数字现实技术：元宇宙的入口及核心技术

□文/ 冯 云 杭州市科技信息研究院

根据《德勤2018 技术趋势报告》，数字现实（DR）是一个总括性术语，涵盖增强现实（AR）、虚拟现实（VR）、混合现实（MR）、360°全景视频和沉浸式技术等。随着技术的发展，数字现实所包含的内容不断变化，在《德勤2020 技术趋势报告》中，数字现实涵盖的内容增加了语音交互、语音识别、普适计算等。数字现实正在重新定义人类与数据、技术以及彼此间的互动方式。

数字现实技术帮助用户突破键盘和屏幕的禁锢，与用户感知无缝衔接，用户可更加自然地参与互动。它可以打破传统的空间界限，让人与底层技术进行自然、本能甚至下意识的互动。在数字现实技术中，可穿戴设备、智能产品和传感器方面的突破有时会吸引最多的关注，但最关键的点不在于设备本身，而是通过设备所开启的交互和体验。数字现实领域取得的进步将引领科技以更自然、更直观的方式使我们的生活更美好，我们与数字信息交互的方式，将可能由屏幕和硬件转变为手势、表情和眼神。

增强现实（AR）

●定义

增强现实是把计算机产生的虚拟物体或其他信息合成到用户看到的真实世界中的一种交互式的可视化技术。所谓增强，就是将计算机生成的虚拟信息加于真实的场景之上，产生虚实相融的视觉效果，让人们身处真实的场景却能感觉到除真实物体以外的虚拟信息，这些感受包括视觉、听觉甚至味觉，从而增强用户对真实环境的理解。突破屏幕、虚实结合、自然交互是增强现实技术最重要的特征。

●应用

增强现实要求的硬件系统比较容易实现，因此被广泛应用于多个领域，如尖端武器、飞行器的研制与开发，数据模型的可视化，虚拟训练，娱乐与艺术等。同时，由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等方面的应用也越来越多。

军事领域：部队可以利用增强现实技术，获得目前所在地点的地理数据等重要军事数据。

古迹复原和数字化文化遗产保护：文化古迹的信息以增强现实的方式提供给参观者，用户可以看到古迹的文字解说，还能看到遗址上残缺部分的虚拟重构。

工业维修领域：通过头盔显示器将多种辅助信息显示给用户，包括虚拟仪表的面板、被维修设备的内部结构、被维修设备零件图等。

教育、娱乐、游戏领域：增强现实游戏可以让位于全球不同地点的玩家共同进入一个真实的自然场景，以虚拟替身的形式，进行网络对战。

旅游、展览领域：人们在浏览、参观的同时，通过增强现实技术将接收到途径建筑的相关资料，观看展品建筑结构的数据材料。

市政建设规划：采用增强现实技术将规划效果叠加在真实场景中直接获得规划效果。

网络视频通讯领域：使用增强现实和人脸跟踪技术，在通话的同时，在通话者的面部实时叠加一些如帽子、眼镜等虚拟物体，提高视频对话的趣味性。

电视转播领域：通过增强现实技术可以在转播体育比赛的时候实时将辅助信息叠加到画面中，使观众可以得到更多信息。

其他：增强现实技术还广泛地应用于广告、办公环境、室内装潢等商业领域，机器人遥控等工业制造领域。

●产业链

底层平台和技术、硬件、内容以及行业应用构成增强现实产业链的主体，如图1所示。

图1 增强现实产业链及相关企业

增强现实产业链具有技术驱动型特点，人工智能技术和计算机视觉等核心底层技术制约产业发展。但是以需求为起点的行业应用却是一个能将技术、硬件和内容结合起来的商业闭环，是未来发力的重点。

虚拟现实（VR）

●定义

虚拟现实指囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，以计算机模拟虚拟环境，打造仿真空间沉浸感的技术。虚拟现实技术可创造一种完全渲染的数字环境，取代用户所处的现实环境，具有身体追踪和运动追踪能力。

●应用

虚拟现实应用从基础应用阶段、补充应用阶段逐渐向泛行业应用阶段、生态构建阶段演进。基础应用阶段集中于游戏、短视频、军事训练等领域，内容较为有限，交互方式单一，在C 端市场普及率低。补充应用阶段，虚拟现实技术及内容应用于各类全景场景，并向教育、营销、职业培训、体验馆、旅游、地产等场景拓展，初步深入C 端市场。泛行业应用时代，虚拟现实应用在医疗、工业加工、建筑设计等场景的价值逐步凸显，通过B 端用户拓展C 端市场。应用生态构建阶段是虚拟现实应用终极阶段，以强交互、深入渗透为特点，虚拟现实全景社交将成为虚拟现实终极应用形态之一（如图2）。在本文中，A 端市场是指开发界面，B 端市场是商家软件，C端市场面向消费者。

图2 全球市场虚拟现实应用演进

教育领域：虚拟现实技术能将三维空间的事物清楚地表达出来，能使学习者直接、自然地与虚拟环境中的各种对象进行交互作用，并通过多种形式参与到事件的发展变化过程中去，从而获得控制和操作整个环境的最大自由度。

军事领域：虚拟现实的最新技术成果往往被率先应用于航天和军事训练，利用虚拟现实技术可以模拟新式武器如飞机的操纵和训练，以取代危险的实际操作。

工业领域：虚拟现实已大量应用于工业领域。以制造工业为例，虚拟现实技术制造业生产流程应用主要集中于工业设计、生产模拟、数字化测试、数字化仿真等领域。对汽车工业而言，虚拟现实技术既是一个最新的技术开发方法，更是一个复杂的仿真工具，它旨在建立一种人工环境，人们可以在这种环境中以一种自然的方式从事驾驶、操作和设计等实时活动。虚拟现实技术也可以广泛用于汽车设计、实验和培训等方面。

艺术与娱乐领域：虚拟现实所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术（比如油画、雕刻等）转化为动态的，可以提高艺术表现能力。

医疗领域：在医学教育和培训方面，医生见习和实习复杂手术的机会是有限的，而在虚拟现实系统中却可以反复实践不同的操作。虚拟现实技术将能对危险的、不能失误的、难以提供真实演练的操作反复地进行逼真练习。

城市仿真：运用虚拟现实技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图，公众的参与也能真正得到实现，这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。

科学计算可视化：在科学研究中人们总会遇到大量的随机数据，为了从中得到有价值的规律和结论，需要对这些数据进行分析，而科学可视化功能就是将大量字母、数字数据转化成比原始数据更容易理解的可视图像，并允许参与者借助可视虚拟设备检查这些“可见”的数据。它通常被用于建设分子结构、地震、地球环境的各组成成分的数字模型。

●产业

虚拟现实从关键技术上看，以近眼显示、渲染处理、感知交互、网络传输、内容制作为主的技术体系正在形成。从产业构成上看，虚拟现实产业体系依托器件（设备）、工具（平台）与内容（应用），相比较为成熟的智能终端，虚拟现实产业链参与主体大致趋同，但在硬件方面，手机等设备的“性能过剩”成为虚拟现实的“性能门槛”。

此外，为保证沉浸感等用户体验，虚拟现实内容制作所需的工具（平台）改变较大，围绕人机交互这一核心特性，业界需要对影音捕捉、开发引擎、网络 传 输、SDK/API 等 领 域深度优化，乃至重新设计研发。

混合现实（MR）

●定义

混合现实指一组技术组合，虚拟现实技术及增强现实技术的进一步发展。混合现实是借助先进的计算机技术、图像处理技术和人机交互技术生成具有虚实融合特征的可视化环境，在该环境中虚拟和现实对象并存，学习者可与之进行实时交互。

混合现实技术通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭建交互反馈信息回炉，以增强用户体验真实感。混合现实可无缝融合用户所处的现实世界和数字化内容，两个环境可以共同存在、相互影响，利用先进的传感器实现空间感知与手势识别。

●应用

混合现实技术将AR 和VR 技术相结合，综合两者优点，弥补技术不足。在原有技术的基础上，增加了新的输入方法，受到了广泛认可。现阶段，MR 技术已应用于工业制造、政府及公共事务、教育培训、医疗健康、建筑工程、文化展示等领域，给各个领域创新发展提供了技术支持。

建筑行业领域：混合现实技术实时协同、实时交互的特点，有效地解决了设计方、施工方以及购买方协调不一致问题。混合现实技术能够将建筑设计以全息图的方式呈现出来，模拟出来的环境能够最大程度地还原设计方案。设计方、施工方以及购买方能够观察建筑细节，降低沟通成本。

医疗教学领域：通过混合现实技术能够将临床场景直观立体地呈现出来，还原手术过程，为学生展示各个操作细节。混合现实技术打破了教学时间、空间的限制，为更多的学生提供学习机会，同时降低了教学成本。

军事领域：混合现实技术在军事领域主要应用于虚拟战场、军事技能训练、项目测试等方面。利用混合现实技术模拟战场环境，提升军事作战能力，可以大幅度地降低军事训练成本以及军事训练事故发生率。

工业制造领域：产品设计与研发往往需要大量的人力、财力、物力。混合现实技术模拟不同设计方式、不同的材料，提升产品质量，降低成本。混合现实技术具有虚拟性、直观性等特征，设计者能够通过全息图的方式更直观地观察细节，高效地完成研发工作。

沉浸式技术

●定义

沉浸式技术指的是一种深度交互的多感官数字化体验，其形式各异，可使用VR、AR、360°全景视频、MR 以及其他技术创造沉浸式体验。沉浸式技术正是虚拟现实和增强现实技术发展的最新成果。借助头盔式或盔甲式显示设备，沉浸式技术能将用户的视觉和听觉封闭起来，产生虚拟的视听效果。同时，沉浸式技术借助数据手套为用户提供虚拟的触觉感官，通过语音识别器为用户提供一个可以替代真实环境的理想模型。

●应用

沉浸式技术作为一种手段，与各行各业现有的业态都可以结合，可广泛应用于对空间感和视觉效果要求较高的领域，例如应用于科技馆、博物馆、多媒体展厅、房地产展厅、多功能会议室、指挥中心、建筑展示、室内装修、设备结构研究、模拟训练、科研、餐厅、KTV 等。未来，沉浸式技术不再作为任何一种行业固定的名词，将灵活运用于各种场景中，以全新的体验方式吸引和刺激消费者购买产品。

数字现实技术国内外发展情况

数字现实技术在众多行业中的应用越来越广泛，尤其是融合了AR、VR、MR 技术的扩展现实XR，作为新兴行业元宇宙的入口及核心技术，在近两年的发展速度惊人。

当前互联网主流终端设备（智能手机、平板电脑、PC 等），无法为消费者提供沉浸式用户体验，而以AR/VR 为代表的可穿戴设备作为下一代智能终端，受到全球科技巨头关注。据互联网数据中心（IDC）数据，2021 年全球VR 设备出货量同比增长92.1%至1095万部，预计2022年出货量将超过1500万部；全球AR 增强显示产品出货量为57 万台，同比增长约42.5%，预计到2023 年出货量将达到140 万台。未来几年内，AR/VR 设备规模将处于快速增长阶段，同时Meta、苹果等互联网巨头研发的MR 产品将陆续推出，针对不同使用场景下的产品功能日渐完善丰富，XR 终端市场前景广阔。当前，VR 设备的多项技术已经逐渐进入落地阶段，可以应用到实际产品中，而AR 光学和显示的相关技术仍处于研发中，随着产业发展，已经可以看到落地的可能。预计到2025 年AR、VR设备全球市场规模将达到728亿美元，市场前景广阔。

《2020 全球沉浸式设计产业发展白皮书》数据显示，2019年沉浸式娱乐行业价值达到618 亿美元（含主题公园），较2018 年497 亿美元的市场价值增长了24%，其中主题公园市场价值跃升至520 亿美元，沉浸式娱乐行业得到了快速发展。从国内市场来看，自2013 年王潮歌推出沉浸式演艺《又见平遥》开始，我国沉浸式产业呈现指数级增长态势。《幻境·2020 中国沉浸产业发展白皮书》数据显示，2019 年中国沉浸式产业总产值48.2 亿元，沉浸业态也从2018 年的21 种增长为35 种，沉浸体验项目数量达1100项。

《德勤2020 技术趋势报告》归纳出了数字现实最有价值的技术体系，并预测其大放异彩的时间范围。未来2年——会话语音界面、3D 对象建模、传感器与智能设备、虚拟现实、增强现实、混合现实。未来2—5 年——周边计算、超感官计算、增强现实云、触觉互联网、可穿戴式大脑控制接口、内容微个性化、高级生物特征识别、情感计算。未来5年以上——神经尘埃、植入式大脑控制接口。

杭州AR/VR产业市场主体发展现状

市场主体是经济的力量载体，而企业是最重要的市场主体。近年来，杭州积极培育和集聚虚拟现实相关企业，努力打造虚拟现实产业发展的新高地，以滨江高新区、余杭未来科技城等为重点，全力推动虚拟现实基础技术研发与产业化，培育购物、教育、娱乐、游戏等行业虚拟现实应用的领军企业。根据天眼查专业版数据库，笔者对北京、上海、广州、深圳、杭州、成都、南京、苏州、无锡、武汉、重庆等11 个城市的AR/VR 产业的市场主体基本信息进行检索和比较分析，数据采集日期为2021 年12 月15日-17日。

●企业集聚区域主要集中在余杭区和西湖区

根据天眼查专业版数据，截至2021年12月17日，杭州市VR/AR 企业共有559 家，其中余杭区、西湖区、萧山区的企业分别为94家、91家、84家，企业数量位居前3位（如图3）。

图3 杭州市AR/VR产业企业数量各区县（市）分布概况

●高新企业占比排名重要城市第四

杭州AR/VR产业的企业数量为559家，列广州（5612家）、深圳（5242 家）、上海（2347 家）、北京（1303 家）、苏州（889 家）之后，排名第6 位（如图4）。其中，高新企业66家，占比11.81%，占比排名第4位，列北京（23.10%）、南京（13.92%）、武汉（12.91%）之后。小微企业458 家，占虚拟/增强现实（AR/VR）企业总数量的81.93%，小微企业占比排名第6 位，列无锡（85.71%）、苏州（85.26%）、北京（84.11%）、南京（83.86%）、上海（83.77%）之后。

图4 国内11个城市AR/VR产业小微企业数量及占比分布情况

●拥有知识产权信息的企业数量排名重要城市前五位

杭州AR/VR 产业拥有专利信息的企业数量占比26.65%，排名第1 位；拥有3 件以上专利的企业占比20.93%，排名第1 位；拥有作品著作权的企业数量占比6.98%，排名第2 位，列北京（11.28%）之后；拥有3 件以上作品著作权的企业数量占比2.33%，排名第3 位，列北京（4.22%）、重庆（3.70%）之后；拥有软件著作权的企业数量占比28.62%，排名第4 位，列北京（37.38%）、武汉（36.68%）、成都（28.80%）之后；拥有3 项以上软件著作权的企业数量占比19.86%，排名第5 位，列武汉（33.61%）、北 京（29.09%）、成 都（22.13%）、南 京（21.84%）之后（如图5）。

图5 国内11个城市AR/VR产业具有知识产权信息的企业数量占比分布情况

●上市企业及获得融资的企业数量占比排名重要城市前三位

杭州AR/VR 产业相关上市企业7 家，占比1.25%，占比排名第2 位，列北京（1.46%）之后。有融资的企业61家，占比10.91%，占比排名第3 位，列北京（17.19%）、南京（12.03）之后（如表1）。

表1 国内11个城市AR/VR产业融资情况一览表

杭州AR/VR产业展望

随着2021 年元宇宙热潮被引爆，元宇宙被认为是互联网的下一个重要发展方向，将深刻改变未来生产生活方式，推动未来产业发展。多地政府的工作报告和产业规划中，也出现了“元宇宙”这个词。2022年2月，杭州提出“抓紧布局量子科技、深海空天、元宇宙等未来产业，大力抢占新赛道竞争主动权”的任务，为此，杭州的多个城区布局了元宇宙产业。

2021年3月，滨江区白马湖生态创意城落地了“VR数字产业园”，在打造一个从IP内容、全景摄像、特效制作、5G传输到终端实际应用场景的VR 数字科技全产业链生态园。北航杭州创新研究院也在打造VR/AR研究中心。

2022 年3 月，杭州未来科技城发布了“XR 产业计划”，将以空间站的4 万平方米空间为核心，打造一个产业园区。“XR 产业计划”明确，将汇聚规模10 亿元的XR产业基金，鼓励社会资本参与投资，优质项目最高可享受500 万创业风险池、让利性股权投资基金和跟进投资基金等支持；加大对XR 产业人才引进力度，实施“顶尖人才项目”政策，最高给予1 亿元的支持；形成一套XR 专项人才培育机制，给予“一人一策”最高1300 万元奖励，分层次给予梯队人才奖励；完善XR 人才服务保障，最高给予300 万元安家费补助。截至2022 年6 月，未来科技城已聚集XR 企业超70 家，产业链覆盖场景内容、设备平台等上下游内容。

未来，杭州AR/VR 产业的发展，一方面需要加快跨领域核心技术研发，聚焦融合创新围绕AR/VR 技术与实体经济融合的关键环节，加强产学研合作，积极引导重点院校、行业领军企业以及重点科研机构共建共享数据中心、VR/AR 实验室、产品应用中心等研发应用机构，并在跨领域核心技术研发、融合创新上展开深度合作。另一方面，要通过下游典型应用场景适配，反向促进产业链上游的终端器件及内容生产工具的升级迭代，推动产品应用范式、商业模式和体制机制创新，培育一批具有国际影响力、市场竞争力的品牌企业。■