不再使用鼠标键盘，大部分交互使用手直接抓取的方式，使用手势跟踪作为交互具有多种方式，例如是光学跟踪比如Leap Motion、将传感器戴在手上的数据手套。手指具有多个关节点并且伴随着多个关节移动的角度，在移动过程中手势具有多个自由度，操作灵活，并且简化了设备部件，在空中弯曲手指、比划手势或者作出点击、滑动、抓取等自然手势动作，就能够被捕捉到，实现操作控制。

谷歌公司在2011年提出了专利申请US20110507184，包括通过眼镜上发射出的红外光线照射到手上，利用眼镜上的红外相机探测反射回的红外线，以实现人机交互的手势追踪方式。手势交互主要是用于对显示图像的控制和对显示设备的操作，在2012年提出了专利申请US201213630537，过手势触发操作并识别手势限制的区域用来限定图像摄取位置和范围。精工爱普生在2013年提出了一种手指移动操作虚拟部的头戴显示装置专利申请CN201410616180，通过检测使用者手指的移动，使用者观看到手指移动的虚像，检测到和手指移动相应的虚拟操作部，进行操作。上述几种都涉及到了利用手势交互实现简单动作的操作控制，随着使用者体验需求的要求以及交互技术的发展，手势交互越来越多的体现了自然人手势动作的操作和体验需求。例如索尼公司在2014年提出一种手套专利申请JP2013229441，通过手套进行触碰、抓取等动作操作。