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AR/VR/MR裝置開發與產業應用
活動報導
根據市場研究機構IDC研究顯示,2016年虛擬實境(Virtual Reality,VR)與擴增實境(Augmented Reality, AR)頭戴式裝置出貨量達1,030萬套,到了2020年可達7,600萬套,每年以108.3%的年複合成長率持續成長,其中擴增實境與混合實境由於不斷有新技術出現、新廠商加入,讓其在整體產業供應鏈上獲得有效降低成本的機會,未來幾年產業動能不容小覷。

Facebook、Google、HTC、Sony、Samsung與Mic
圖1 資策會智通所組長林敬文表示,相較於典型的VR應用以娛樂為主,AR產業將可以創造更多產值。
rosoft等國際級科技大廠都相繼推出穿戴式產品,希望藉著AR/VR/MR等數位實境技術,創造出前所未有的新興感官體驗。事實上,許多新型的VR/MR裝置已經進入工業、醫療及軍事等專業領域中,並協助產業人士完成更專業的工作。本次活動專注於AR/VR/MR新型裝置的開發實務,並深入解析產業應用與發展趨勢。

數位實境潛力佳 大廠搶布生態系

AR/VR從2016年在市場上刮起一陣旋風,根據市場研究機構Digi-Capital預估,2020年時AR/VR市場規模將達1200億美元,其中AR因為能夠廣泛應用到到工作、導覽或娛樂等場域中,資策會智通所組長林敬文(圖1)表示,相較於典型的VR應用以娛樂為主,AR產業將可以創造更多產值。至於兼有AR與VR疊合與沉浸式特性的混合實境(Mixed Reality, MR),預估2022年出貨的智慧眼鏡,90%都是MR智慧眼鏡。

AR/VR/MR的強勁市場潛力,讓國際大廠紛紛投入布局,微軟(Microsoft)藉由Windows OS之優勢,切入設計HoloLens頭戴裝置,訂定裝置規格標準與建置MR App商店;另外提供HoloLens技術給PC廠,發展相容Windows Holographics的智慧頭戴裝置,藉由Windows相容硬體擴大影響力。

Google則是由手機/平板裝置切入,林敬文指出,Google自行開發AR技術平台Tango,與Qualcomm合作在其晶片上優化,並投資Magic Leap強化MR顯示技術,藉由Tango於相容Android之手機擴大影響力。而DAQRI則是針對垂直應用,藉由併購四家公司,取得ARToolkit、頭戴顯示器和全息顯示技術,並與Intel合作,補強其在深度感測硬體能力之不足。

醫療與工業應用是藍海

從產業應用的角度來觀察,根據高盛銀行(Goldman Sachs)研究部門發表的報告(圖2),2025年AR/VR市場應用分布,數位遊戲(33%)、醫療保健(15%)、工業應用(13%)是未來三個主要的應用領域,林敬文說明,2015年Apple與Google兩大系統平台,前50名的App中,台灣自主研發僅2~4個,遊戲產業競爭非常激烈。

圖2 2025年全球AR/VR市場應用分布

資料來源:Goldman Sachs,資策會MIC,經濟部ITIS計畫整理(2016)

而台灣醫療保健技術水準領先,健保制度世界知名,根據非正式的調查指出,台灣醫療技術亞洲第一、世界第三;另外台灣資訊代工產業執全球牛耳,製造業也是台灣的強項,林敬文認為,相較於遊戲業,在AR/VR應用堪稱藍海的醫療與工業應用,更值得台灣專注投入。

資策會也發展智慧眼鏡工業應用解決方案,林敬文解釋,就產業需求而言,工作安全越來越受到重視,世界各國皆已明文規定且陸續進行強制要求,以提升作業人員的安全;另外,也可以透過智慧載具或眼鏡,提高生產效率。設計以頭盔結合智慧眼鏡,提供即時作業環境影像、語音通訊與遠端指導功能,並結合動態物件追蹤與視覺校正技術,提供即時動態輔助資訊,主要功能為保障安全、降低成本、提高效率。

圖3 AMD亞太區業務總監盧英瑞說,數位實境技術的應用廣泛多元,許多應用都有需求,不會如3D電視曇花一現。
無線與視訊最佳化 提升使用體驗

2016年數位虛擬應用的熱潮帶動相關技術與廠商投入,不過到2017年熱潮逐漸消退,不禁讓人聯想到過去3D電視如曇花一現,AR/VR可能就要步其後塵,AMD亞太區業務總監盧英瑞(圖3)表示,基本上數位實境技術的應用比3D電視廣泛多元,許多應用都有其需求,比如醫療手術、遊戲,甚至未來法官在審理時可透過AR/VR技術進行現場重建,現階段廠商需要在這些需求中找到正確的商業模式與獲利機會,以利產業繼續往下發展。

另外,無線技術在VR頭盔的應用是接下來的發展重點,目前有線模組造成很大的不便,盧英瑞解釋,AMD已經發展採用60GHz WiGig的技術,具備多通道(Multichannel)Gigaband技術,提供超大頻寬。同時搭配其原有的CPU與GPU整合成一個完整的VR頭盔解決方案。

目前業界也發展了一些技術,試圖逐步改善VR顯示的效能,以降低影像的延遲,或觀看時造成的身體不適。盧英瑞說明,Direct-to-Display:讓VR畫面可以掠過作業系統層級,由顯示卡直接輸出給VR裝置;Asynchronous Shaders:同時處理多重著色器運算需求,減低處理延遲;Affinity Multi-GPU:讓VR處理可以更妥善地運用多GPU配置,提升處理效能;Latest Data Latch:讓GPU更有效率地接受頭部追蹤訊號、更正確快速地呈現VR畫面。

DLP(Digital Light Processing)技術是以一種微機電(MEMS)元件為基礎,稱為數位微型反射鏡元件(Digital Micromirror Device, DMD),透過反應速度極快的反射性數位光開關,每一個反射鏡代表一個畫素(Pixel),每一個面積約14微米、外觀為四方型、並由鋁金屬製程的絞接式反射鏡,可以接受電子訊號代表的資料字元,然後產生光學字元輸出,如果是1080p的DMD晶片,上面就會有200萬個反射鏡。

圖4 德州儀器TI資深應用工程師李姿宜說明,DLP技術是以一種微機電元件為基礎,稱為數位微型反射鏡元件。
在DLP工作原理部分,德州儀器TI資深應用工程師李姿宜(圖4)說明,每個微反射鏡都能將光線從兩個方向反射出去,實際反射方向則視底層記憶晶胞的狀態而定;當記憶晶胞處於「ON」狀態時,反射鏡會旋轉至+12度,若記憶晶胞處於「OFF」狀態,反射鏡會旋轉至-12度。利用二位元脈衝寬度調變可以得到灰階效果,如果使用固定式或旋轉式彩色濾鏡,再搭配一顆或三顆DMD晶片,即可得到彩色顯示效果。

一般而言AR/VR/MR裝置的顯示,成像分成兩個主要方式:Magnifying optics是先成像再放大於顯示器,原理接近投射式成像;Eyepiece optics則是成像於瞳孔上,類似反射式成像。李姿宜表示,DLP可以提供高對比率(High Contrast Ratio)、高填充素質(High Fill Factor)與高影像品質、低延遲(Low Latence)、高光學效率與低功耗等特點,提供AR/VR裝置顯示的最佳解決方案。

眼球追蹤優化影像表現

現在AR/VR裝置由於運算能力、訊號傳輸延遲等,造成使用者經驗尚未達理想程度,由於人眼觀看特定內容時,僅會聚焦在小範圍的視線內,此時以目光聚焦點為中心之外的視線餘光範圍,其實不需特別耗費運算效能呈現清晰影像,因此藉由眼球追蹤技術事先知道目光集中位置,系統即可降低目光不會聚焦位置的虛擬實境影像清晰度,藉此將更多運算效能集中讓整體虛擬實境影像更流暢、穩定。

Tobii藉由讓電腦系統知曉使用者眼球注視位置,即可在虛擬實境環境中透過眼睛轉動來直覺瞄準聚焦特定位置,該公司產品管理與VR業務總監Joakim Karlén(圖5)解釋,此可避免大幅轉動頭部或揮動雙手造成視覺暈眩,同時也能以更直覺方式在虛擬實境進行互動。

圖5 Tobii產品管理與VR業務總監Joakim Karlén解釋,藉由探測使用者眼球注視位置,能更直覺的在虛擬實境進行互動。
眼球追蹤技術目前已經被許多遊戲採用,事實上眼球追蹤技術還有許多廣泛的應用,Joakim Karlén表示,在結合臉部識別技術之下,可將眼球追蹤技術應用在物聯網設備,藉此能在聲音、觸控以外增加電腦視覺的互動模式,例如可藉由趨近感測與臉譜識別讓智慧喇叭能自動切換不同使用者帳號登入內容,用在自動駕駛車輛也能協助判斷駕駛是否將目光聚焦在前方道路,或是判斷可能發生疲勞駕駛情況而使車輛速度放緩。

技術改善讓虛擬應用成真

VR提供的影音效果讓人們震撼,不過拆開其要素就是透過3D電腦繪圖、互動(Interactive)與沉浸式(Immersive)體驗所組成,墨匠科技執行長王銓彰(圖6)表示,VR頭盔是一種Outside-in的顯示方式,將外界影像帶到眼前;而MR則是一種將遠方影像呈現於眼前,屬於一種Inside-out的顯示方式。

圖6 墨匠科技執行長王銓彰表示,SLAM技術應用不僅在數位虛擬裝置,透過攝影鏡頭與演算法,更是空間建構與機器視覺。
許多VR遊戲由於設計不當,未考慮人類視覺特性,讓使用者產生動暈症(Motion Sickness),王銓彰指出,傳統的LCD顯示,使用液晶翻轉與背光源顯示圖像,畫面容易出現殘留的餘暉現象,但其技術成熟、發色自然、解析度高、價格便宜等優勢,可以透過插黑屏(Backlight Blinking)的方式消除殘影。另外,主動式有機發光二極體AMOLED,是自發光技術,業界普遍認為OLED顯示技術是消除殘影的最佳解決方案。

2880×1440高解析度較2160×1200頭盔多60%解析度,在人眼注視點的光軸附近提供更清晰的畫面。Light Field Imaging光場影像技術的應用,在未來也有其潛力。整體而言,王銓彰認為,未來VR將發展低殘影螢幕(Lower Persistence Screen)、低延遲硬體(Lower Latency Hardware)、高解析度(High Resolution)、高效能GPU、更友善的遊戲開發工具、更多內容、定位與追蹤技術、新演算法(New Algorithms)與低價化等面向進行發展與突破。

VR追蹤與定位技術概觀

VR追蹤(Tracking)主要是搭配控制手把應用,進行更多的操控,分成兩類,一是Outside-In,可以做頭盔6個自由度的追蹤,與控制手把6個自由度的追蹤;一是Inside-Out,可以做同步定位與地圖建構(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)與手勢控制(Hand Gesture),SLAM一般可以透過深度攝影機如Google的Project Tango,也可以透過灰階攝影機如微軟的HoloLens。

原因在於這些數位虛擬裝置都需要做位置定位與校正,以免分不清楚東南西北,在操作時更需要精準知道方向與角度,王銓彰說明,Inside-Out的追蹤技術應用不僅在數位虛擬裝置上,透過攝影鏡頭與演算法,更是一種空間建構與機器視覺的應用,小到如掃地機器人對於家中空間環境的建構,大到如自駕車的空間定位都是SLAM的應用範疇。

圖7 安華聯網科技顧問陳立閔指出,AR/VR/MR產品與人體緊密接觸,產品安全直接與人身安全高度相關,產品驗證非常重要。
穿戴裝置安全認證馬虎不得

AR/VR/MR產品與人體緊密接觸,產品安全直接與人身安全高度相關,產品驗證非常重要,安華聯網科技顧問陳立閔(圖7)說,數位實境產品可能產生的安全風險包括以下幾類:機械性、觸電、熱、電弧、電磁波、光輻射、爆炸、化學品、接觸不良、人體工學、時間等。

高溫對於人體的傷害眾所皆知,但低溫燙傷更是容易被忽略,陳立閔表示,一般而言42℃以上就有可能對人體產生永久性的傷害,如發燒。皮膚接觸電子產品44℃不能超過連續8小時,否則就會產生低溫燙傷。另外,所有3C產品都需要用電,也需要充電,陳立閔特別提醒,充電時盡量使用公規插頭,以避免電擊危害。使用電池的產品,在不充電時也須注意,不要出現過充與過放的現象,以免電池膨脹變質。

穿戴式裝置長期與皮膚接觸,夏天天氣熱常流汗,而汗液其實有強烈的腐蝕性。頭戴型產品最接近腦部,陳立閔指出,爭議許久的電磁波對人體傷害,目前儘管還沒有結論,在使用上仍須特別小心。LED產品應用多元,已知藍光的波長對眼睛會產生危害,同樣不要長期使用。

2010年正式出版的IEC 62368-1 Ed 1.0視聽、資通科技設備安全標準,已發展為國際標準,也將安全觀念自傳統的允收性規範陳述(Prescriptive Approach),轉變為以防止潛在危險為基礎的全新思維,其強調產品在開發前期即應納入安全設計的概念。回歸至人類對於電壓電流、溫度、輻射等各類物理量的耐受程度,並以此出發。

圖8 萊迪思亞太區資深事業發展經理陳英仁認為,FPGA架構可執行平行處理,同步獲取多個感測器的資料。
可編程特性提升數位虛擬效能

近年行動裝置為市場主流,可編程邏輯元件FPGA因應這個潮流,也強調輕薄短小,但依然保有可編程的彈性,萊迪思亞太區資深事業發展經理陳英仁(圖8)表示,該公司看好數位虛擬裝置的前景,針對影像傳輸趨勢,2016年主要是採用HDMI 1.4標準,頻寬7.2Gbit/s,解析度2160×1200@90Hz,到了2017年將進展到HDMI 2.0或DP 1.2(Display Port),頻寬12Gbit/s,解析度2880×1440@90Hz,2018年則是以DP 1.3為主流,頻寬高達30Gbit/s,解析度達4K@90/120Hz。

FPGA架構可執行平行處理,同步獲取多個感測器的資料,使裝置能達成精確的位置追蹤、即時語音/圖像辨識等,進而便於AR、VR應用所需。FPGA先行對感測器訊號做分析,再決定是否喚醒應用處理器(AP)或中央處理器(CPU),可減低對AP/CPU資源的消耗,達到省電效果。陳英仁說明,萊迪思的FPGA待機功耗低於100微瓦,如智慧手表可藉此即時喚醒,在AP睡眠模式時能有簡單的待機畫面,在喚醒AP時快速顯示更加豐富的畫面,卻不致消耗太多的電量。

另外,萊迪思應用於數位實境產品的解決方案,陳英仁解釋,分別是影像連接與追蹤(Tracking)/感測相關的產品,影像連接有MIPI DSI橋接、Micro-Display橋接、無線連接等;追蹤與感測則有Host Based處理、嵌入式處理、SteamVR追蹤與感測陣列處理等技術產品。

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