一、AR 产业简介
（一）AR 定义
AR 技术（Augmented Reality，AR）是借助光电显示技术、交互技术、多种传感技术和计算机图形与多媒体技术将计算机生成的虚拟环境与用户周围的真实环境融为一体，使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围真实环境的组成部分。VR 技术（Virtual Reality，VR）则是让用户身临其境。确信自己处于虚拟坏境。相比较而言，AR 需要的技术更加复杂，设计更加充满挑战性。
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（二）AR 与 VR 的联系与区别
AR 技术与 VR 技术的区别主要体现于下列 4 个方面：
1.AR 技术和 VR 技术需要的沉浸感不同，AR 系统与现实环境联系密切，强调用户在现实世界的存在性并且需要维持其感官效果的不变性；VR 系统需要完全沉浸，强调将用户和现实环境完全隔离，通过计算机等设备提供一个虚拟的视觉、听觉、触觉等的感官世界；
2.AR 技术和 VR 技术中“注册”的涵义以及精度要求不同：AR 系统中，“注册”技术是指将周围真实环境和计算机所产生的虚拟环境全方位对准，并且要求在用户运动的过程中也能和真实环境保持高度的对准关系；VR 系统中，“注册”技术是指呈现给用户的虚拟环境需要和用户的各种感官（包括视觉、听觉等）相匹配；
- AR 技术相比于 VR 技术在建立虚拟环境时对系统计算能力要求不同：
AR 技术是在真实环境的基础上对信息进行扩充，而 VR 技术是对整个环境的虚拟再现。相比之下，VR 技术对计算机系统图形处理能力和其它能力的要求要比 AR 系统更为苛刻。
4.AR 技术和 VR 技术适用的领域不同：
AR 技术是对现实环境的一种补充，利用附加信息增强用户对现实的感官认识，其应用多在于起辅助作用的场合，例如军事实战，工厂车间、旅游观光、交通以及日常生活；而 VR 技
术是再创一个虚拟的环境，强调用户在虚拟环境中获得相应的视觉、听觉、触觉等感官的沉浸，带来真实的感官体验，例如模拟驾驶、军事仿真实验等需要虚拟仿真环境的场景。
（三）AR 呈现形式
- 手持式（hand-held）
即用手机或任何移动终端的摄像头获取现实世界的图像，并在移动终端的现实世界图片、视频中叠加虚拟信息。当前基于手机端的 AR 游戏、大量的 AR 卡均是采取这种形式。手持式的呈现方式由于门槛低，大量简单的 AR呈现可以采取这种方式，手持式采取显示原理与下文中的“视频式”相同。
手机AR当然，还有另外如透明手持式 AR 展示设备（optical see-through hand-held devices）等，由于当前并不常见，在此不做赘述。
2。空间展示（Spatial）
只要是通过非手持、非头戴的 AR 展示，我们在此都归类为 Spatial，包括用显示器展示 AR、演唱会、商业展示、博物馆、游乐园等通过 AR 技术进行公共的虚拟形象的展示，或以其他屏幕呈现增强现实信息。
空间 AR mapping3。可穿戴式（head-attached）
可穿戴式有可以细分为视频式和光学式。
视频式（Video see-through，VST）：这种显示方式原理为设备通过外置的摄像头获取真实世界的信息，并根据机器视觉等技术同时叠加虚拟信息，使得用户通过配置在用户眼前的 AMOLED 屏等显示屏幕看到的真实世界和虚拟叠加信息。在视频式的显示技术中，用户看到的均为从设备摄像头所获取的图像，也就是说真实世界的光源是通过设备的摄像头，再通过设备的屏幕呈现给用户的。
这种显示技术的优点在于沉浸感，因此受外界的干扰比较少，以当前的情况来看，视频式的呈现方式与 VR 头显是一脉相承的，市场角也比Hololens 等 AR 眼镜大。但缺点在于，分辨率比光源直接来自真实世界要低，且若屏幕产生一定程度的延迟将导致眩晕。这种显示方式本质为视频式的显示技术，我们认为当前的 VR 头盔、手持终端如手机等均可以采取这种技术方便地融入 AR 功能。光学式（optical see-through，OST）：这种显示技术的原理在于，用户通过人眼前的透镜看到真实世界，而计算机生成的虚拟信息则通过一系列的光
学系统投射入人眼中，从而实现在真实世界的光源下叠加虚拟信息的效果。
这种显示技术的优点在于真实世界的信息真实、分辨率高、相对轻便，缺点在于虚拟信息的显示效果容易受环境光源强弱的变化。再者，根据我们对Hololens 等 AR 眼镜的体验，当前的视场角还尚未达到 VR 设备的那种大视场角体验。
（四）AR 成本拆解
AR 主要由操作系统、处理器、光学组件、摄像头和传感器、存储器几部分构成。不管 AR 设备的形态如何，光学环节对于 AR 眼镜尤为重要，对显示视野、分辨率、刷新率、延时、 眩晕、定位跟踪精度等都提出了较高的要求。以 Hololens 为例，其主要硬件是全息处理模块、2 个光导透明全息透镜（三极光电科技的体全息光波导量产号称成本仅为1美元）、2 个 LCos 微型投影以及 6 个摄像头，其中光学组件（含透明全息透镜和高清光引擎）与处理器的成本达到 75%，是整机的核心。发展低成本，高性能，更加轻薄的光学组件是目前 AR 研究课题之一。
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（五）VR/AR 重要性
可能成为今后计算平台的接口和终端技术的重要形式，对国家及社会的发展起着重要的推动作用。
1。推动经济快速发展。作为今后的计算平台接口和终端技术，VR 和 AR技术有可能取代手机成为人们与信息世界交流的主要通道。
2。推动生活方式演化。VR 能够提供前所未有的虚拟存在感和接近真实的虚拟社交，将推动人类生存方式演化的进程，对社会形态发展起到至关重要的作用。
3。推动意识形态变革。具有更强的沉浸感和临在感，能够更直接地影响使用者的文化接纳、观念接纳和意识形态接纳。
4。推动工作模式进化。具有自然交互的特点，能够为科研、生产提供全新的仿真、模拟、测试、操作和展现手段，并有效提升沟通效率 。 通过摄像机采集真实世界图像，人可以通过语音和手势等对设备输入指令，计算机利用计算机视觉技术和人工智能技术实现对周围环境的理解，同时对交互进行识别。再经过渲染引擎处理，最后通过显示技术输出，以达到虚实融合的效果。
（六） 市场规模
全球知名研究咨询公司 Markets and Markets 2017 发布了一份研究报告，报告称：AR 市场规模将从 2016 年的 23.9 亿美金增长到 2023 年的613.9 亿美金。报告显示，诸如医疗保健、零售以及电商这样的行业对 AR头显不断增长的需求将推动 AR 行业的增长。AR 头显行业对于技术运用的创新开始涌现，但 AR 头显市场仍处于发展初期。2017 年的 CES 展示了 AR头显在交通领域运用的潜力，包括在汽车、飞机还有商用车辆运行中，AR 头
显可以将地图、速度显示以及安全方面的细节等信息显示在挡风玻璃上，这样对驾驶员或者飞行员的干扰会比较少。而近期谷歌发布了企业版谷歌眼镜，也是强调面向商用领域对 AR 技术需求的增长，这些领域包括了制造、质量控制以及 AR 软件的开发设计等。这份报告也指出了 AR 头显在文体娱乐行业应用的潜力，比如体育播报，此外，AR 头显在视频游戏上的运用也开始出现。报告预测，AR 头显在游戏和娱乐上的运用是 AR 市场增长的一个主要推动力，尤其是当苹果进入了这个市场。报告显示，目前 AR 市场的主要玩家有谷歌、微软、DAQRI、Blippar、Magic Leap、Wikitude、Zugara、PTC Inc 以及 Osterhout Design Group
等。现在市场主要由欧洲和美国的企业主导，但报告预计，位于日本、中国、印度以及韩国这样的亚太经济合作组织国家的公司将快速成长，改变市场格局，它们会发展出自己的 AR 业务。Markets and Markets 在 2018 又《增强现实和虚拟现实市场》的预测报告，报告指出：“AR 市场规模预计将从 2018 年的 110 亿美元增长至 2023年的 600 亿美元。其中，AR 在医疗、零售、电子商务等领域的需求增长，将带动 AR 市场规模和投资的快速发展“。此外，在 C 端消费市场，消费者对 AR 需求也在增加，主要集中于视频、游戏、体育、娱乐等相关应用。而随着《Pokemon Go》在消费市场的成功，此类 AR 游戏在未来也将充斥市场。在 B 端商业市场，AR 的抬头显示技术将在汽车、国防、航天航空等领域中被广泛使用，主要用途为导航。虽然其中很大一部分目前仍处于测试阶段，但其很快都将实现商业化，而这也将进一步推动 AR 的市场发展。不仅如此，Markets and Markets 还在报告中表示：“考虑到大多数显示器面板制造商都集中于亚太地区，再加上资方对于该项技术投资的加大，因此亚太地区或将成为 VR/AR 技术最发达的地区，未来某些 VR/AR 相关新
技术很有可能源于此地。”相比 VR，AR 行业未来五年市场规模扩大 6 倍的发展速度，可谓迅猛异常。AR 行业之所以势头迅猛，很大程度上源于市场需求的增加以。反观 VR，
其市场需求丝毫不少于 AR，但由于其头显和高端 PC 价格的高昂，使得很多人对其望而却步。高盛集团报告显示，AR 硬件和软件在未来 10 年将会保持爆炸性的增长，到 2020 年，AR 市场（零售、AR 硬件、电子商务、电影/电视剧、游戏等）规模将达到 1200 亿美元。到 2025 年，该市场规模将达到 1820 亿美元，其中 1100 亿美元为硬件营收，720 亿美元为软件营收。报告指出，AR 开发的许多兴趣是由于智能手机的普及以及智能手机技术在新市场的普及率不断提高。像 Pokemon Go 这样的应用程序已经对其个人资料产生了重大影响，提高了普通公众和企业对该技术的认识。这表明许多行业开始将 AR 技术用于产品演示目的，以及加强客户服务和培训，例如在军事领域可以协助提供真实世界的体验。企业倾向于 AR 技术，因为它不需要额外的硬件，这与虚拟现实（VR）不同。根据 Digi-Capital 的报道，北美地区在全球 AR 市场中拥有目前最高的收入份额，收入超过 13 亿美元，其次是欧洲。但从长远来看，中国在未来5 年的增长可能会使其成为 AR 市场的主宰。Digi-Capital2018 年第二季度AR 数据显示，到 2022 年，中国将占全球 AR 收入的 1/5。中国 AR 市场的
优势对国内和国外企业来说是一个千载难逢的机会。包括中国在内，五年内亚洲将为全球 AR 行业贡献一半左右的收入。当前 AR 主要的应用领域为工业领域或垂直行业的定制化应用，泛娱乐、个人生活助手类应用未来的空间巨大。我们认为，工业领域之所以需要 AR，
是因为通过 AR 眼镜这种主动式、多视角融合、解放双手的信息呈现形式，可以大幅提升单个工作人员的劳动效率。相比于 AR 眼镜的成本，这样的效率提升对厂商来说是非常合算的，尤其是人工成本昂贵的国家尤其如此。因此，未来三至五年内，最有可能因 AR 眼镜而受惠的是现场服务产业，Gartner预期每年约可增加 10 亿美元的获利。其中，最能够节省成本的地方在于缩短问题诊断与修复的时间，以及不再需要另外派遣专家前往远程据点等。而在垂直行业如教育、医疗、旅游中，AR 技术可以帮助呈现更全面的信息，或帮助大大提高效率等。在泛娱乐之中，AR 技术则可以实现过去 3D、VR等技术尚无法实现视觉呈现、移动性、与真实世界的交互性等。总而言之，是效率提升、更好的体验、更丰富的业态使得用户和厂商均对 AR 有足够的兴趣。
二、AR 基本原理涉及关键的显示技术
（一）AR 基本原理
通过摄像机采集真实世界图像，人可以通过语音和手势等对设备输入指令，计算机利用计算机视觉技术和人工智能技术实现对周围环境的理解，同时对交互进行识别。再经过虚拟图像渲染引擎处理，最后通过显示技术输出，以达到虚实融合的效果。
（二）AR 涉及关键技术
AR 涉及到头部姿态跟踪、三维注册、显示设备、人机交互、系统评估等技术。作为应用广泛的头戴式 AR 设备，其技术的技术难点在于：精确场景的理解（软件端）、重构和高清晰度（软件端）、显示技术（光学组件端）。其中光学组件涉及的关键技术包括显示技术和光源技术等。
1.1 显示技术
目前，显示设备在很大程度上限制了 AR 设备的接受程度和应用场景范围。国际主流企业已采用波导技术（微软，magic leap， BAE），国内受限了技术落后，厂商仍以棱镜，半透半反技术为主，限制了波导显示在特殊场景的使用，虽有布局波导技术，国内研发机构力量分散，且产业资本专业水平的缺失，虽有全息波导光栅的小批量产，但暂时没有实现全息波导模组的量产。以下为目前国内和国外 AR/MR 厂家发展对比。
2.2 光源技术
光源显示技术包括 CRT、LCD、LCOS 技术与 DLP 技术。CRT 显像管技术已基本退出历史的舞台。目前，AR 波导设备的主流投影显示技术是LCOS 技术、DLP 技术，而目前可量产 LCOS 的公司集中在台湾 Himax（供应微软 Hololens）， 美国豪威（供应 Magic leap）， DLP 技术被 TI 所垄断。
三、AR 产业链与全息波导产业链简介
（一）产业链长，国内与国外有较大差距在硬件方面，尚处于初级阶段，面临诸多技术瓶颈亟待克服：硬件、图像技术、数据等方面的技术缺陷使得 AR 进一步突破变得困难重重，难以量产，成本居高不下，表面浮雕光栅波导和全息波导，在材料，设计，工艺等基础环节上，国内更是处于断开状态，各环节信息封闭，缺乏相应配套资源，难以形成完整产业链，国外在产业上游，例如材料供应商 Dupont、Polariod、Inphase、Aprilis、Liti Holographics、POLARIS RESEARCH GROUP，digilens 均很早发展，且涉足了显示领域。AR 在软件平台方面，性价比和本地化服务欠缺；在产品应用推广方面，产品同质化、缺乏场景落地、主流
生态参与度低等问题。从技术知识专利方面分析：根据国家知识产权局中国专利信息中心主
办 的 专 利 之 星 上 关 于 AR（Augmented Reality） 的 所 有 专 利 （ 截 止2016.4.27），总计世界专利 7142 条，国内专利 832 条，其中，技术类和硬件类专利数量最多，分别占比 39%和 28%，技术类专利爆发最快，数量最多，其次是硬件，应用领域最少。
（二）未来五年年均复合增长率将超过 70%
2018 年全球终端出货量将超过 1200 万台，市场规模超 700 亿元，增长 126%，预计 2020 年出货量约 4000 万台，市场规模超过 2000 亿元，其中，航空领域 VR/AR 将超过 50 亿[1]，预计到 2025 年，基于标准预期之下，VR/AR 市场规模将达到 800 亿美元，硬件占 56.25%，软件占 43.75%[2]；在应用领域方面，预计到 2025 年 2C 市场的影视、游戏、直播等领域占市场 60%，军事、工程、医疗及教育等 2G/2B 等领域占市场 40%。
（三）B 端将会先于 C 端爆发
在爆发节奏来看，相对于 C 端，B 端具有价格耐受度高、注重价值产出、行业壁垒较高等特点，B 端注重产品投入与产出比，若该新技术将带来正流入，使用意愿强烈，Upskill 就是最好的案例。AR 的 B 端市场巨大，但是不同行业之间的差异度较大，拓展速度较慢，但是客户对价格耐受度高，盈利能力强， B 端将会先于 C 端爆发，尤其增速高、持续性好、刚需强劲的航空航天、消防、电力、汽车，军事等工业及特定领域（如消防/公安）。
鉴于 AR 是少有的在 C 端与 B 端都具有巨大应用价值的产业，除了谷歌、苹果、微软等软件巨头外，波音、通用等传统制造业巨头也纷纷加入。
世界专利申请数排名前五的是微软、高通、三星、 Magic Leap 和索尼。除 Magic Leap 外都是上市的互联网巨头，都在已有的智能硬件生产过程中把握关键环节。
四、AR 全息波导应用前景与增长潜力
由于全息波导具有低成本，高性能，以及易量产和技术垄断性等特点，其受到军事，航天，工业等领域的强烈关注，具有极大的应用背景。
（一）战争态势感知
现代战争是信息战争，无论是空中的战机驾驶员还是地面的作战士兵，面对瞬息万变的战场形势，都需要即刻掌握最新的战场态势和情报信息。车辆、飞机驾驶员以及单兵作战时的命令传达、地形查看、战场观察、夜视系统显示以及车辆和飞机的瞄准系统等需要进行信息显示的，都可以采用头盔显示系统。经过海湾战争、伊拉克战争等多次现代局部战争，实战表明头盔显示器可以有效提升战机和单兵作战单元的综合作战能力。体全息波导显示系统则能够在飞行员眼前提供实时的飞控信息，或是在士兵眼前实时提供目标情报，同时不遮挡他们正常的外界视线，这些实时情报信息不仅可以使战士们获得战场主动，也可以保证他们的生命安全。图示为体全息近眼波导显示系统在军事应用方面的实例
- 空中作战人员通过波导显示屏迅速了解自身当前装备情况、敌方或友方距离，高度和有效载荷等有效信息，用于近距离空中支援。
- C4ISTAR：将命令、控制，通信等信息投射到作战人员 HMD，并叠加到真实环境，实施远距离、大范围、协同攻防作战
- 集成作战武器传感器信息、导航信息、协同作战人员位置装备信息。
（二）工业辅助生产/维修
工业化发展至今已经进入了人机协作的时代，操作员能否正确地操控精密机械、维修员能否有效地检修机器成为工业生产的关键。在大型设备的生产和质量控制中，利用具有瞄准线的人机工程装置代替扭头观察来查看产品。由于工作者可以采用正确的姿势，改善了操作，减轻了疲劳。另外，也可以使工作者集中精力进行当前工作，增加了操作的安全性。
（三）CAD/CAM 操作
头盔显示在这个领域的应用可以使操作者真实查看数据，例如局部数据清单、工程图纸、产品规格等。波音飞机公司在波音飞机的设计中，研制出了一个名为“先进计算机图形交互应用系统”的虚拟环境。采用头盔显示系统后的设计方案与实际飞机相比，偏差小于千分之一。机翼和机身的结合一次成功，缩短了数千小时的设计工作量。
（四）辅助医疗
在脑外科、显微外科手术以及远程诊断和远程手术中，采用波导显示作为医生助手，将手术部位的显微显示并结合空间导航技术，可以精确对病变部位进行定位。该技术可以减轻医生的工作强度，同时也可以提高手术的成功率 。
（五）游戏娱乐产业
娱乐是大众生活中不可或缺的因素之一， 在“轻、小、快”的科技发展趋势下，体全息波导眼镜可以让工作疲惫的人们随时随地看一场电影，或者和当今流行的体感游戏相结合， 帮助使用者利用空闲时间放松心情、减轻疲劳。
（六）移动导航
对于正在告诉飞行或驾驶的驾驶员来说，任何一个低头检视或操作的动作都有可能引发严重问题， 造成不可估量的生命和财产损失。体全息波导既可以当做遮阳镜，又可以将车辆的仪表盘信息投影到眼前，并提供飞行或者驾驶信息、导航信号等信息，避免了驾驶人员的低头操作，提高驾驶的便捷性，减轻司机的疲劳感，为安全驾驶提供保障。
五、国内外全息波导发展现状与对比
全息波导头盔显示器是 AR 头盔显示器（Head Mounted Display，HMD）的一种，其发展历程经历了漫长的时期。早在 20 世纪初，用于单兵作战的头盔瞄准具（Head Mounted Sight，HMS）为头盔显示器的产生和发展奠定了基础。第二次世界大战以后，20 世纪 50 年代，伴随着飞机综合性能的提升，平视显示器（Head Up Display， HUD）最早的出现在美国海军 A-5 舰载机上，它将重要的飞行相关资讯投射在飞行员座舱前端的一片玻璃上面并与瞄准系
统集成。飞行员不用低头就可以查看飞行数据，并通过与外界景象的融合进行瞄准、锁定、攻击等战术动作，不仅降低了驾驶员的疲劳感，而且缩短了驾驶员的反应时间。下图为全息平视显示器示意图。
然而，平视显示器有一个致命的缺点：飞行员只有在眼瞳箱范围内进行所有查看与操作，这大大影响了瞄准、锁定的自由度与灵便性。准对这个问题，美国最先研制了直升机飞行员佩戴的头盔瞄准具，从而不仅满足了武装直升机对火力控制需要，而且也提升了贴地飞行时对地面目标的快速瞄准攻击能力。而后又将显示器集成于头盔，瞄准线可以随头盔转动，实现了显示信息与外界环境的同步，可以有效地提高战斗机的作战性能和导弹快速截击目标的能力。直到 20世纪 60 年代末，美国 ARPA 信息处理办公室主任 Ivan Sutheriand 设计制造出了世界上第一个头盔显示器—达摩克利斯之剑，开启了头盔显示技术发展的大门。到了 20 世纪 80 年代，为了满足战争的迫切需要，头盔显示技术开始受到各国军方的重视从而进入快速发展阶段。继美国军方和 NASA 政府部门投入大量科研经费进行深入研究开发工作，前苏联、英国、法国、德国等国也先后投入大量的人员和资金，研究出一代又一代的头盔显示器。经过 30 多年的发展，头盔显示器的发展已经取得了巨大进步，并在诸多领域扮演者重要角色，并随着衍射光学元件的产生并发展成熟，具有重量轻、体积小、设计简单等诸多优势的
头盔显示器逐渐成为军事和民用领域的热点研究内容。全息波导利用利用全息光栅的衍射原理，光线经前置准直光路后，由于全息光学元件的衍射作用，入射光被耦合进入玻璃内部，并在其中发生全反射，使其在玻璃基底中形成波导进行传播，当遇到另一块光栅后，由于光栅的衍射，光线从波导出射，最终进入人的眼睛。这样人可以透过玻璃观察到远处的景物，
又可以同时观察由波导传输形成的图像，二者不相互影响，实现全视透的平板波导显示技术。
LUMUS 公司一直致力于光波导头盔显示器的研制，其半反半透式几何光波导为其成功的产品，如图 2 所示，但是存在鬼像。索尼公司在 2008 年研制一款全息波导头戴式显示器，但是其颜色串扰较为严重，具有彩虹效应。图3 为其样机及光路示意图。BAE 公司也研制了一款基于单全息光栅的头盔显示器，采用单衍射光栅，实现大的出瞳箱，如图 4 所示，该款头盔已经应用于单兵作战。
（a） BAE 公司全息波导头盔显示器样机 （b）飞行员佩戴全息波导头盔显 示器样机
此外，国外 Digilens， Akonia holographics 以及 Luminit LLC 等带有国防性质的公司目前均在大力发展军用全息波导。其中 Akonia2018年被苹果公司收购，表明苹果公司正在研发下一代全息波导产品。
图 5 DigiLens 公司的全息波导头盔显示器样机
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