增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中顯示設(shè)備專(zhuān)利技術(shù)數(shù)據(jù)分析

岳 虹，歐先鋒

(1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作四川中心，成都 610000；2.湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，湖南 岳陽(yáng) 414006)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中顯示設(shè)備專(zhuān)利技術(shù)數(shù)據(jù)分析

岳 虹1，歐先鋒2

(1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作四川中心，成都 610000；2.湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，湖南 岳陽(yáng) 414006)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的顯示設(shè)備關(guān)系到圖像顯示方式和顯示效果，是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中最重要的設(shè)備。利用專(zhuān)利庫(kù)對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中顯示設(shè)備進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，了解相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)分支，并對(duì)其技術(shù)演進(jìn)、申請(qǐng)分布、技術(shù)原創(chuàng)國(guó)和目標(biāo)國(guó)、重點(diǎn)申請(qǐng)人進(jìn)行了分析，歸納出技術(shù)熱點(diǎn)和核心專(zhuān)利，為該領(lǐng)域發(fā)展提供參考。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；顯示設(shè)備；專(zhuān)利技術(shù)；眼鏡；頭盔顯示器；投影；移動(dòng)終端

20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (Augmented Reality，AR) 系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其主要思想是借助計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)以及可視化技術(shù)產(chǎn)生真實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對(duì)象，通過(guò)傳感技術(shù)將虛擬對(duì)象準(zhǔn)確“放置”到真實(shí)環(huán)境中，使用者借助顯示設(shè)備觀看融為一體的虛擬對(duì)象與真實(shí)環(huán)境融，達(dá)到亦真亦幻的效果。

AR系統(tǒng)具有虛實(shí)融合、三維注冊(cè)[1]以及實(shí)時(shí)交互[2]的特點(diǎn)，可以將與真實(shí)物體相關(guān)的幾何或非幾何信息提供給用戶(hù)，讓用戶(hù)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景有更直觀、更深入的了解。這些特性使其在制造、醫(yī)療、設(shè)計(jì)、教育、娛樂(lè)等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景，因此，很多學(xué)者和企業(yè)都投入到AR系統(tǒng)的技術(shù)研究中。

AR系統(tǒng)的研究涉及許多關(guān)鍵技術(shù)，如跟蹤定位技術(shù)(registration)、用戶(hù)交互技術(shù)、顯示技術(shù)等。其中，顯示技術(shù)是指在觀察者的眼睛和真實(shí)物體之間的光路上成像的技術(shù)，它通過(guò)特定的顯示設(shè)備為觀察者提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的圖像。顯示設(shè)備作為AR系統(tǒng)中的硬件設(shè)備，集合了圖像捕捉、追蹤定位、用戶(hù)交互數(shù)據(jù)接收與處理、圖像合成與顯示等功能，其硬件結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)處理的研究直接關(guān)系到AR的發(fā)展，因此本文對(duì)AR技術(shù)領(lǐng)域的顯示設(shè)備專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為后續(xù)的研究提供參考。

1 AR顯示設(shè)備技術(shù)概況

1.1 AR顯示系統(tǒng)原理

雖然AR系統(tǒng)不需要顯示完整的場(chǎng)景，但由于需要通過(guò)分析大量的場(chǎng)景信息和定位數(shù)據(jù)來(lái)確保由計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體可以精準(zhǔn)地定位在真實(shí)場(chǎng)景中，因此，AR系統(tǒng)一般都包含以下4個(gè)基本步驟：1)獲取真實(shí)場(chǎng)景信息；2)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景和相機(jī)位置信息進(jìn)行分析；3)生成虛擬景物；4)合并視頻并顯示。

1.2 AR顯示設(shè)備的技術(shù)分支

目前來(lái)看，常用的顯示設(shè)備可分為固定式顯示設(shè)備、近眼顯示設(shè)備、頭盔式顯示設(shè)備、手持式顯示設(shè)備和空間投影顯示設(shè)備等。主要的區(qū)別在于在光路上的成像位置不同，如圖1所示。

圖1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備

1.2.1 固定式顯示設(shè)備

在需要顯示屏較大或分辨率較高的情況下，通常會(huì)采用基于計(jì)算機(jī)顯示器的固定式AR顯示系統(tǒng)。在固定式顯示系統(tǒng)中，由攝像機(jī)拍攝的真實(shí)世界圖像并輸入到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)將拍攝的圖像與計(jì)算機(jī)中產(chǎn)生的虛擬圖像進(jìn)行合成，并輸出到屏幕顯示器進(jìn)行顯示，用戶(hù)通過(guò)屏幕顯示器觀看最終的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖片。這種AR顯示設(shè)備屬于最簡(jiǎn)單、最易實(shí)現(xiàn)的顯示方式，但帶給用戶(hù)的沉浸感較差。

1.2.2 近眼顯示設(shè)備

近眼顯示設(shè)備是指通過(guò)佩戴在眼鏡上進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示的設(shè)備，包括智能眼鏡和智能透鏡。智能眼鏡是一種帶有相機(jī)、話筒以及屏幕的眼鏡。通過(guò)這種設(shè)備，用戶(hù)的現(xiàn)實(shí)世界視角被相機(jī)截取，通過(guò)增強(qiáng)處理后的畫(huà)面重新顯示在用戶(hù)視野中。智能透鏡的理念是在傳統(tǒng)透鏡中集成控制電路、通信電路、微型天線、LED及其他光電組件，形成一套功能系統(tǒng)。

1.2.3 投影顯示設(shè)備

隨著投影設(shè)備功耗、成本、尺寸的降低以及3D投影技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于投影的AR顯示設(shè)備開(kāi)始出現(xiàn)。將投影顯示用于空間AR系統(tǒng)中，與其他顯示方式不同的是，它不需要設(shè)置固定的顯示屏，虛擬內(nèi)容直接投影在顯示世界中。任何物理表面，如路面、建筑物表面、甚至人體都能成為可交互的顯示屏。投影顯示的最大優(yōu)點(diǎn)是：用戶(hù)不需要佩戴專(zhuān)門(mén)的設(shè)備就可以觀看，適合觀看人數(shù)較多的情形。

1.2.4 頭盔顯示器

頭盔顯示器(Head Mounted Display,HMD)通常固定于用戶(hù)的頭部，上面設(shè)置有攝像頭、位置跟蹤器等設(shè)備。HMD跟隨頭部的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，對(duì)頭部的位置和朝向進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并反饋給處理設(shè)備，處理設(shè)備將真實(shí)場(chǎng)景與虛擬對(duì)象進(jìn)行融合，然后控制用2個(gè)LCD或CRT顯示，并分別向左右眼傳送增強(qiáng)后的圖像。

根據(jù)其實(shí)現(xiàn)原理的不同，可以將HMD分為兩類(lèi)：光學(xué)透視式HMD和視頻透視式HMD。光學(xué)透視式HMD通過(guò)安裝在眼前的2個(gè)半反半透鏡呈現(xiàn)出真實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景的融合。其中，真實(shí)場(chǎng)景來(lái)自于真實(shí)的光源，經(jīng)過(guò)透視光學(xué)系統(tǒng)直接進(jìn)入眼睛，虛擬場(chǎng)景由計(jì)算機(jī)生成，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后進(jìn)入眼睛，兩部分信息匯聚到視網(wǎng)膜上形成虛融合的成像效果。視頻透視式頭盔顯示器通過(guò)安裝在頭盔上的微型攝像頭獲取外部真實(shí)環(huán)境的圖像，計(jì)算機(jī)通過(guò)場(chǎng)景理解和分析將所要添加的信息和圖像信號(hào)疊加在攝像機(jī)的視頻信號(hào)上，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行融合，最后通過(guò)顯示系統(tǒng)呈現(xiàn)給用戶(hù)。

1.2.5 手持式顯示設(shè)備

隨著科技的進(jìn)步，智能手機(jī)等手持設(shè)備飛速發(fā)展，處理器、傳感器、顯示器分辨率、相機(jī)成像質(zhì)量都越來(lái)越好，同時(shí)具有了加速計(jì)、GPS、羅盤(pán)等功能，這些發(fā)展為AR在手持設(shè)備上實(shí)現(xiàn)提供了可能?；谑殖衷O(shè)備的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是AR技術(shù)在移動(dòng)終端的應(yīng)用，是離開(kāi)了實(shí)驗(yàn)室特定的實(shí)驗(yàn)條件和特殊用途的AR系統(tǒng)，基于手持設(shè)備的AR利用跟蹤定位器和圖像傳輸技術(shù)真實(shí)圖像的顯示和交互作用，將額外的數(shù)據(jù)增加到真實(shí)世界的視圖中，用戶(hù)可以根據(jù)需要進(jìn)行顯示方式的選擇和交互操作。

1.3 技術(shù)發(fā)展演進(jìn)

AR系統(tǒng)的概念在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但AR這一技術(shù)術(shù)語(yǔ)直到20世紀(jì)90年代初期才被提出。在研究初期，研究者提出初步的AR系統(tǒng)，但由于設(shè)備和精度等方面的不足，這些系統(tǒng)都沒(méi)有真正投入實(shí)際應(yīng)用。1997年，Azuma[2]對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行了詳盡的分析，引起更多研究者對(duì)AR系統(tǒng)的關(guān)注。從20世紀(jì)90年代末開(kāi)始，該領(lǐng)域的研究者們開(kāi)始組織和召開(kāi)AR領(lǐng)域的一系列國(guó)際研討會(huì)和工作會(huì)議，大大促進(jìn)了AR的研究發(fā)展。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展和移動(dòng)設(shè)備計(jì)算能力的增強(qiáng)，AR技術(shù)已逐漸從理論走向了應(yīng)用。

1997年，AR顯示的專(zhuān)利開(kāi)始出現(xiàn)。到目前為止，該領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到一定規(guī)模，具有很大數(shù)量的專(zhuān)利申請(qǐng)。本文的數(shù)據(jù)來(lái)源為中國(guó)專(zhuān)利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)(CNABS)和世界專(zhuān)利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)(SIPOABS)，通過(guò)查閱這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的AR顯示設(shè)備相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)以及對(duì)該領(lǐng)域的專(zhuān)利文獻(xiàn)進(jìn)行梳理和分析，將其技術(shù)發(fā)展演進(jìn)路線歸納如圖2所示。

圖2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備技術(shù)演進(jìn)路線圖

從圖2中可以看出，AR顯示的研究大致經(jīng)歷了4個(gè)階段：

第1階段為AR概念提出階段。在頭戴式顯示設(shè)備、固定式顯示設(shè)備、投影顯示設(shè)備以及近眼顯示設(shè)備方面都開(kāi)始有一些研究[3-6]，其中頭戴式顯示設(shè)備的研究更多，技術(shù)發(fā)展較快，立體穿透式HMD[6]的概念提出；近眼顯示設(shè)備在這個(gè)時(shí)期主要用于將無(wú)線接收的文字等信息顯示在眼鏡表面；投影顯示設(shè)備只是單純地將合成的AR圖像通過(guò)投影儀投影顯示。

第2階段為緩慢發(fā)展時(shí)期[7-10]。在這個(gè)時(shí)期，提出了視頻投射式HMD的概念，同時(shí)一些專(zhuān)利中提出了與HMD進(jìn)行交互的方式，比較有代表性的專(zhuān)利為US2006284791A1[10]；而投影顯示和固定式顯示中增加了根據(jù)旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)整圖像的技術(shù)，其中專(zhuān)利US20050275664A1[7]就涉及這一技術(shù)。

第3階段各分支都開(kāi)始較快地發(fā)展[11-16]。出現(xiàn)了利用手持式設(shè)備實(shí)現(xiàn)AR顯示的專(zhuān)利；利用手機(jī)自帶的攝像頭獲取當(dāng)前圖像；利用GPS獲取位置信息等，與虛擬對(duì)象結(jié)合產(chǎn)生AR圖像，為后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

第4階段是專(zhuān)利量大規(guī)模增長(zhǎng)時(shí)期[17-20]。投影顯示設(shè)備分支出現(xiàn)了計(jì)算虛擬對(duì)象最合適的位置，將其3D投影到顯示空間中的相應(yīng)位置，使效果更加真實(shí)[18]；近眼顯示設(shè)備、手持式顯示設(shè)備和頭盔顯示設(shè)備主要發(fā)展為提升顯示質(zhì)量、設(shè)備自適應(yīng)調(diào)整，增加沉浸式效果和用戶(hù)體驗(yàn)。例如，專(zhuān)利US2013128364A1[19]中提出了根據(jù)互用喜好自動(dòng)設(shè)置HMD的顯示模式、范圍等；同時(shí)，有一些專(zhuān)利將AR應(yīng)用到手持設(shè)備中的導(dǎo)航、游戲、購(gòu)物等應(yīng)用中，使其從理論研究階段過(guò)渡到應(yīng)用階段。

2 AR顯示設(shè)備領(lǐng)域?qū)＠治?/h2>

2.1 全球?qū)＠治?/p>

圖3為1990—2016年AR顯示設(shè)備國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利的申請(qǐng)趨勢(shì)?？梢钥闯觯簢?guó)外的AR專(zhuān)利申請(qǐng)從1997年開(kāi)始出現(xiàn)，一直到2008都處于緩慢發(fā)展時(shí)期；2009-2014年申請(qǐng)量穩(wěn)步增長(zhǎng)；2014年達(dá)到了頂峰；2015年起，申請(qǐng)量有所降低，但還是保持在一個(gè)較高的水平。

而國(guó)內(nèi)在2004年才開(kāi)始關(guān)注AR技術(shù)領(lǐng)域，直到2010年，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量才進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)步增長(zhǎng)的階段，在2015年達(dá)到了頂峰。

圖3 AR顯示設(shè)備國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)

總體來(lái)說(shuō)，AR自出現(xiàn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)短短十幾年的發(fā)展就吸引了很多企業(yè)、機(jī)構(gòu)的關(guān)注，是當(dāng)下研究的熱門(mén)之一。而相比于國(guó)外的專(zhuān)利申請(qǐng)量，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)還是較少，在該領(lǐng)域的技術(shù)研究仍有一定的差距。

2.2 技術(shù)原創(chuàng)國(guó)與目標(biāo)國(guó)分析

技術(shù)原創(chuàng)國(guó)和地區(qū)表征了一個(gè)國(guó)家或地區(qū)在該領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備和技術(shù)實(shí)力。目標(biāo)國(guó)和地區(qū)表征了一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的市場(chǎng)在該領(lǐng)域的重要程度。從圖4中可以看出，在AR顯示設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，美國(guó)的申請(qǐng)量最多，其次是韓國(guó)、中國(guó)、日本、歐洲，中國(guó)臺(tái)灣的申請(qǐng)量較少，排在最后一位。美國(guó)、韓國(guó)、中國(guó)具有龐大的消費(fèi)市場(chǎng)，因此以上述3國(guó)為目標(biāo)國(guó)，專(zhuān)利申請(qǐng)較多。

圖4 AR顯示設(shè)備技術(shù)原創(chuàng)國(guó)/目標(biāo)國(guó)

2.3 各分支申請(qǐng)量對(duì)比

圖5為國(guó)內(nèi)外各分支申請(qǐng)量的對(duì)比。從國(guó)外各分支申請(qǐng)量比例來(lái)看，投影顯示的專(zhuān)利較少，近眼顯示設(shè)備和固定式顯示設(shè)備的申請(qǐng)量也只占到10%左右。目前AR顯示的專(zhuān)利申請(qǐng)中有近50%的申請(qǐng)涉及HMD，這主要是因?yàn)镠MD的沉浸效果最好，因此在該分支的專(zhuān)利目前占比最大。而隨著手持設(shè)備的功能逐漸強(qiáng)大，越來(lái)越多地研究將焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)到手持式AR顯示，這種手持AR顯示設(shè)備不需要購(gòu)置高價(jià)格的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，不需要固定的環(huán)境，因此具有很大的市場(chǎng)前景。

a.國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量分布 b.國(guó)外申請(qǐng)量分布圖5 AR顯示設(shè)備申請(qǐng)量分布

從國(guó)內(nèi)的各分支專(zhuān)利申請(qǐng)量來(lái)看，我國(guó)對(duì)HMD和手持式顯示設(shè)備的研究較多，兩者加起來(lái)約占總申請(qǐng)量的80%。主要原因是：我國(guó)對(duì)AR的研究起步較晚，在開(kāi)始研究時(shí)，HMD已經(jīng)有了較好的理論基礎(chǔ)，因此很多研究涉及到對(duì)HMD的改進(jìn)；而手持式顯示設(shè)備是目前研究的熱門(mén)，還存在技術(shù)的不成熟，因此我國(guó)很多專(zhuān)利研究將重心轉(zhuǎn)移到手持式顯示設(shè)備的研究中。

總體來(lái)說(shuō)，頭戴式顯示設(shè)備和手持式顯示設(shè)備是目前AR領(lǐng)域領(lǐng)頭企業(yè)關(guān)注度最高的，具有很好的發(fā)展前景。

2.4 重要申請(qǐng)人分析

圖6是AR顯示設(shè)備領(lǐng)域?qū)＠闹饕暾?qǐng)人排名的前10名?？梢钥吹?，微軟高居首位。從整體上來(lái)說(shuō)，美國(guó)廠商的技術(shù)實(shí)力最強(qiáng)，包括微軟、高通、谷歌、MAGIC LEAP、OSTERHOUT公司在該領(lǐng)域申請(qǐng)了大量專(zhuān)利，其中，微軟公司推出AR頭盔Hololens，谷歌公司也推出了google眼鏡等產(chǎn)品，創(chuàng)業(yè)公司MAGIC LEAP提出利用彎曲的光場(chǎng)來(lái)制作立體圖像，雖然目前還沒(méi)有推出實(shí)際的產(chǎn)品，但是谷歌、阿里等公司都對(duì)MAGIC LEAP公司進(jìn)行融資。韓國(guó)企業(yè)在AR顯示方面也具有很強(qiáng)的實(shí)力，其中，韓國(guó)的三星、LG、現(xiàn)代等公司都在AR領(lǐng)域有很多的專(zhuān)利申請(qǐng)，為AR的技術(shù)發(fā)展作出了很大貢獻(xiàn)。目前，雖然很多中國(guó)公司也開(kāi)始進(jìn)行AR技術(shù)研究，包括華為、聯(lián)想、百度等，還有一些創(chuàng)業(yè)公司將目標(biāo)瞄準(zhǔn)AR領(lǐng)域，但還沒(méi)有公司入圍該領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量前十，這說(shuō)明中國(guó)在AR領(lǐng)域的發(fā)展需要更多的投入。

圖6 AR顯示設(shè)備領(lǐng)域的主要申請(qǐng)人排名

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)AR顯示設(shè)備領(lǐng)域的分支、技術(shù)演進(jìn)、專(zhuān)利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)、重要申請(qǐng)人等方面進(jìn)行了分析?？偟貋?lái)看，AR顯示自提出以來(lái)，很快受到各方面的關(guān)注，很多網(wǎng)絡(luò)、視頻、汽車(chē)等行業(yè)的領(lǐng)頭企業(yè)都開(kāi)始投入到該行業(yè)進(jìn)行研究，并逐漸將研究應(yīng)用到實(shí)際的產(chǎn)品中。我國(guó)在該行業(yè)的起步較晚，且申請(qǐng)人比較分散，缺乏核心技術(shù)和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，要想在該領(lǐng)域取得巨大進(jìn)展還需要加大投入。

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Analysis of Patent Technology Data for Display Equipment in Augmented Reality System

YUEHong1,OUXianfeng2

(1.Patent Examination Cooperation Center of Patent Office,SIPO,Chengdu 610000,China;2.College of Information & Communication Engineering,Hunan Institute of Science & technology,Yueyang 414006,China)

Augmented Reality is becoming more popular in recent years.The most improtant portion of Augmented Reality system is the display equipment,which is related to the image display mode and quality.Based on the statistics of patents in AR field,an analysis is achieved by considering technical branch,technology trends,technology producing countries,technology target countries,and applications.Through the analysis we can get the core technologies and the key patents,it will be helpful to the development of AR field.

Augmented Reality;display device;patent technology;glasses;HMD;projection;mobile terminal

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2017.02.002

2017-03-28

湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2017JJ3099)

岳虹(1990—),女，實(shí)習(xí)研究員，碩士，研究方向：圖像處理/視頻壓縮。 歐先鋒(1983—),男，講師，博士，研究方向：圖像處理/視頻壓縮編碼及傳輸，電子郵箱：ouxf@hnist.edu.cn。

TN94

A

2095-5383(2017)02-0008-05