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虚拟现实技术发展与启示—以微软HOLOLENS为例

来源:互联网经济  作者:互联网经济  投稿时间:2018-03-01

  虚拟现实是新一代信息技术的关键领域,业务形态丰富,产业潜力巨大,已经成为全球科技巨头争夺的焦点。“中国制造2025”重点领域技术路线图中,特别把虚拟现实列为智能制造核心信息设备的关键技术之一。以微软HOLOLENS为例,对虚拟现实技术、战略和发展进行研究分析,对促进我国的虚拟现实产业发展具有重要的指导意义。
 

  虚拟世界主流技术和HOLOLENS
 

  虚拟现实(Virtual Reality)
 

  虚拟现实,简称VR,是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身历其境一般,可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。简单来说就是,用户眼前的所有东西由计算机生成,都是虚拟的。代表设备如Oculus Rift、HTC Vive等。
 

  增强现实(Augmented Reality)
 

  增强现实,简称AR。它通过电脑技术,将虚拟的信息投射到真实世界,真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间。也就是说,用户看到的依然是现实场景,但是被虚拟信息增强之后的现实。代表设备如Google Glass以及汽车的抬头显示(HUD)等。
 

  混合现实(Mix Reality)
 

  混合现实,简称MR,指的是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。在新的可视化环境里物理对象和数字对象共存,并实时互动。从概念来讲,AR和MR并没有明显的分界线,未来也很可能不再做区分,微软HOLOLENS就是MR的代表设备之一。
 

  通过以上分析不难看出,由于技术及应用场景的高度重合,一款产品又往往综合使用多种技术,为方便起见,业界有时也将虚拟现实、增强现实以及混合现实三种技术统称为虚拟现实技术。
 

  微软HOLOLENS是什么?
 

  Holo一词是Hologram(全息)一词的词头,Lens通常指眼镜片。所以,HOLOLENS通常中文翻译为全系眼镜。微软于2015年1月发布了这款基于Windows 10的头戴式混合现实设备。它最大的特点就是拥有独立的计算单元,可以完全独立使用,不受线缆限制,能够让用户与数字内容交互,与周围真实环境中的全息影像互动。
 

  这款产品主打全息体验,其效果不像虚拟现实那样强迫用户进入一个由计算机生成的虚拟世界,而是采用了混合现实技术,将虚拟物体叠加到真实世界的场景中,让用户在不脱离周边环境的情况下享受数字生活。因此HOLOLENS不仅适用于游戏领域,还可以应用于众多场景,如利用HOLOLENS发起Skype的视频会话,远隔千里的两个人通过全系影像技术走进了同一个虚拟世界,身临其境地观察了解对方所处的场景,协作和沟通的效率因此极大提升。再比如,室内设计师可以根据自己的创意,利用HOLOLENS构建出房间全息装修效果图。这样,即使是空荡荡的房间,只要用户戴上HOLOLENS走进,就能欣赏到装修以后的效果,并可以轻易地根据自己的需求更改房间的装修和陈设。
 

  HOLOLENS技术特点鲜明
 

  由于HOLOLENS大部分视野中呈现真实场景,如何有效识别和理解现实场景和物体,并将虚拟物体更为真实可信地叠加到现实场景中就成为了微软要解决的首要问题,具体来说,HOLOLENS的技术主要分为以下三个方面:
 

  实时的三维场景建模
 

  三维场景建模是混合现实设备的核心技术,作用是让设备了解用户所处的整个环境,以便叠加数字影像。HOLOLENS拥有四台摄像头,左右两边各两台,可覆盖的水平视角和垂直视角达到120度。通过对这四台摄像头的实时画面进行分析,结合立体视觉技术,就可以计算出场景深度图(depth map)。多张场景深度图经过GPU的处理渲染之后,就能构建出用户所处的实时三维场景。
 

  精准的姿态确定和位置确定
 

  作为一款穿戴设备,用户在使用HOLOLENS的同时,很可能处于移动的状态,这就需要通过传感器获取环境信息,比如视觉信息、深度信息,还有自身的加速度、角速度等来确定自己的相对或者绝对位置,并完成对于地图的实时构建。微软采用了基于深度识别的SLAM(实时定位与地图构建)技术来解决这一问题,在运动过程中通过重复观测到的地图特征来定位自身位置和姿态,再根据自身位置增量构建地图,同时达到定位和地图构建的目的。
 

  创新的人机交互方式
 

  HOLOLENS不依赖手机电脑等外部终端,也没有传统的触摸屏用于控制,这就使得用户交互变得格外困难。但由于微软之前对于图像识别和交互技术的积累,HOLOLENS为用户提供了一种全新的交互方式,能够很随意地使用手势、视线和语音对全息场景进行操作和切换。
 

  HOLOLENS存在不足
 

  尽管HOLOLENS使用了微软最前沿的技术解决方案,但受制于硬件的发展瓶颈,HOLOLENS仍存在一些不足:
 

  功耗过高,续航时间较短
 

  通过之前的分析可以看到,全息影像无疑会涉及大量的图像处理运算,尽管微软为其专门定制了GPU处理器来平衡性能和功耗,但电池续航时间最长也只有5.5小时,如果重度使用的话仅有2.5小时,难以满足用户长时间佩戴的需求。
 

  价格过高,软件应用偏少
 

  目前,HOLOLENS开发者版在中国售价23488元,未来量产版的价格应该会进一步降低,但考虑到前期的研发投入和硬件成本,HOLOLENS未来的售价可能仍处于较高的水平。并且,截止到2017年3月,仅有150款应用登陆HOLOLENS应用商店,因此,即使用户能够接受HOLOLENS的价格,但可能面临应用无法满足需求的问题。
 

  佩戴舒适性欠佳
 

  有很多使用者反映,佩戴HOLOLENS时并不是每一次都能很轻松地戴到位,必须不断重新缩紧、重新定位、重新对齐头盔。在使用时设备又总是滑到鼻子上,因此必须经常地用手扶正。此外,和所有的VR和AR头盔一样,HOLOLENS的重量也集中在前部,佩戴时会明显感觉到前额承受了一定的重量,长时间使用会令人不舒服。
 

  HOLOLENS的战略意义
 

  判断失误导致移动市场失利
 

  作为昔日PC行业的霸主,微软却眼睁睁地错过了移动互联网市场的繁荣。在苹果、三星等移动设备的挤压之下,微软在整个消费电子市场表现一直不尽如人意,虽然公司收购诺基亚并推出了Windows Phone手机操作系统,企图在iOS和Android双雄争霸的智能手机市场中分一杯羹,无奈由于应用软件的缺乏以及生态系统发展的落后,Windows Phone一直无法同iOS和Android相提并论。最终,2017年10月,微软宣布Windows Phone系统进入维护阶段,不再更新版本,宣告了该系统的终结,同时也意味微软从此退出了智能手机市场的争夺。
 

  助力微软王者归来
 

  不管是PC时代的辉煌,还是移动时代的没落,作为一家市值6000多亿美元,见证了多次技术革命的科技公司,微软亟须开发一款具有革命性与颠覆性意义的新产品,来挽回在消费电子市场的颓势,HOLOLENS正是在这个背景之下诞生的。
 

  业内很多专家认为,智能手机之所以能够颠覆PC,主要凭借两点:设备更便携和交互方式更自然。一方面智能手机可以随时使用,不受地点和时间的限制;另一方面触摸屏比鼠标和键盘更接近人类的使用天性,与设备交互更加便捷。根据这个逻辑,能颠覆智能手机的设备,必然是比手机更便携,比手机的交互方式更自然的产品。而微软HOLOLENS正符合以上两点:全息眼镜能够解放用户双手,用眼神和语音即可实现交互,佩戴HOLOLENS不仅不会影响用户对周边环境的观察,还能通过全息影像为用户提供更多的信息。
 

  尽管在智能手机市场失利,微软希望将HOLOLENS打造成为智能手机的颠覆者,在消费电子产品市场卷土重来,甚至掀开下一场科技革命的序幕。
 

  微软HOLOLENS的启示
 

  强化技术储备,聚焦融合创新
 

  产品创新,技术先行。微软之所以能够研发出HOLOLENS,离不开在42年创新历程中沉淀的技术积累、人才资源和运营经验。作为一家由工程师创办、强调科技研发的公司,微软在虚拟现实的基础技术计算机图像和多媒体研究方面,一直走在业界的前面。据统计,近年来微软在这方面发表的论文数量和质量始终保持全行业第一,论文的发表数量是第二名的2倍,引用数量是第二名的3.5倍,令其他公司望尘莫及。
 

  与此同时,产品研发作为一项系统性工程,除了微软自身的技术积累,更需要与其他企业和供应商的协同创新。例如负责所有的环境感知任务和处理输入/输出信号的全息处理单元(Holographic Processing Unit),就是由微软和台积电联合设计研发;对于中央处理器(CPU),就直接采用的是英特尔 Atom X5系列。
 

  正是同时拥有核心技术突破创新以及全产业协同创新整合能力,微软才能打造出HOLOLENS这样优秀的产品。
 

  深化平台发展,构建生态系统
 

  一个产品的成败,不仅取决于自身的产品竞争力,还与应用生态系统的发展有很大的关系。微软在PC操作系统竞争中取胜,很大程度上依靠的是对第三方应用的包容开放,而在智能手机市场的失利,最主要的原因就是缺少第三方应用支持,导致用户逐渐流失。
 

  因此,对于HOLOLENS的发展,微软高度重视第三方应用生态的构建,在设计之初就考虑到第三方应用开发,希望为开发者提供最好的开发环境和平台。为此,微软在HOLOLENS上使用了Windows 10 Holographic操作系统。该系统与一般的 Windows 10 操作系统都是以 NT 内核,通用 Windows API 接口,Windows Store以及Edge浏览器为基础建立起来的。HOLOLENS上的 Windows 10 操作系统只是更换了一层外壳,增加了额外的人机交互部件,比如语音控制、视线控制以及手势控制。开发者只要拥有Windows 10的开发经验,就能很快掌握HOLOLENS的应用程序的开发。
 

  此外,微软还在考虑开放Windows 10 Holographic操作系统给第三方硬件厂商,这就意味着将会有更多其他的第三方虚拟现实设备加入微软系统阵营,为HOLOLENS的生态系统注入更多活力。
 

  促进战略转型,防止大企业病
 

  作为一家拥有42年历史,业务覆盖全球,旗下员工超过12万人的科技巨头,微软不得不面临的一个问题就是大企业病,即当一个机构膨胀到一定规模,官僚主义和内斗就不可避免。在这种情况下,企业很难快速响应市场不断变化的需求,很难真正整合内部的资源,推出消费者喜爱的产品。比如对于Windows Phone操作系统,当年很多用户反映屏幕无法锁定旋转,微软也承诺会很快解决这一问题。然而就是这么一个简单的只需要几周就能更新的功能,却由于微软复杂的层级以及繁琐的流程,居然花了将近一年时间才完成,令用户十分失望。
 

  设置独立于公司现有机构的小组,在组内实行扁平化管理,更加灵活地开展工作,是破解大企业病的一种方法。为了避免大企业病影响HOLOLENS的研发,微软专门成立了代号为Baraboo的项目研发小组,研发过程全程保密,进度直接向高层决策者汇报,最大程度上避免项目小组受到公司官僚主义、内斗的影响。
 

  微软HOLOLENS的未来
 

  最终,HOLOLENS是会像苹果的iPhone一样掀开新一轮信息技术革命的序幕,实现微软在科技领域的王者归来。还是像谷歌眼镜一样,在一阵叫好和追捧声中渐渐归于沉寂,成为一次失败的可穿戴设备创新尝试,这一切都需要时间来回答。但不管如何,HOLOLENS已经成功改变了用户看世界的方式,为整个虚拟现实行业的发展提出了新的思路。在笔者看来,微软的转型是尝试从软件向硬件的进一步进发,目的在于结合未来的企业战略,打造新一代的计算平台。
 

  微软有着足够的实力来发展HOLOLENS,这也意味着微软将从软件公司逐渐改变未来的发展基因。(高韵  工信部国际经济技术合作中心)

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