元宇宙备受关注,尤其是Facebook和英伟达等公司展示了他们对数字未来的愿景。但元宇宙到底是什么,实现它的硬件挑战是什么,哪些元素已经到位?分析公司IDTechEx最近深入探讨了显示器、图像传感器、光学、触觉、增强现实/虚拟现实等领域的进展;我们在这里介绍一些讨论。

元宇宙的结局是虚拟世界与真实世界无缝共存,两者之间的沉浸式互动改变了我们对物理存在的感知。这方面的软件已接近尾声,但硬件仍有许多障碍需要克服。

元宇宙预示着社会沟通方式的一个重大变革,但如果没有硬件技术,它最终仍将是一个白日梦。我们仍然可以通过手机和笔记本电脑与元宇宙互动,但这些将成为传统设备。为了让自己沉浸其中,这需要虚拟现实(VR)耳机;为了在创建的设备和物理设备之间实现真正的集成,需要增强现实(AR)设备。

IDTechEx metaverse diagram
元宇宙将需要AR、VR等功能,并使传统设备能够在其中运行。(来源:IDTechEx)

AR/VR设备行业的一个试金石是社会的可接受性,如果没有传感、显示和光学技术的进步,AR和VR头戴式耳机将无法实现这一点。IDTechEx表示,尽管研发投入了数十亿美元,但在外观或显示IMAX质量的图像方面,真正的AR眼镜仍远不能与Ray Bans并驾齐驱。Meta(前身为Facebook)在更名的同时宣布了其AR眼镜项目,承认这些项目还有几年的时间。VR耳机有时会让人联想到Robocop——只有最高端的设备开始模糊真实与非真实之间的界限。

长期来看,目标是一款轻便舒适的设备,您可以全天佩戴,在AR和VR之间切换,同时实现您与其他元宇宙用户之间的自然互动。创造这种假想设备所需的硬件技术之旅比软件带来了更引人注目的发展和更复杂的挑战。

MicroLED显示器是解决方案的一部分

把屏幕放在你的眼前,会发现我们在看手机或电视时没有注意到的东西。我们在一种叫做“屏幕门效应”的现象中看到像素之间的差距。经验法则是,VR或AR需要60像素/度(ppd)的视野才能开始看起来像现实,这导致对分辨率的巨大要求。最重要的是,我们需要光学器件来正确聚焦和调整这些图像的大小,以适应我们的视觉。在AR的情况下,这些光学器件效率非常低,导致亮度需求达到数百万尼特——作为参考,iPhone 13 Pro Max屏幕的最大亮度为1200尼特。

MicroLED显示器是AR和VR的一个有前途的解决方案。它们不会像OLED显示器一样受到老化的影响,可以拥有疯狂的亮度水平(JadeBird为AR应用制造了一个最大亮度水平为300万尼特的显示器),并且可以实现微小的像素间距,Mojo Vision生产了他们称之为纳米LED显示器,它足够小,可以安装到隐形眼镜中,并且具有900nm的亚像素间距。

然而,有一个主要问题:微型OLED微型显示器不擅长产生全彩图像,蓝色微型LED的效率明显高于其他颜色。量子点颜色转换是这里最受欢迎的解决方案,可以将蓝光转换为红色和绿色,这些量子点可以喷墨打印或光刻图案化。人们仍然担心寿命,特别是在非常明亮的微型显示器上,以及在许多配方中对重金属的依赖。microLED显示器的开发时间表在本报告技术、商业化、机会、市场和参与者。

IDTechEx metaverse elements
元宇宙的硬件要求。(来源:IDTechEx)

AR的最大战场尤其是组合光学。这些设备将投影图像叠加在透明透镜上。在这里,公司为获得最佳的色彩再现、最宽的视野和最大的眼框而奋斗,以实现适用于每一双眼睛的令人信服的显示体验。

考虑到今年在这一领域的重大新闻,表面浮雕波导似乎是业界押注的解决方案。5月,WaveOptics被Snap(另一家关注元宇宙的社交媒体巨头)收购,11月,三星电子(Samsung Electronics)等巨头对Digilens的投资导致了5亿美元的估值。两者都是无晶圆厂波导公司。Digilens的一个令人兴奋的发展是其TREX波导,它可以将有效的显示分辨率提高一倍,为达到60ppd的武器库提供了一种武器。另一份报告关于AR、VR和MR中的光学和显示器,涵盖了技术、玩家和市场,并详细研究了这些应用中的光学组合器和显示技术。

眼动追踪技术

如果你试图打造一款以60ppd分辨率覆盖每只眼睛水平视野的135°的耳机,事情会很快变得难以控制——幸运的是,只有我们的视觉中心具有如此高的质量,外边缘没有那么苛刻。通过跟踪我们的眼睛,可以在用户观看的中心最大化分辨率,同时降低其他地方的需求。

未来,这项眼动追踪技术甚至可以通过激光束扫描将AR/VR图像直接投射到视网膜上,从而绕过眼镜佩戴者对组合光学和校正的需求:也就是说,如果消费者能够接受这一想法的话。

该领域的公司正在使用新兴的图像传感器技术以更有效地跟踪眼睛。基于事件的视觉可以通过本地记录运动而不是传统的图像帧流来帮助降低处理需求。使用印刷图像传感器,眼睛跟踪技术可以被压缩成更苗条的包装。Meta Materials股份有限公司(与Meta无关)已经将微型相机直接嵌入眼镜镜片中,随着技术的成熟,这种方法将分别集成到AR和VR的组合器或放大镜光学中。

触觉和感官体验

到目前为止,所有讨论的内容都只不过是一台绑在脸上的高端电视,如果你不能以类似真实世界的方式与之互动。不仅AR和VR设备需要感知我们的运动,而且为了实现完全沉浸,还需要触觉(触摸反馈)设备。2021 11月,Meta的Reality Labs(RL)部门展示了一款触觉手套原型产品,包括Mark Zuckerberg试用各种演示的视频。这种手套使用微流体系统将局部触觉反馈传递到手的不同区域,似乎将进一步的触摸反馈传递到每个手指。据IDTechEx称,尽管对这款原型与HaptX产品的相似性存在一些争议,但Meta在这方面的IP地位很强,它代表了专注于元宇宙的公司正在努力确保提供超越视听的感官体验。

这位分析师表示,最近的耳机在传感方面的一个关键赢家是用于手部跟踪的飞行时间相机,这消除了与VR和AR设备进行游戏控制器式交互的需要。众所周知,苹果多年来一直在VR/AR领域进行投资,2021 10月,业内消息人士报道称,LG Innotek已开始向该公司提供飞行时间摄像头,用于生产定于2022年发布的VR耳机。当苹果采用一项技术时,它通常是一个强有力的声明,表明它将变得无处不在,这代表着AR和VR强大未来的另一个数据点。

IDTechEx总结说,在有限的范围内,元宇宙已经存在。阻碍其全面实现的硬件开发之山正在慢慢攀登,未来取代我们的手机和笔记本电脑的轻薄、美观的AR眼镜看起来几乎是板上钉钉的事。