乘“元宇宙”东风，VR 软硬件生态加速成熟
虚实共生从梦想到现实，VR 热潮从未消退
“元宇宙”能消除数字和实体之间的界限，打造人类“虚实共生”的数字世界。“元宇宙”（Metaverse）指的是一个源于现实世界，与现实世界平行并相互影响的、可持续的虚拟世界，人类可以在其中以高自由度形式进行娱乐、社交、生产生活。基于虚拟现实（VR）或混合现实（MR）终端所实现的“元宇宙”是人类通信交互经历了文字、语音、图像、视频之后的下一代升级方向，即实现3D实景信息的共享。MR 设备商业化的尝试从未停止，其中 VR 涉及技术相对成熟，早于AR试水消费级市场，并有望在 AI、区块链等新兴技术催化下进入爆发期。
VR 设备最早可以追溯到上世纪 50 年代，一位**摄影师发明了第一台VR设备，此后，第一台头显（俗称“达摩克里斯之剑”）等一些原始设计相继涌现。20世纪 90 年代，商用设备开始出现，例如任天堂的 Vortual Boy 游戏机，1991年甚至出现了 VR 街机。另外，军事领域的应用也是 VR 设备发展的重要驱动力。但当时的技术没有跟上市场的想象，游戏画质差、设备价格高、画面延迟、设备计算能力不足、使用不舒服等缺点难以攻克，阻碍了 VR 设备的进一步发展，即使到了当下，这些问题仍是 VR 产品的核心痛点。
全球 VR 投融资重点逐渐从硬件转向软件。作为尚处在成长阶段的新兴行业，融资是大部分企业当前生存和发展的资金来源，投融资活动反映了当前的行业重点发展方向。据陀螺研究院统计，硬件是资本市场最先关注的领域，2016 年及之前，硬件端投资金额最大，随着硬件端的逐渐成熟，2017 年之后应用端获得了最多的资金投入。2022 年上半年获得投资金额最大的是软件（工具）和应用领域，其中增幅最大的是应用领域，同比增长 143%。
AI——VR 的隐形核心技术，推动交互方式变革
AI 升级可能带来人机交互的变革。在 VR 技术中，实现智能人机交互有三个关键要素——多模感知能力、深度理解能力和多维表达能力。精细的多模态、高智慧模型可以帮助 VR 头显以消费级的成本实现以语音控制为辅，以肢体动作为主的全新交互方式。通过引入多模态识别系统，在语音识别的基础上，结合人脸识别、嘴部唇语识别、眼动追踪，把多种维度的感知结合成为多模态系统，从而提升复杂场景识别效果。
AI 在 VR 肢体定位和手势交互技术上大有可为，让高精度手势识别成为可能。当前，VR 设备主要通过红外摄像头 陀螺仪的硬件组合，结合机器学习来实现肢体定位，需要手柄辅助。存在成本高、配件多、缺失下半身等问题，精细度也较差，难以实现高精度手势识别。我们认为未来肢体定位和手势交互的升级主要依赖于算法模型的升级，2019 年 Meta 发布了手势交互 1.0，可以进行一些简单的裸手交互，但是用户双手重叠或移动过快都会造成跟踪丢失，2022 年，Meta 发布手势交互 2.0，解决了上述问题，并在公告中表示：主要是基于重新设计的计算机视觉和机器学习方法。
3D 模型创建属于“劳动密集型”行业，也将受益 AIGC 升级。创建专业的3D内容需要较高的艺术与审美素养及大量 3D 建模专业知识，门槛高，制作也耗时耗力，某种程度上属于“劳动密集型行业”。2022 年 11 月，英伟达提交论文展示了可以通过文字生成 3D 模型的 Magic3D，例如输入“一只坐在睡莲上的蓝色箭毒蛙”，Magic3D 即可生成一个纹理、造型兼备的 3D 模型（图21）。此外，它还可以具备将 2D 图像样式应用于 3D 模型等能力。创作者只需要在Magic3D 基础上稍作修改，就可以当做游戏或 CGI 艺术场景的素材了。
Oculus 生态初成，国内厂商各有所长
2020 年 Oculus Quest2 发布以来，Meta 就稳定维持XR 头显销量第一的地位，出货量占比 70%以上，2022 年由于 Quest2 涨价和新品定价非消费级，导致占比略微下滑。根据维深的数据，2Q22 Meta VR 出货量 182 万台(YoY 28%)，市场份额78.11%；PICO VR 出货量 26 万台(YoY 767%)，市场份额 11.16%；Valve VR 出货量2.5万台(YoY -37.5%)，市场份额 1.07%；NOLO VR 出货量2.1 万台(YoY 162.5%)，市场份额 0.90%；爱奇艺 VR 出货量 1.7 万台(YoY 240%)，市场份额0.73%。
Oculus：全球 VR 头显领导者，终端与内容形成良好闭环
Oculus 是全球 VR 头显市场的领导者，2014 年 3 月，Oculus VR 凭借RiftDK1勾勒出的 VR 产业蓝图被 Meta CEO 扎克伯格看中，并用20 亿美金收购。随后在Meta的大力支持下，7 年多花了数百亿，完成了 Oculus Rift 开发者版、SDK、到消费者版进化，再到 Go、Rift S、Quest、Quest 2 等更新迭代，并成为全球VR头显标杆。2022 年，Meta 首次推出一千美元以上的产品，区分了中低端机型。
内容方面，Meta 已经在内容产生、技术更迭、终端放量间形成生态闭环。OculusVR 软件内容包括 Quest Store 和 App Lab 两大平台：Quest Store 主要为VR内容应用分发平台，面向独立工作室、游戏工作室、发行公司等专业VR 游戏从业者；App Lab 则是基于玩家社区的，更侧重前沿内容、测试性VR 应用开发的平台，AppLab 应用并不显示在 Quest 商店中，开发者只能通过链接在已有的分发渠道与用户分享，比如 SideQuest 等。（Side Quest 平台主要承接未在Quest 上线的游戏）。Horizontal worlds 则一方面欢迎创作者建立虚拟世界，另一方面是内容创作者和使用者同步交互的社交网络，形成传播效应。
但由于元宇宙项目持续亏损，对 Meta 股价而言是较大的压制因素。回顾Meta2016年至今的股价和净利润：2015-2018 年 6 月（①），公司围绕Massenger、Facebook、Instagram 等核心产品推陈出新，广告收入及净利润稳步增长；2018 年7月-2019年末（②③），公司一度深陷信息安全丑闻，随着监管问题得到妥善解决，公司净利润和股价回升；2020 年初-2020 年 9 月（④），受疫情环境下宏观经济不景气影响，公司广告收入下滑严重，随着 5 月公司推出Facebook Shop 切入新领域，利润和股价回升；2021 年上半年（⑤），公司跟随行业Beta 持续上涨，7月，公司宣布 all in 元宇宙，股价在 2021 年 9 月 1 日达到历史高点384.44 美元；2021年 9 月至今（⑥），美股科技板块回落，美联储继续加息，公司元宇宙部门持续亏损，截至 12 月 13 日，Meta 距高点累计下跌 68.74%。
Pico：国内销量领先，依靠字节跳动流量优势
从硬件角度而言，Pico 在 VR 一体机领域技术迭代速度领先。2016 年，Pico发布了全球第一台搭载高通骁龙 820 的 VR 一体机 PICO Neo DK，它创新性的将手柄作为整个 VR 一体机的计算核心，将 SoC、内存和闪存集成在了“手柄”之上，然后把 VR 眼镜与手柄通过一根 Type-C 线进行连接，以此实现移动VR 形态。2015年Pico 获得歌尔股份数千万元投资。2017 年，PICO 推出消费级G 系列一体机PICOGobin（小怪兽）。同年发布的还有 Pico Tracking，帮助VR 头显定位的追踪套件，它采用 Outside-in 定位方式，标志着 PICO 交互技术进入6DoF 时代。2017年 12 月，PICO 发布了 Pico Neo，是全球第一台量产的Inside-Out 6DoF一体机。2021 年 8 月，字节跳动收购 Pico，技术迭代加速。2022 年9 月，PICO 举办“不止想象”新品发布会，正式发布了新一代 6DoF Pancake VR 一体机PICO 4和PICO4 Pro，以及全新的内容生态战略，主打“运动、视频、娱乐、创造”四大场景。新硬件采用 Pancake 大幅降低硬件厚度、重量，支持眼动追踪、面部识别、裸手交互。
ODM 厂商纷纷布局，硬件成本中芯片和屏幕成本占比最高
VR 产业链从上游主要包括：芯片、光学模组、面板、PCB、结构件、电池、传感器、摄像头等核心器件，中游为 OEM 厂商，下游为Oculus、Pico 等终端厂商。就上游产业链而言，芯片、屏幕成本占比最大，光学模组为核心技术迭代领域。以 Pico4 为例，根据维深 wellsenn XR 的统计，Pico4 VR 一体机8 128G版的BOM成本约为 348.255 美元，综合硬件成本约为 368.25 美元，按美元汇率为7计算，Pico 4 税后综合成本约为 2913 元。其中，芯片成本最高，约为116.45 美元，占比 31%，屏幕成本为 84 美元，占比 23%，光学成本44 美元，占比12%，传感器成本约为 34 美元，占比 9%，ODM/OEM 成本约为 20 美元，占比为5%，结构件成本14.2美元，占比为 4%。
光学模组：长期围绕轻、薄、高质量成像发展
Pancake 已成确定性技术方向
VR 光学先后经历了非球面透镜、菲涅尔透镜和 Pancake 折叠光路三个阶段。菲涅尔透镜（Fresnel Lenses）具有低成本和可控的成像质量优势，Oculus Quest2、Pico Neo 3、惠普 Reverb G2 和爱奇艺奇遇 3 等均为该光学方案的代表性产品。其设计原理是去掉光在透镜中直线传播的部分，只保留用来折射光线的透镜曲面，在保留常规透镜光学特征的同时，大幅压缩镜片厚度，实现镜片的轻量化。然而，由于该方案需要将屏幕放置在透镜的近焦面处，因此透镜与屏幕之间的距离较长，导致整个光学模组的体积较大。此外，由于菲涅尔透镜采用单层镜片设计，其物理性导致了成像边缘模糊、易产生畸变，以及无法调节屈光度等问题。
3）反射式偏振片：选择性的反射与透射偏振光。反射式偏振片（ReflectingPolarizer）是偏光片的一种，通常由多层功能性光学薄膜在透镜表面上贴合而成。通过调整光学薄膜的种类与贴合顺序，反射式偏振片能够选择性的反射与透射偏振光，实现一种偏振态被透射而另一种偏振态被反射的功能。在Pancake光学方案中，通常设置成反射 p 偏振光，透射 s 偏振光。反射式偏振片中的光学薄膜通常采用金属色线栅，例如铝质金属线栅，或采用具有双折射功能的多层聚合物，后者相对于前者而言具有如下优势：a）在较宽的入射角范围内，多层聚合物薄膜具有较高的偏振反射率，以及较低的色彩推移；b)由于具有高消光和高透射效率，多层聚合物偏振器的可见光谱偏振对比度可以非常高；c）由于聚合物树脂具有粘弹性，因此多层聚合物薄膜可以形成各种复杂的曲面，包括非球面甚至自由曲面，而非球面的形态可以显著提高Pancake光学透镜的分辨率。
偏振光在 Pancake 光学系统中的具体传播路径如下：① 显示屏发出右旋圆偏振光。Pancake 光学模组的入射光必须为圆偏振光，若采用的显示屏为 LCD，则其发出的光为线偏振光，需在显示屏上增加一个1/4相位延迟片，将线偏振光转变为圆偏振光；若采用的显示屏为OLED，自发光原理使其发出的光为非偏振光，需在屏幕上先增加一个线偏光片（LP）将其转化为线偏振光，再增加一片 1/4 相位延迟片将其转化为圆偏振光。② 右旋圆偏振光透过半透半反镜后，偏振态不发生变化，但光效损失50%。③ 右旋圆偏振光以 45°角第一次通过 1/4 相位延迟片后，变为振动方向平行于纸面的 p 线偏振光。这是因为在通过 1/4 相位延迟片之前，可以沿着o 光和e光的方向（即 1/4 相位延迟片的快轴和慢轴方向），将右旋圆偏振光矢量分解成两束频率相同、振动方向互相垂直、且相位差为-π/2 的线偏振光。在通过1/4相位延迟片时，由于双折射现象，在 o 光和 e 光的方向上进一步引入 π/2的相位差，此时，两束线偏振光的相位差为 0。最后将振幅相同的o 光和e 光叠加为振动方向平行于纸面的 p 线偏振光。 ④ p 线偏振光到达反射式偏振膜后发生反射，偏振态保持不变。⑤ p 线偏振光以 45°角第二次通过 1/4 相位延迟片后，变回右旋圆偏振光。⑥ 右旋圆偏振光到达半透半反镜后发生二次反射，变成左旋圆偏振光，同时光效再次损失 50%。这是因为反射光相对于入射面而言有-π的相位突变，因此会改变旋转方向，从右旋变为左旋。 ⑦ 左旋圆偏振光以 45°角第三次通过 1/4 相位延迟片后，变为振动方向垂直于纸面的 s 线偏振光。 ⑧ s 线偏振光到达反射式偏振膜后发生透射，最终进入到人眼当中。
Pancake 光学方案支持屈光度调节。目前普遍 Pancake 模组的屈光度调节范围在0-700°之间，对于绝大部分近视的用户而言，无需佩戴眼镜即可使用。而对于单透镜的菲涅尔和非球面方案，如果不增加透镜则无法实现屈光度调节。目前实现屈光度调节有内调焦和外调焦两种方式： 1）内调焦方式。将其中一组镜片作为移动组，移动组镜片通过朝向某一方向移动实现屈光度的调节。这种方式的优势在于镜头的总长不会发生改变；缺陷在于移动镜片会导致整个光路的系统参数发生变化，如焦距等。此外，如果用户双眼视力差异较大，那么左右眼内调焦的一致性将不一致，进而引起双目合像等问题。2）外调焦方式。通过显示屏朝向某一方向的移动来实现屈光度的调节。这种方式的优势在于系统参数没有改变，因此左右眼的焦距是一致的，左右眼图像的一致性会更好，更容易实现合像；其缺陷在于由于移动屏幕，整个模组的总长会因此发生变化。 虽然 Pancake 光学方案支持屈光度调节，但仍然需要借助可变焦设计，结合液晶器件，实现动态全局调控，根据显示屏的内容和眼睛观看的位置，实时改变焦平面，让二维屏幕产生三维景深信息，才能改善由辐辏调节冲突（VAC）带来的眩晕问题。
Pancake 技术难点：光损高、视场角小、存在鬼影、成本高
光损高，理论上最高光效仅为 25%，因此对显示屏幕亮度要求高。多次折返的光路存在效率损失的问题，光线两次经过半透半反膜，所以其理论最高光效仅有25%，再加上反射偏振膜的损失，总体光利用率只有10-20%，因此需要搭配高亮度屏幕，例如 Micro OLED/Micro LED，以改善折叠光路方案的效果。相比之下，菲涅尔透镜的光学效率可高达 80-90%。 大视场角与设备轻量化难以兼得。据 Oculus 首席科学家表述，菲涅尔透镜的视场角（FOV）理论上限为 140°，而 Pancake 的 FOV 有望实现220°。然而，Pancake光学方案采用了较小的显示屏幕，较小的屏幕需要更长的光路来扩大视场角，这与折叠光路压缩光学模组总长这一设计理念相悖。因此，在Pancake 光学方案中，大视场角与设备轻薄化无法兼得，需要在两者之间做出权衡。当前量产的Pancake光学方案的 FOV 在 60-90°之间，距理论上限 220°仍有较大差距，且小于市场上菲涅尔光学方案的视场角。
易出现“鬼影”，降低呈像质量，影响用户体验。在成像光学系统中，往往存在一些非理想因素带来的杂散光，这些杂散光通常是由透镜界面多次反射、透镜缺陷散射、物理结构散射等造成的。实际应用场景中，这些杂散光往往会在画面中的某个位置形成像，被称为“鬼影”(Ghost Image)。Pancake 光学方案的中诸多鬼影，在画面中的表现不一而足，有的能清晰成像，有的则以光斑的形态存在，这严重影响了用户对于图像对比度的感知。 造成鬼影的因素有很多，其中最易造成的因素是双折射。由于双折射现象与透镜的材料有关，塑料材料通常具有较明显的双折射，因此可以通过增加透镜或改变透镜的形状、改善透镜材料，优化光路来降低其双折射现象来抑制鬼影现象。
SoC：芯片平台实现专用化，未来多方有望并起与高通争雄
VR 主芯片主要任务利用运行操作系统并掌控整个硬件系统。从架构上来说，VR芯片的架构基本和其他智能设备的 SoC 类似，主要集成系统级芯片控制逻辑模块、微处理器/微控制器 CPU 内核模块、数字信号处理器DSP 模块、嵌入的存储器模块、和外部进行通讯的接口模块、含有 ADC /DAC 的模拟前端模块、电源提供和功耗管理模块。
手机 SoC 优势助高通成为 VR 主芯片市场霸主。2015 年，HTC 发布的HTCVive使用 STM32F072R8 MCU 和 AIT8328 ISP 搭配作为中控芯片方案；2016 年起，高通智能手机 SoC 骁龙 821、骁龙 835、骁龙 845 成为当年主流VR 产品芯片方案，VR主芯片进入手机 SoC 时代，同期如三星 Exynos 8895、联发科Helio X30 等智能手机 SoC 也获得少量 VR 产品搭载。 XR 芯片专业化夯实高通优势。2019 年，随着高通发布骁龙XR1 平台，VR设备正式踏入 XR 专用芯片平台时代，相较于手机 SoC，初代XR 平台减少了基带，使成本显著下降，而其他关键模块如 CPU、GPU、DSP、ISP 等和手机芯片别无二致。但由于高通除了芯片以外，同时发布了包括 XR 软件服务层、机器学习、XRSDK等一系列软件支持，加之其智能手机业务积累的软硬件生态优势，骁龙XR1一举奠定高通在 XR 领域绝对龙头地位。
索尼 PS VR2 将首发联发科 VR 芯片，联发科入局或激活行业竞争。11 月联发科正式宣布于 2023 年 2 月 22 日上市的索尼 PS VR2 将搭载其首款VR 芯片，目前尚未透露该芯片设计细节，我们预测这颗芯片有望基于公司ARM 架构手机SoC针对VR应用优化而来。联发科自 2004 年从 DVD 芯片切入功能机市场推出Turnkey模式占住山寨机市场， 到 2011 年进入 Andriod 智能手机市场，抓住国产智能手机爆发机遇。目前联发科既是电视芯片市场霸主，并在手机芯片领域与高通形成两强局面，根据 Countpoint 数据，2Q22 联发科以 39%全球市场份额领先高通。联发科携视频娱乐、智能手机芯片技术能力，在首颗 VR 专用芯片即获索尼使用，有望未来在 XR 领域继续和高通角逐。
国内芯片厂商成长需与主流终端品牌加强合作。目前国内拥有XR 主芯片产品的芯片厂商主要有来自智能手机芯片领域的海思和展锐以及AIoT 芯片设计公司晶晨、瑞芯微和全志科技等。其中全志和瑞芯微拥有专用VR 芯片产品布局，获得少数机型搭载，除此之外晶晨 S 和 A 系列芯片有在 AR 产品量产出货。目前国内厂商在XR 领域投入相对有限，未来成长需与市场主流设备公司加强合作。
CMOS 图像传感器：VR 交互需求增长推动重要性提升
CMOS 图像传感器（CIS，CMOS Image Sensor）主要采用感光单元阵列和辅助控制电路获取对象景物的亮度和色彩信号，并通过复杂的信号处理和图像处理技术输出数字化的图像信息。CMOS 图像传感器中的感光单元一般采用感光二极管（Photodiode）实现光电信号的转换。感光二极管在接受光线照射之后能够产生电流信号，电流的强度与光照的强度成正比例关系。每个感光单元对应图像传感器中的一个像元，像元也被称为像素单元（Pixel）。CIS 每一个感光元件都可以直接集成放大电路和模数转换电路，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号，并进行片上图像处理。
全局曝光为 VR 追踪定位主要 CMOS 图像传感器主要核心快门技术。主流CIS快门技术为卷帘快门和全局快门，其中卷帘快门的设计是为了捕捉静态图像和视频拍摄，因此拥有非常高的分辨率和颜色处理能力，主要用于手机、单反等。但其缺点在于逐行拍摄图像，拍摄和曝光时间过长，在 VR 使用场景中手势、头部追踪、脸部和眼球动态追踪等移动物体捕捉时，图像可能发生扭曲，而且功耗过高，因此不适合用于 VR。而全局快门的原理则完全不同，它是一次拍摄整幅图像，所有像素同时曝光，因此成像效果准确、曝光时间短、功耗低，满足VR 需求。
VR 交互升级，CMOS 图像传感器数量和种类需求扩容。以2022 年发布的部分主流VR 产品为例，PICO Neo 3 头显四个边角各放置一颗的VGA 摄像头搭载韦尔（豪威）OVM7251 全局快门 CIS，实现快速图像捕捉；PICO 4 再次基础上增加一颗单目VST摄像头，搭载了索尼 1600 万像素 IMX471 传感器。Quest Pro 进一步提升设备交互体验，总计装备 16 颗摄像头（头显 10 颗、手柄6 颗），在6DOF 追踪定位和VST 基础上再增加深度识别、面部(头部 额部)追踪、眼球追踪等，引入了OVM6211、OG01A1B 等 CIS。
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