一文读懂｜VR核心硬件

慧眼识英雄1 · 发表于 2023-2-27 15:08:10

我是七除三。
今天一文读懂-VR核心硬件。
VR，Virtual Reality，虚拟现实技术，又称虚拟实境或灵境技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。
其基本实现方式是以计算机技术为主，利用并综合三维图形技术、多媒体技术、仿真技术、显示技术、伺服技术等多种高科技的最新发展成果，借助计算机等设备产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多种感官体验的虚拟世界，从而使处于虚拟世界中的人产生一种身临其境的感觉。

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VR 作为元宇宙的关键交互入口以及消费电子下一风口，不论是硬件性能缺口或是应用场景延伸方面都颇具想象空间。
VR 设备主要分为移动式、分体式、一体式三种形态。

移动式VR 设备（VR 手机盒子）为VR 设备早期形态，设备本身只配置有由镜片组成的光学系统，显示系统以及计算系统需要依靠智能手机，作为产业过渡性产品，其使用体验以及应用场景都十分局限。
分体式 VR 设备则主要连接电脑和游戏主机等外接设备，在外接设备硬件性能有足够保障时，使用沉浸感将明显优于移动式 VR 设备，但是分体式 VR 设备也存在便捷性方面的问题，除了使用时需要同时启动外接设备之外，其设备间的连接线缆也会影响使用体验。
一体式 VR 设备通过内置独立处理器，解决了线缆束缚的问题，使用自由度更高，尽管存在机身过重等方面的问题，但各大厂商也在不断探索优化方案。

产业链方面，VR 设备的上游主要为设备零部件以及 OEM/ODM 代工，其上游零部件又可以分为头显核心零部件、其他零部件和配套外设；中游位置为各 VR 终端品牌，包括Meta、Pico、大朋等；下游应用场景又分为 B 端和 C 端，涉及娱乐、健身、影视、社交等领域，其中游戏为当前 VR 设备最主要的应用下游。

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VR 头显核心零部件主要分为芯片、显示模组、光学模组、传感器、通信模组和声学器件，以 Pico 4 为例，芯片为消费级VR 设备的关键成本，占比约 31%，其次为显示模组和光学模组，占比分别为 23%和12%。

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a. 芯片
放眼 VR 芯片格局，高通一家独大。
早期 VR 一体机沿用了传统移动端芯片，随着 VR 设备出货量逐渐提升，为了提高设备适配性高通推出了 VR 专用芯片，主要基于传统移动端 ARM架构芯片对功耗和散热进行了优化，同时加强了异构计算及AI 性能。其中，高通 XR1 芯片综合硬件性能对标骁龙 600，主要为了在 2018 年带动低价位 VR 一体机的发展，而高通 XR2 则对标骁龙 865，相较上一代 XR1，CPU 和 GPU 性能提升 2倍的同时，视频处理能力提升 4 倍，AI 性能提升11 倍。
高通 XR2 芯片为现阶段最核心的XR 芯片。当前如 Quest 2、Pico 4、爱奇艺奇遇 3、HTC Vive Focus 3 等主流 VR 一体机均采用了高通 XR2 芯片，作为 2000-4000 元价格区间 VR 一体机的统治级计算芯片，高通XR2 芯片集成了头部 6Dof 功能，并支持七路并行摄像头、See-through、5G 等功能，是当前 VR 一体机的绝对主力芯片。
苹果、联发科蓄力备战 2023。一方面，有望在 2023 年推出的苹果MR 设备预计采用苹果M2 芯片搭配图像信号处理的Bora芯片组合，来满足 VR 设备愈发增长的高算力需求；另一方面，在 2022 年联发科高管峰会期间，联发科宣布将为 2023 年发布的 PSVR2 提供处理器支持，这将是联发科首次出现在 VR 设备中。

国产芯片不断探索。当前国产芯片与国外先进芯片仍存在较大差距，短期内无法实现有效替代，但国产造芯之路从未停止。

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自 2019 年高通发布XR2 之后，2022 年 11 月高通推出了新一代的 XR2+ Gen 1 芯片，作为 XR2 的升级版，在不牺牲设备外形的前提下，续航提升了 50%，同时散热提升 30%，在 Meta Quest Pro 上首次被采用。另一方面，高通推出了专门针对AR 设备设计的骁龙 AR2 平台，该平台基于 4nm 工艺制造，采用了多芯片架构和定制化 IP 模块，相较于第一代骁龙 XR2平台，在主处理器占用空间减少 40%的基础上，AI 性能提升了 2.5倍，同时功耗降低了 50%，目前联想、LG、Pico、OPPO、小米等厂商对采用骁龙 AR2 平台的产品开发已进入不同阶段。

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b. 光学
VR 光学是 VR 设备的关键组成部分。主要是通过光学透镜的折射原理，改变光传导的方向，从而达到近眼聚焦以及扩大视场的效果。
VR 光学主要经历了非球面透镜—菲涅尔透镜—Pancake 的三个发展路径：

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早期 VR 设备普遍采用的是非球面透镜方案，但由于非球面透镜相对较重，严重影响了用户使用体验。当前市场主要以菲涅尔透镜作为主流光学方案，通过去掉透镜中心材料以及降低透镜的体积，使得光线汇集的焦距变短，达到缩紧体积和重量的目的，但大幅减重的代价便是成像质量的降低。为了同时兼顾重量和成像质量，采用折叠光路设计的 Pancake 被推上尖头，由于其轻薄特性，逐渐成为 VR 厂商新宠，被视作 VR 下一代近眼光学的首选方案。

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Pancake 光学方案主要利用偏振光原理，使用反射偏光片搭配 1/4 相位延时片来调整偏正光形态，在半透半反镜和反射偏正光之间多次折返后，光线最终从反射偏光片射出并进入人眼，实现聚焦成像。

Pancake的光路以及光学膜的位置次序是固定的，由显示屏光源开始，依次为半透半反镜、1/4 相位延时片和反射式偏振膜。

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Pancake光学模组生产主要包括光学设计、透镜加工、透镜贴膜、组装、检验和封装六个流程。

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Pancake 光学方案主要采取折叠光路设计方案，因此光学膜的生产质量以及贴膜工艺就成了 Pancake 的核心技术，当前只有美国 3M、日本旭化成等国外少数企业能够达到符合 Pancake 设计的要求。类似 1/4 相位延长片、反射偏振片等组成的一组光学膜成本在整个 Pancake 方案成本占比约 7 成。
2022 年以Meta Quest Pro 和 Pico 4 为代表的 VR 新品，以及预计2023 年发布的苹果 MR 设备，均搭配了 Pancake 光学方案。Pancake 在缩短了 VR 光学总长（TTL）的基础上，大幅度缩减了 VR 设备的厚度和重量，目前常规的非球面透镜和菲涅尔透镜的 TTL 大约在 40-50mm，而 Pancake 方案可以实现 TTL 缩减 50%，厚度减到 15-20mm，是当前 VR 设备实现轻便化的最优解。未来，Pancake 的多透镜设计有望叠加眼动追踪和可变焦显示技术，将有效缓解视觉辐辏调节冲突带来的眩晕问题。
由于 Pancake 方案主要采用折叠光路设计，光在传导过程中每次经过半透半反镜都会损失 50%，再叠加反射偏振膜也会造成 10%左右的损失，实际上 Pancake光学方案的光学利用率仅有10%-20%，因此需要搭配亮度更高的显示屏，相较于传统Fast-LCD方案，Mini LED/Micro OLED显示技术的综合性能表现更加突出，有望成为 Pancake 配套升级的光源方案。

c. 显示
一方面，分辨率决定了画面显示的清晰程度，分辨率不足将会出现纱窗效应，人眼观看时会明显感知到显示屏像素点的存在，沉浸感将大打折扣，同时低分辨率带来的失真感会对大脑形成干扰，造成眩晕反应。另一方面，视觉暂留（余晖效应）指的是光在视网膜的光作用结束后留下的残影，其决定了用户的眩晕程度，眩晕感一直是阻碍VR 设备走向大众普及的绊脚石，要想弱化视觉暂留现象，主要通过提高屏幕刷新率以及降低响应时间。

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在 VR 硬件早期探索阶段，由于 OLED 相较于传统 LCD 具有明显响应速度的优势，率先被用于VR 设备，但是其致命缺点也慢慢显现，玻璃基的OLED 限制于精细金属掩膜版工艺一直无法提高像素密度，使得纱窗效应明显，影响用户使用体验。
传统 LCD 经过改良，Fast-LCD 技术使用了全新铁电液晶材料和超速驱动技术，在保证了高分辨率的基础上突破了显示时延的瓶颈，综合显示性能比肩 OLED ，并且因为成熟工艺带来的造价成本相对更低。目前Fast-LCD 凭借同时具备高清画质和高刷新率的优点，以及成熟工艺带来的高性价比，在VR 设备领域稳定位居应用率首位，除了 SONY PSVR 仍采用 OLED 屏幕以外，其他如Meta、Pico 和大朋等全球头部 VR 品牌的代表性产品均使用了 Fast-LCD 屏幕。

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Fast LCD 的显示原理致使诸多显示性能较差：

亮度低，功耗大：背光源永远全亮，和滤光片带来的能量损耗，使屏幕亮度低、功耗大。Fast LCD 难以满足低光效的超短焦方案所需的亮度；
对比度差：背光源特性使屏幕无法呈现纯黑，对比度差，存在漏光现象；
刷新率低：工作原理导致刷新率远低于 OLED 等方案，且难以提升；
清晰度受限：驱动电路放置于像素间隙，像素间隔限制分辨率和 ppi 提升。

Fast-LCD 屏幕在采用了Mini LED 背光源之后，在显示亮度方面有了明显提升，能够弥补 Pancake 方案光损高的缺点。在 Pancake 应用趋势高度确定下，Fast-LCD+Mini LED 背光的显示方案弥补了 Pancake 透光率的问题，将进一步完善短焦 VR 产品的使用体验，两者搭配有望成为未来 1-2 年 VR 硬件端撬开消费市场的黄金组合。

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Micro OLED 又名硅基OLED，作为 OLED 改善纱窗效应的创新升级，将半导体与 OLED技术相结合，显示器以单晶硅芯片作为基底，不仅显示亮度实现显著提升，像素密度也有跨越式升级，起步便达到 3000PPI。除此之外，Micro OLED 还可以使显示器具备更加轻薄、能耗更低、发光效率更高等优点，但是由于大面积硅基的成本以及复杂的生产工艺，Micro OLED 造价成本相对较高。未来在技术和市场发展下，当Micro OLED 具备成本竞争力的时候，Pancake+MicroOLED 有望成为未来主流。
Micro OLED总工艺流程如下：

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