下一代联盟报告：6G组件技术

下一届G联盟报告：6G 组件技术下个世代显示屏 作为一个领先的技术和解决方案开发组织，电信行业解决方案联盟（ATIS）汇聚了全球顶尖的ICT公司，以推进行业的商业优先事项。ATIS的165家会员公司目前正在努力解决5G、非法自动呼叫减轻、量子计算、人工智能赋能网络、非地面网络、分布式账本技术、网络安全、物联网、紧急服务、服务质量、计费支持、运营等问题。这些优先事项遵循从设计、创新到标准、规范、需求、业务用例、软件工具包、开源解决方案和互操作性测试的快速开发生命周期。 前言 ATIS经美国国家标准协会（ANSI）认证。ATIS是第三代合作伙伴项目（3GPP）在北美的组织合作伙伴，也是国际电信联盟（ITU）的成员，以及美洲电信委员会（CITEL）的成员。 有关更多信息，请访问www.atis.org。关注ATIS在领英上的动态。 ATIS的“下一代联盟”是一个旨在通过私营部门领导的努力，在接下来的十年中提升北美无线技术领导地位的倡议。该工作将重点关注技术商业化，涵盖研发、制造、标准化和市场准备的全生命周期。 沉浸式显示通过增强参与度、真实感和连通性，正在改变人类与数字内容的互动方式。视频仍然是沟通、教育和娱乐中最有效的媒介，因为它结合视觉和听觉刺激，创造出丰富、多感官的体验。对更沉浸式互动的需求持续推动显示技术的进步，尤其是在虚拟现实（VR）和增强现实（AR）领域。 执行摘要 当前虚拟现实显示技术状态 >>虚拟现实显示技术已经显著发展，投影镜头性能得到了提升。（从无色到菲涅尔和 Pancake 透镜）以及微显示面板（从液体晶体到微OLED）。两款最新的VR设备，Meta Quest 3和Apple Vision Pro（AVP），展示了视觉保真度方面的进步，其中AVP的像素密度几乎是Quest 3的两倍。>权衡分辨率、成本和外形尺寸影响显示选择，这既影响设备定价也影响其采用率。 沉浸式显示屏的挑战 > 硬件挑战 >视野限制（FOV）：当前VR设备的视野大约为100度。人眼水平视野为220度，垂直视野为120度。要实现完全沉浸式的体验，至少需要120度的水平和90度的垂直视野，或者全视野的150度。扩大视野需要显著的设计和制造进步。 >视觉质量约束：理想视力需要60 PPD，这意味着每个面板需要超过200%的像素。提高分辨率还需要加倍数据传输带宽。 >功率消耗挑战：从2D过渡到3D沉浸式体验，数据传输速率和延迟增加了10-100倍。VR设备具有严格的延迟要求（约10毫秒），XR和全息技术进步进一步加剧了这一要求。高品质渲染需要CPU、GPU和显示屏提供大量电力。提高处理、显示和光学方面的功率效率至关重要。 >形态限制：尽管有进步，VR设备仍然体积庞大，限制了长时间使用。由于不适，平均VR会话时长少于45分钟。减少体积和提高可用性需要新的硬件/软件解决方案。基于边缘的处理可以将计算卸载到外部设备，提高佩戴舒适性。 >用户培训与采用障碍：复杂的操作系统使得沉浸式显示对新用户来说比较困难。VR和MR设备（例如，Quest 3）的采用速度比Meta Ray-Ban等AR眼镜慢。 >安全和隐私问题：在户外场景中，个性化与易用性需要软件增强。用户和旁观者需要从意外的录音或侵入性手势中获取隐私保护。需要新的“隐蔽”模式和不会侵扰的手势交互。 >软件适应XR环境：传统的2D界面与沉浸式3D环境存在显著差异。用户必须适应与虚拟对象交互的新方式。软件必须将3D物理属性与低功耗和高效计算相结合。 视频与内容挑战 > >高带宽需求：由于高分辨率和多个视角，沉浸式视频需要大量数据传输，这对网络基础设施造成压力。 >兼容性与标准化：不同的平台和设备可能不支持相同的格式，导致用户体验不一致。>处理能力：在实时渲染3D环境中，需要高性能的GPU和CPU才能实现流畅的播放。>内容创作复杂性：制作沉浸式视频需要专业的设备（例如，360度相机、体积捕捉系统）以及密集的后期制作。>交互挑战：添加用户控制的视角和触觉反馈需要高级软件和硬件集成。 解决方案及未来发展方向。 > 硬件创新 >高级光学：从饼形镜头过渡到多镜头阵列和双通饼形镜头可以提升效率并缩小设备尺寸。>区域渲染：一种优先渲染用户焦点区域的细节，同时降低边缘细节的技术，从而降 低处理需求和带宽需求。 >微型OLED和微型LED显示屏：为虚拟现实（VR）和增强现实（AR）应用提供更高的效率、紧凑的形态尺寸以及提升的亮度。 > 软件与内容创新 >机器学习在渲染优化中的应用：AI驱动的压缩和实时场景适配可以显著提高渲染速度并减少内存使用。 >边缘计算用于沉浸式内容：将计算任务卸载到边缘节点有助于管理高吞吐量、低延迟的视频流和交互元素。 >下一代视频标准：随着MV-HEVC、MIV和基于AI的点云压缩等新兴压缩技术的出现，可以优化沉浸式内容的传输。 > 增强现实（AR）开发 >波导式增强现实显示器：与传统反射式光学相比，提供更高的透明度和效率，解决社会接受性和可用性方面的担忧。>微显示屏在增强现实智能眼镜中的应用：超亮和高像素密度的节能显示屏可以推动 轻型增强现实设备的大规模普及。>高级光引擎技术：提升LCoS和MicroLED效率将降低功耗并提升AR显示质量。 关键建议 >硅基OLED用于VR>高分辨率和图像质量，但面临成本和能源挑战。>研发可以提高效率，降低成本，并推动采纳。>微型LED技术用于增强现实>提供更优越的亮度和效率，但面临可扩展性问题。 > 制造业的投资可以加速全天候可穿戴设备的普及。 > 导波管技术 >基础且对轻质增强现实智能眼镜至关重要，但生产成本高昂。>材料与制造领域的进步可以提升可扩展性。 > 连接基础设施 >需要高带宽以实现沉浸式体验；需求正在快速增长。>投资将提高网络效率并支持未来应用。 > 视频压缩创新 >新兴技术如高斯散焦技术提升了实时渲染效果。>优化可以提高速度，减少内存使用，并降低功耗。 >在这些领域进行战略投资将推动创新、降低成本以及沉浸式技术的更广泛采用。 1沉浸式技术简介显示屏 视频因其结合视觉和听觉刺激的能力而成为人类最引人入胜的媒体类型，创造了一种多感官体验，能够吸引注意力并唤起情感。例如，想想你上次观看一部扣人心弦的电影或电视剧的时候。令人信服的视觉效果、音效和音乐的结合可能让你沉浸于故事之中，让你感觉自己成为了叙事的一部分。同样，教育视频常常通过动画和现实生活中的例子来阐述概念，使复杂的话题更容易理解和记忆。许多人发现，他们比从基于文本的文章中更容易回忆起纪录片或YouTube教程的细节，突显了视频增强学习和记忆力的力量。这种沉浸式的视频媒体不仅能够娱乐，还能培养更深层次的联系和理解，使其成为我们日常生活中不可或缺的工具。 具有每只眼睛2064 x 2280的解析度；AVP配备了具有3660 x3220解析度的Micro-OLED面板。这两款设备的相应每度像素数（PPD）平均为23和45。因此，理论上，AVP的视觉体验比Quest 3几乎快两倍。采用较低分辨率面板的决定主要基于产品市场定位，这是在视觉体验和零售价格点之间的权衡。Quest 3面板的物料清单（BoM）成本可能比苹果Vision Pro Micro-OLED面板便宜五倍以上。 图1展示了苹果Vision Pro和Meta Quest 3 VR设备的当前形态。两张图片均来自苹果和Meta的官方网站。 人类天生渴望沉浸在尽可能真实的感觉中，无论是通过看电影还是参与视频通话。这种对现实感的渴望源于我们的天然好奇心和更深层次的情感需求。在电影中，像3D、虚拟现实（VR）和高清晰度视觉这样的先进技术将观众带入故事中，让他们感觉自己像是积极的参与者而不是被动的观察者。同样，在视频通话中，高质量的音频和视频，以及背景模糊和噪声消除等特性，有助于创造更真实的人际互动，缩短了物理和虚拟存在之间的差距。这种沉浸的追求增强了我们与周围世界的连接、共情和参与能力，使我们的体验更加丰富和满足。 对于VR体验，提供视觉效果的组件是投影镜头和显示面板。对于投影镜头，行业在保持良好视觉质量的同时，已经开发出越来越紧凑的形态。我们见证了投影镜头从大约10年前传统的消色差投影镜头（例如Google Cardboard）发展而来，然后到菲涅耳镜头（例如Meta Quest 2），再到最近的 Pancake 镜头（例如Meta Quest Pro）。相应的视场角（FOV）也从几十度增长到接近和超过100度。在面板方面，我们也看到了微型显示面板的快速发展，从液晶（LC）到更高效的微型OLED。对于这两种技术用于VR设备，我们还看到了高每英寸像素（PPI）面板的发展，以提升虚拟世界的视觉清晰度。 两个最先进的VR设备是Meta最新的Quest 3和Apple VisionPro（AVP）。这两款设备都是独立的头戴式设备，由于紧凑的形态因素，都使用了 Pancake 镜头。两款设备的视场角（FOV）大约为100度。尽管两款设备共享类似的投影镜头，但面板选择不同。Quest 3配备了LC面板 2挑战沉浸式技术显示屏 需要处理当前和未来设备上的内容。延迟也有非常严格的要求，范围在10毫秒以内。随着显示屏尺寸和空间角度的增加，这些要求进一步增加。随着像XR和全息投影等新技术引入，场景变得更加复杂。主要权衡在于在可接受的时间内渲染最逼真的场景和达到使用目标。逼真的渲染包括纹理、结构表面属性、非均匀光照和遮挡，以提高真实性和观察者的沉浸感。 尽管苹果Vision Pro和Quest 3提供了令人印象深刻的用户体验，但它们仍处于VR设备演化的初级阶段。许多用户挑战和痛点仍需行业解决。 2.1 硬件挑战 这些挑战之一是将视场（FOV）扩展到目前的约100度以外。研究表明，人类的视野可以在头部不动的情况下覆盖水平220度和垂直120度 [3]。为了提供完全沉浸式的体验，VR设备至少需要水平120度和垂直90度，或者对于全视野需要150度。这将需要重大设计革新和制造发展。图2展示了固定视锥区域的水平双目视野，包括不受限的眼部运动，允许持续注视和调节 [4]。 为了实现完整的VR渲染体验，主要功率贡献来自数据/内容渲染、传输和最终显示照明。这些主要涉及数据处理单元，如CPU和GPU、内容渲染端点和显示面板。对于典型的使用会话，例如AVP，它可以消耗10到20瓦的功率。对于单个完全充电的AVP电池，这意味着设备只能持续1.5到3小时。VR设备行业需要提高数据处理、显示和光学的功率效率。 VR硬件设备的最大挑战可能在于其外观尺寸。尽管近年来公司在VR设备的尺寸和重量方面进行了改进，但这些设备仍然体积庞大，不易长时间佩戴。一项2023年的研究发现，VR会话的平均使用时间仍然少于45分钟[6]。使用时间较短的主要原因之一是身体不适。要将这些体积庞大的外观尺寸转变为较新、较简单且外观传统的新款设备，需要通过硬件或软件的其它技术手段满足类似的处理能力、内存使用以及吞吐量/延迟需求。这将把目前的“集一切于一身”的头部装置转变为基于边缘设备，其中设备上的计算将由速度更快、带有额外传输延迟的计算所代替。 图2：人眼视野度数视觉。左侧和右侧阴影区域表示每只眼睛覆盖的视野。中心重叠区域表示立体或双眼视觉。右下方的圆形表示黄斑或黄斑视野在整个人类视野中的大小[5]。 另一个抑制产品采用的因素是新用户对这些沉浸式显示屏的培训需求。这是产品设计的关键部分，以确保用于管理这些沉浸式显示屏的操作系统可以轻松变得繁琐，使其对用户目的无效。与Meta Ray-Ban这样的AR眼镜相比，Quest 3这样的VR或MR设备的采用速度最慢。 另一个挑战是视觉质量。当前AVP的分辨率约为3.5K至4K。在约100度的视场角下，得出的PPD或预期的视觉敏锐度为约40像素/度。这相较于市场上的其他VR设备（约30像素/度或更少）有显著提升，但仍然低于理想的60像素/度的视觉质量。要达