近年來隨著XR產業的逐漸復蘇及其技術水平的不斷升級，元宇宙已成為業界廣泛討論的話題并吸引了資本市場的重點關注。現有的智能手機、PC在硬件設備端難以滿足元宇宙虛擬現實深度融合的體驗需求，未來，VR、AR、MR等XR硬件將是人類通往元宇宙的重要入口。2022下半年，PICO 4和Quest Pro的發布又掀起了一陣市場熱潮，工信部等五部門聯合印發了《虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（2022-2026年）》，并在發展目標中提出，到2026年，我國虛擬現實產業總體規模（含相關硬件、軟件、應用等）超過3,500億元，虛擬現實終端銷量超過2,500萬臺。
在此背景下，CIC灼識咨詢近期舉辦了“2022年度灼耀熱力榜”之“泛元宇宙”賽道解讀會，并配合活動發布《元宇宙系列-XR硬件行業藍皮書》。《藍皮書》從元宇宙和XR硬件的發展歷程、XR硬件分類、市場規模、競爭格局、需求與痛點等方面進行分析，并針對舒適性和沉浸性的痛點著重探討了XR光學系統和交互系統的當前技術重點及未來發展趨勢。本文將藍皮書中的精華內容摘錄出來，以饗讀者。
01、XR硬件是人類通往元宇宙的重要入口
元宇宙以游戲為起點，逐漸整合互聯網、數字化娛樂、社交媒體等功能，長遠來看甚至可能整合社會經濟與商業活動。元宇宙主要由硬件設備層和內容及應用層構成，其中XR硬件是硬件設備層的發展驅動力，是人類通往元宇宙的重要入口。
從產業發展歷程來看，XR硬件經歷了漫長的萌芽期、熱潮期和冷靜期，從2019年開始逐漸進入復蘇階段。2021年Meta Quest 2累計出貨量達到1,000萬臺是行業發展的一個里程碑，2022年PICO 4的發布再一次掀起了市場熱潮。
VR硬件目前主要分為一體式VR硬件和外接式VR硬件，憑借輕便可移動的優勢，一體式VR硬件逐漸成為主流。VR目前最核心的應用場景主要集中在游戲社交和影視直播，未來也將持續挖掘消費級和企業級應用場景。當前主流的AR硬件類型主要為雙目式和單目式，與VR相比，目前AR硬件主要在企業生產運營中應用，包括教育培訓、工業制造等，未來有望向軍事安防、醫療健康和消費級市場逐漸滲透。
02、行業進入恢復增長期，中國廠商市場地位有望持續提升
2021年以來，伴隨互聯網廠商的高調入局和XR游戲及其硬件設備的市場良好反響，虛擬現實產業迎來了實質性復蘇期。得益于技術條件的日益成熟和內容生態的不斷完善，作為元宇宙生態下重要的硬件入口，XR硬件設備需求將不斷提高。2021年全球XR頭顯出貨量超過1,000萬臺，預計到2026年將攀升至3,508萬臺，期間復合年均增長率預計超過25%。
2022上半年全球VR頭顯設備競爭格局較為集中，Meta Quest獨占鰲頭，市場占有率約80%。中國廠商的表現也同樣亮眼，字節跳動旗下的PICO出貨量市場份額僅次于Meta Quest位居全球第二，并在國內市場穩居第一。以PICO為代表的國貨頭顯廠商也將通過技術創新、完善內容生態等戰略不斷提升其全球市場地位，中國XR頭顯設備出貨量全球占比預計將從2021年的15%左右提升至2026年的34%左右。
03、沉浸感和舒適性兩大迫切需求，促使光學和交互系統優化升級
XR硬件的用戶需求依據迫切程度由高到低可分為沉浸性、舒適性、互通性和經濟性。其中沉浸性更是設備性能重要的衡量標準，通過視覺、聽覺、觸覺、運動與嗅覺的臨場感為用戶營造多重感官感受，可提升虛擬場景逼真程度，其中交互系統和光學系統將共同驅動XR硬件沉浸感的提升和優化。舒適性則涉及用戶具體佩戴感受，降低光學系統的體積和重量、減輕眩暈感是當前解決舒適性痛點的重點方向。
04、XR光學系統：輕薄化、沉浸感、性價比是技術升級的主要追求
XR設備光學元件的重點需求包括設備輕薄化、高沉浸感、高性價比，由于三個原則之間互相制約，光學元件的優化方向需根據產品定位進行權衡。
VR光學：Pancake和機械式可變焦將被大規模采用
VR光學按照光路設計可分成垂直光路、折疊光路、復合光路以及特定光路四種方案。其中，非球面透鏡、菲涅爾透鏡是當前垂直光路方案中主要采用的鏡面類型。非球面透鏡憑借成本低、成像質量可控的優勢為初期VR設備采用，但在色彩、畸變、厚度等問題上有缺陷；菲涅爾透鏡在降低重量的同時基本滿足成像要求，技術成熟并可大規模量產，現階段被大量VR廠商采用，但未來在VR設備向消費市場的滲透中將逐漸無法滿足用戶舒適性和沉浸感的高需求。
折疊光路中的Pancake方案具備模組輕薄化、可調節屈光度等優點，大幅提升了用戶的體驗感和舒適度，目前受到了眾多科技公司的青睞。基于VR設備趨向輕薄化以及追求屈光調節和變焦以提升佩戴舒適性的大趨勢，Pancake將成為未來主流光學方案。
Pancake方案以偏振光原理為基礎，采用反射偏光片配合1/4相位延時片和分束鏡實現光線的多次折返。通過折疊光路的設計有效壓縮了屏幕與透鏡的距離，進一步縮小了光學模組總長度，模組厚度相對傳統菲涅爾方案減少了一半，頭顯重量減輕50%以上。
同時，Pancake方案一般為多組透鏡的組合，可以通過移動其中一組鏡片調整整個光學模組的折射率，從而滿足調焦需求，解決了近視用戶佩戴的不便，內調屈光度還可以縮短模組總長，減少頭顯體積。這種可變焦顯示還能通過基于眼部細微特征變化校訂模組焦距，模擬人眼自然成像，是VAC（視覺輻輳調節沖突）的有效解決方案。但Pancake方案中光線多次折返會造成“鬼影”和高光損的問題，需要從材料和配套顯示方案上幫助優化成像。
為優化視覺輻輳調節沖突在VR設備使用過程中造成的眩暈感，未來Pancake產品將結合技術逐漸成熟的變焦顯示技術，進一步提升佩戴舒適度。變焦顯示技術通過改變光學零件組成系統曲率、間隔實現焦平面的變化，從而得到連續的景深，其中機械式可變焦技術成熟度較高，將被VR廠商大規模采用。
目前市場上還存在包括液晶偏振全息、多疊折反式自由曲面、異構微透鏡陣列、超透鏡/超表面技術在內的大量處于研究發展階段的VR光學技術，這些技術能夠進一步提升設備的輕薄化和佩戴者的沉浸感體驗，但現階段仍面臨成像清晰度低和商業量產難的問題。
AR光學：光波導被認為是消費級AR眼鏡的必選方案
對比VR設備只需要傳輸顯示器中的圖像，AR設備的成像則需要與真實環境交互，光學元件需將眼側屏幕的像耦合到眼前。AR光學元件目前較成熟的方案包括離軸反射、Birdbath、自由曲面以及光波導。自由空間型AR光學技術已經在軍工等領域展開了多年的開發與應用，近年來優化的方向偏向降低成本與縮小體積，其中Birdbath和自由曲面方案由于成本可控、性能適中，是當前消費級AR廠商的普遍選擇。
長期來看，光波導技術具有輕薄和外界光線高穿透性的特點，被認為是消費級AR眼鏡的必選光學方案。一旦光波導技術能夠突破瓶頸，控制成本，達到量產能力，該技術將有望實現快速滲透。
其中，表面浮雕光柵的衍射光波導技術能夠實現二維擴瞳，無需增加設備體積即可擴大眼動范圍。且表面浮雕光柵的生產工藝發展完善，基本具備成熟量產條件，預計將是未來AR光學器件的主流方案。
但衍射光波導對于角度和波長的選擇性導致了色散問題的存在，如何用一層光柵作用于紅綠藍三色是業內面臨的挑戰。LBS（激光束掃描）技術采用激光光源，有效減小色散效應，預計是衍射光波導模組的最佳選擇。
前沿AR光學技術包括液晶偏振光柵波導技術、全息視網膜投影顯示技術、超表面、超透鏡等，這些技術雖處于初步發展階段但應用趨勢頗有前景，未來隨著技術的持續發展將把當前系統的性能等級提升到新的高度。
05、XR交互系統：6DoF成為主流，手勢追蹤、眼動追蹤預計是中短期發展重點
其中，6DoF追蹤定位技術是XR沉浸體驗的關鍵技術，與3DoF相比可以滿足交互性更強的使用場景，目前頭手6DoF交互已逐漸成為主流VR頭顯的標配，未來該技術仍將向高精度、高速度等方向優化革新。
手勢追蹤、眼動追蹤預計將在中短期內為企業重點突破和廣泛應用。目前手勢追蹤方案多樣，按設備方案主要分為裸手追蹤和可穿戴設備，技術方案主要有視覺追蹤、慣性追蹤、彎曲傳感器追蹤、磁性追蹤等，不同技術方案各有其優缺點，腕帶、指環等輕小型便攜式可穿戴設備未來或可成為消費級XR手勢追蹤的主要方案。
眼動追蹤在XR硬件中也有多種應用場景，例如注視點渲染、眼動交互、眼動數據分析、虛擬人表情追蹤等，甚至可以進行身份識別和評估視覺及心理健康。XR硬件廠商的眼動追蹤技術按照追蹤原理主要分為四種方案，包括瞳孔角膜反射向量法、視網膜影像法、反射光強度建模法和三維模型重建法，其中瞳孔角膜反射向量法應用最為廣泛。
感知交互功能的實現需要硬件傳感器的支持，隨著交互技術的多樣化發展和不斷進步，XR設備對于信息的種類、精度、實時性提出了更高的要求，也將繼續推動不同種類傳感器的發展與升級。
