2020年虚拟增强现实内容制作白皮书.pdf

虚 拟 /增 强 现 实 内 容 制 作白 皮 书（ 2020 年 ）虚 拟 现 实 内 容 制 作 中 心青 岛 星 鲨 虚 拟 现 实 技 术 研 究 院2020 年 4 月 版 权 声 明 本 白 皮 书 版 权 属 于 虚 拟 现 实 内 容 制 作 中 心 与 青 岛 星 鲨 虚 拟现 实 技 术 研 究 院 ， 并 受 法 律 保 护 。 转 载 、 摘 编 或 利 用 其 他 方 式 使用 本 白 皮 书 文 字 或 者 观 点 的 ， 应 注 明 “ 来 源 :虚 拟 现 实 内 容 制 作中 心 ” 。 违 反 上 述 声 明 者 ， 本 中 心 将 追 究 其 相 关 法 律 责 任 。致 谢本 白 皮 书 由 虚 拟 现 实 内 容 制 作 中 心 与 青 岛 星 鲨 虚 拟 现 实 技 术 研究 院 联 合 撰 写 发 布 。 在 编 写 过 程 中 ， 有 关 内 容 得 到 了 工 业 和 信 息 化 部电 子 信 息 司 的 指 导 ， 以 及 中 国 电 子 技 术 标 准 化 研 究 院 、 西 北 工 业 大 学虚 拟 现 实 技 术 联 合 研 究 中 心 、 北 航 歌 尔 虚 拟 现 实 研 究 院 、 号 百 控 股 、北 京 七 鑫 易 维 科 技 有 限 公 司 的 专 业 支 持 ， 在 此 特 作 感 谢 。目 录前 言 .1一 、 研 究 背 景 .11.时 代 背 景 .12.社 会 经 济 发 展 背 景 .13.产 业 与 标 准 背 景 .24.研 究 目 标 及 意 义 .3虚 拟 /增 强 现 实 概 述 .3二 、 虚 拟 /增 强 现 实 的 历 史 及 概 念 .31.虚 拟 /增 强 现 实 地 起 源 与 历 史 .32.虚 拟 现 实 的 概 念 .63.增 强 现 实 的 概 念 .7三 、 虚 拟 /增 强 现 实 的 特 征 .8虚 拟 /增 强 现 实 内 容 制 作 发 展 现 状 及 趋 势 .9四 、 虚 拟 /增 强 现 实 内 容 制 作 关 键 技 术 .91.核 心 引 擎 .92.开 发 工 具 .133.模 型 构 建 .14五 、 虚 拟 /增 强 现 实 内 容 制 作 平 台 工 具 .201.开 发 平 台 .202.建 模 工 具 .243.网 络 传 输 协 议 .274.VR/AR硬 件 通 信 协 议 .28六 、 虚 拟 /增 强 现 实 内 容 制 作 产 业 现 状 与 趋 势 .291.内 容 制 作 产 业 现 状 .292.内 容 制 作 产 业 趋 势 .34虚 拟 /增 强 现 实 内 容 制 作 标 准 化 建 议 .35七 、 技 术 标 准 .351.开 发 平 台 .352.开 发 工 具 .353.模 型 制 作 .364.交 互 设 计 .415.渲 染 优 化 .436.通 信 机 制 .447.全 景 视 频 .448.VR/AR接 口 .44虚 拟 /增 强 现 实 行 业 应 用 现 状 及 趋 势 .45八 、 应 用 领 域 .451.教 育 .452.医 疗 .473.军 事 .494.航 天 .515.工 业 制 造 .536.应 急 仿 真 .557.智 慧 城 市 仿 真 .568.能 源 仿 真 .589.文 化 旅 游 .5910.影 音 媒 体 .6011.娱 乐 游 戏 .6112.体 育 竞 技 .6413.创 意 营 销 .66虚 拟 /增 强 现 实 内 容 制 作 白 皮 书 （ 2020）1前 言一 、 研 究 背 景1.时 代 背 景从 农 耕 时 代 到 工 业 时 代 再 到 信 息 时 代 ， 技 术 的 不 断 进 步 带 动 了 生产 力 的 提 高 ， 并 不 断 推 动 人 类 社 会 向 更 高 层 次 发 展 。 今 天 ， 互 联 网 、云 计 算 、 虚 拟 现 实 、 大 数 据 、 人 工 智 能 等 新 技 术 ， 正 以 改 变 一 切 的 力量 ， 在 全 球 范 围 掀 起 一 场 影 响 人 类 所 有 层 面 的 深 刻 变 革 ， 新 技 术 正 在重 构 产 业 结 构 ， 提 升 产 业 效 益 ， 推 动 人 类 社 会 向 数 字 化 和 智 能 制 造 时代 迈 进 。 未 来 ， 知 识 和 智 慧 将 会 取 代 资 本 和 资 源 ， 成 为 驱 动 经 济 社 会发 展 的 关 键 力 量 。 作 为 战 略 性 前 沿 技 术 之 一 的 虚 拟 现 实 技 术 ， 随 着 硬件 成 本 降 低 ， 市 场 需 求 量 不 断 扩 充 ， 但 在 其 制 作 标 准 和 技 巧 上 没 有 形成 技 术 标 准 ， 所 以 制 作 内 容 参 差 不 齐 ， 迫 切 需 要 从 产 业 流 程 和 发 展 角度 深 入 ， 形 成 标 准 ， 从 而 带 动 规 模 化 发 展 。2.社 会 经 济 发 展 背 景在 宏 观 经 济 发 展 过 程 中 ， 科 学 技 术 是 第 一 生 产 力 在 经 济 发 展 的 事实 中 是 不 可 否 认 的 ， 技 术 对 经 济 增 长 和 经 济 发 展 的 贡 献 相 对 于 资 本 和劳 动 来 说 是 最 大 的 。 据 相 关 数 据 显 示 ， 进 入 20世 纪 90年 代 以 后 ， 虚拟 /增 强 现 实 技 术 在 娱 乐 、 教 育 、 艺 术 、 军 事 、 航 空 、 医 学 、 机 器 人等 方 面 的 应 用 比 例 均 有 大 幅 度 提 高 ， 此 外 ， 在 可 视 化 计 算 、 智 能 制 造等 方 面 也 占 有 较 为 重 要 的 比 重 ， 如 今 “ AR/VR+产 业 ” 的 运 作 模 式 更 是融 入 了 社 会 的 各 个 行 业 ， 5G时 代 的 到 来 也 将 为 虚 拟 /增 强 现 实 注 入 了新 的 活 力 ， 其 背 后 巨 大 的 市 场 商 业 价 值 正 在 日 渐 凸 显 。虚 拟 /增 强 现 实 内 容 制 作 白 皮 书 （ 2020）23.产 业 与 标 准 背 景中 国 是 全 球 虚 拟 /增 强 现 实 产 业 创 新 创 业 最 活 跃 、 市 场 接 受 度 最高 、 发 展 潜 力 最 大 的 地 区 之 一 。 工 业 和 信 息 化 部 2019 年 1 月 公 布 关于 加 快 推 进 虚 拟 现 实 产 业 发 展 的 指 导 意 见 中 提 出 ， 2025 年 我 国 虚拟 现 实 产 业 整 体 实 力 要 进 入 全 球 前 列 。 从 需 求 端 考 虑 ， 近 些 年 来 虚 拟/增 强 现 实 概 念 不 断 发 展 ， 民 众 对 虚 拟 /增 强 现 实 的 了 解 程 度 不 断 增 强 。据 IDC研 究 报 告 ， 预 计 中 国 虚 拟 /增 强 现 实 消 费 支 出 在 2019年 和 2020年 的 增 长 率 都 高 于 100%。 从 行 业 规 模 看 ， 虚 拟 /增 强 现 实 有 望 迎 来 发展 高 峰 。 根 据 艾 瑞 咨 询 的 数 据 ， 2018 年 中 国 虚 拟 /增 强 现 实 市 场 规 模为 230.4亿 元 ， 预 计 2021 年 将 达 790.2亿 元 。 5G时 代 所 有 用 户 都 需要 快 速 的 互 联 网 连 接 来 呈 现 高 质 量 的 VR内 容 ， VR有 可 能 成 为 智 能 手机 、 电 视 以 外 的 第 三 块 屏 幕 。 虚 拟 现 实 和 5G 等 前 沿 技 术 不 断 融 合 创新 发 展 ， 进 一 步 促 进 了 虚 拟 现 实 的 应 用 落 地 ， 催 生 了 新 的 业 态 和 服 务 。虚 拟 现 实 相 关 传 感 、 交 互 、 建 模 、 呈 现 技 术 正 在 走 向 成 熟 。虽 然 中 国 VR产 业 前 景 广 阔 ， 但 仍 存 在 诸 多 问 题 。 从 用 户 的 角 度来 看 ， 目 前 VR内 容 和 应 用 还 不 够 丰 富 ， 处 在 较 为 初 级 的 阶 段 ； 从 生态 的 角 度 来 看 ， 目 前 缺 乏 标 准 化 体 系 。 而 关 键 技 术 不 足 、 内 容 与 服 务教 育 缺 乏 、 创 新 支 撑 体 系 不 健 全 、 利 用 生 态 不 完 善 等 问 题 ， 都 需 要 围绕 技 术 、 标 准 、 产 品 、 应 用 服 务 等 产 业 链 关 键 节 点 加 强 产 业 联 动 ， 大厂 商 、 第 三 方 研 究 机 构 、 开 发 者 各 方 应 深 入 分 析 挖 掘 虚 拟 现 实 产 业 的直 接 与 间 接 价 值 ， 增 强 消 费 者 体 验 ， 探 索 开 放 合 作 模 式 ， 促 进 产 业 全方 位 体 系 化 发 展 。虚 拟 /增 强 现 实 内 容 制 作 白 皮 书 （ 2020）34.研 究 目 标 及 意 义如 今 虚 拟 /增 强 现 实 已 经 广 泛 地 应 用 于 城 市 规 划 、 室 内 设 计 、 工业 仿 真 、 旅 游 教 学 、 水 利 电 力 、 地 质 灾 害 等 多 个 领 域 ， 并 在 不 断 地 拓展 当 中 。 随 着 应 用 市 场 不 断 扩 大 ， 应 用 内 容 的 制 作 越 来 越 丰 富 多 样 。面 对 已 日 趋 丰 富 的 虚 拟 /增 强 现 实 应 用 内 容 ， 建 立 规 范 合 理 的 行 业 标准 已 迫 在 眉 睫 。 通 过 标 准 的 制 定 ， 可 以 为 虚 拟 /增 强 现 实 的 内 容 制 作提 供 规 范 ， 在 建 立 虚 拟 /增 强 现 实 内 容 产 业 发 展 基 础 的 同 时 也 对 虚 拟 /增 强 现 实 技 术 及 其 产 业 发 展 起 引 导 作 用 ， 对 我 国 快 速 抢 占 虚 拟 /增 强现 实 行 业 的 制 高 点 具 有 重 要 意 义 。虚 拟 /增 强 现 实 概 述二 、 虚 拟 /增 强 现 实 的 历 史 及 概 念1.虚 拟 /增 强 现 实 地 起 源 与 历 史1935年 出 版 发 行 了 最 早 虚 拟 现 实 概 念 的 科 幻 小 说 Fictitious 。1950 年 ， 莫 顿 海 里 格 （ Morton Heilig） 创 作 了 “ 体 验 剧 院 ” ， 该剧 院 可 以 有 效 地 涵 盖 所 有 感 官 ， 从 而 将 观 众 吸 引 到 屏 幕 上 的 活 动 中 。在 1962年 制 造 了 自 己 的 视 觉 原 型 ， 称 为 “ 传 感 器 ” ， 并 在 其 中 展 示 了五 种 短 片 ， 同 时 具 有 多 种 感 官 （ 视 觉 、 声 音 、 气 味 和 触 觉 ） ， 并 将 其称 为 “ TelesphereMask” （ 已 于 1960年 获 得 专 利 ） 。 专 利 申 请 将 设 备描 述 为 “ 个 人 使 用 的 伸 缩 电 视 设 备 给 观 众 以 完 全 的 真 实 感 ， 即 移动 可 能 是 彩 色 的 三 维 图 像 ， 并 具 有 100 的 周 边 视 觉 ， 双 耳 声 音 ， 气味 和 微 风 。 ”虚 拟 /增 强 现 实 内 容 制 作 白 皮 书 （ 2020）41968 年 ， 伊 凡 萨 瑟 兰 （ Ivan Sutherland） 在 包 括 鲍 勃 斯 普劳 尔 （ Bob Sproull） 在 内 的 学 生 的 帮 助 下 ， 创 造 了 被 广 泛 认 为 是 首个 用 于 沉 浸 式 仿 真 应 用 的 头 戴 式 显 示 系 统 。 无 论 从 用 户 界 面 还 是 视 觉逼 真 角 度 来 看 ， 都 是 原 始 的 ， 而 且 用 户 佩 戴 的 HMD太 重 ， 以 至 于 必 须将 其 悬 挂 在 天 花 板 上 ； 组 成 虚 拟 环 境 的 图 形 是 简 单 的 线 框 模 型 师 ， 该设 备 的 外 观 启 发 了 名 字 “ 达 摩 克 利 斯 之 剑 （ The Swordof Damocles） ” 。1977 年 至 1984 年 ， 戴 维 埃 姆 （ DavidEm） 成 为 第 一 位 在 NASA喷 气 推 进 实 验 室 （ JPL） 产 生 可 导 航 虚 拟 世 界 的 工 程 师 。 1978年 ， 麻省 理 工 学 院 创 建 了 Aspen电 影 漫 游 地 图 ， 这 是 首 个 虚 拟 旅 游 的 雏 形 ，用 户 可 以 在 其 中 以 三 种 方 式 （ 视 觉 夏 季 ， 视 觉 冬 季 和 模 型 结 构 ） 中 的一 种 在 Aspen的 街 道 上 漫 步 。1979 年 ， 埃 里 克 霍 利 特 （ Eric Howlett） 开 发 了 大 视 野 ， 超视 角 的 光 学 系 统 ， 组 合 后 的 系 统 创 建 的 立 体 图 像 具 有 足 够 宽 的 视 场 ，以 营 造 令 人 信 服 的 空 间 感 。 该 系 统 的 用 户 对 场 景 中 的 深 度 （ 视 野 ） 感和 相 应 的 真 实 感 印 象 深 刻 。 最 初 的 LEEP系 统 于 1985年 为 NASA的 Ames研 究 中 心 进 行 了 重 新 设 计 ， 以 安 装 其 第 一 个 虚 拟 现 实 设 备 ， 即 ScottFisher的 VIEW（ 虚 拟 交 互 式 环 境 工 作 站 ） 。 LEEP系 统 为 大 多 数 现 代虚 拟 现 实 头 戴 式 显 示 器 提 供 了 基 础 。到 20 世 纪 80 年 代 ， “ 虚 拟 现 实 ” 一 词 已 由 该 领 域 的 现 代 先 驱 之一 JaronLanier推 广 。 Lanier于 1985年 成 立 了 VPLResearch公 司 。VPLResearch 开 发 了 几 种 VR 设 备 ， 例 如 DataGlove、 EyePhone 和AudioSphere。虚 拟 /增 强 现 实 内 容 制 作 白 皮 书 （ 2020）51988 年 ， Autodesk 公 司 开 发 了 第 一 个 在 低 成 本 个 人 计 算 机 上 实现 VR 的 项 目 。 项 目 负 责 人 埃 里 克 古 利 森 （ Eric Gullichsen） 于1990年 离 开 公 司 ， 创 立 了 SenseCorporation， 并 开 发 了 WorldToolKit虚 拟 现 实 软 件 SDK。 该 软 件 在 PC 上 提 供 了 第 一 张 带 有 纹 理 映 射 的 实时 图 形 ， 并 在 整 个 行 业 和 学 术 界 得 到 了 广 泛 地 应 用 。在 20世 纪 90年 代 ， 消 费 类 头 戴 式 显 示 器 首 次 广 泛 商 业 发 布 。1991年 ， 世 嘉 宣 布 推 出 用 于 街 机 游 戏 和 Mega Drive控 制 台 的 SegaVR头 戴 式 显 示 器 。 立 体 声 头 戴 式 显 示 器 和 惯 性 传 感 器 中 使 用 了 LCD屏 幕 ，从 而 使 系 统 能 够 跟 踪 用 户 的 头 部 并 对 其 做 出 反 应 。 同 年 ， Virtuality推 出 并 继 续 成 为 首 个 在 多 个 国 家 /地 区 发 布 的 大 规 模 生 产 的 网 络 化 多人 VR 娱 乐 系 统 ， 配 备 了 头 戴 式 显 示 器 和 外 置 式 手 套 ， 从 而 提 供 了 首批 “ 沉 浸 式 ” VR体 验 设 备 。1991 年 ， 电 子 可 视 化 实 验 室 的 Carolina Cruz-Neira， DanielJ.Sandin和 Thomas A.DeFanti创 建 了 首 个 立 方 米 沉 浸 式 房 间 ， 即 洞穴 自 动 虚 拟 环 境 （ CAVE） 。 有 别 于 HDM数 字 头 盔 的 另 一 种 可 视 化 呈 现 ，由 多 台 投 影 组 成 ， 结 合 位 置 追 踪 和 VR 软 件 ， 是 一 种 大 型 多 人 虚 拟 现实 系 统 。到 1994 年 ， 世 嘉 在 世 嘉 世 界 娱 乐 场 所 发 布 了 世 嘉 VR-1运 动 模 拟器 。 能 够 以 立 体 3D方 式 跟 踪 头 部 运 动 并 以 3D多 边 形 图 形 为 特 色 。 同年 ， 苹 果 发 布 了 QuickTime VR， 尽 管 使 用 了 “ VR” 一 词 ， 但 无 法 表示 虚 拟 现 实 ， 而 是 显 示 了 360 张 摄 影 全 景 图 。在 2001 年 ， SAS Cube（ SAS3） 成 为 由 Z-A Production、 巴 可 投