微美全息科學(xué)院：增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)助力智慧交通新基建

    按：在云計算、大數(shù)據(jù)、AI、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時代，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)全面滲透到我國城市發(fā)展進(jìn)程中。VR/AR（虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實）技術(shù)的發(fā)展，使虛實交融的沉浸式應(yīng)用場景成為可能，并通過搭載視頻、游戲、娛樂、電子商務(wù)、本地信息服務(wù)等多元化應(yīng)用，營造全方位、立體化的感官體驗和消費服務(wù)，激發(fā)更多信息消費潛力。

    作為納斯達(dá)克上市企業(yè)“微美全息WIMI.US”旗下研究機(jī)構(gòu)“微美全息科學(xué)院”的科學(xué)家們認(rèn)為，5G、人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)將加速與個人穿戴、家居生活、交通出行、健康健身等消費需求集成融合，會改變著整個社會和經(jīng)濟(jì)運行模式，并推動民生服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施智能化升級。以下是微美全息科學(xué)院的科學(xué)與技術(shù)的融合性觀點，對“智慧交通新基建”具有前沿性指導(dǎo)意義。

    2020年11月18日，Realize Medical公司宣布在其醫(yī)療虛擬現(xiàn)實（VR）平臺“ Elucis”中發(fā)布其新的集成遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)協(xié)作功能。醫(yī)療保健和教育領(lǐng)域的用戶現(xiàn)在可以在Elucis協(xié)作VR環(huán)境中與他們的同齡人會面——而Elucis環(huán)境提供了一種安全的解決方案，讓人們可以在新冠病毒大流行的封城期間傳輸、分享3D內(nèi)容。借助Elucis，不同用戶可以一起接入虛擬共享環(huán)境，并同時創(chuàng)建和編輯醫(yī)學(xué)圖像中的3D模型。通過將項目數(shù)據(jù)庫存儲在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器或機(jī)構(gòu)認(rèn)可的云存儲驅(qū)動器上，只需單擊一下鼠標(biāo)，便可以實現(xiàn)內(nèi)部遠(yuǎn)程協(xié)作。Elucis還允許導(dǎo)出項目，從而使用戶可以與外部進(jìn)行協(xié)作并安全地共享工作[1]（如Figure 1所示）。

    Figure 1: 工作人員通過Elucis接入虛擬共享環(huán)境，共同實施病理器官手術(shù)

    虛擬現(xiàn)實平臺Elucis反映了AR技術(shù)在“遠(yuǎn)程協(xié)作”功能上的一個典型應(yīng)用。事實上，由于無法讓消費者埋單，AR設(shè)備從2017年起，開始轉(zhuǎn)向需求更為明確的企業(yè)市場。經(jīng)過數(shù)年的產(chǎn)品迭代和市場教育，AR設(shè)備在教育、工業(yè)、安防等垂直行業(yè)逐漸站穩(wěn)腳跟，吸引到越來越多的政府和企業(yè)客戶。而在2018年之后，行業(yè)對AR需求在工業(yè)領(lǐng)域慢慢收斂到兩個核心場景：一是遠(yuǎn)程協(xié)作，二是可視化指導(dǎo)培訓(xùn)。在安防、旅游等領(lǐng)域，AR的作用也類似，主要通過圖像識別，給使用者提供額外的信息，包括人的身份信息、博物館展品的介紹等。AR技術(shù)在行業(yè)領(lǐng)域的穩(wěn)健發(fā)展反襯出AR技術(shù)在消費領(lǐng)域的弱勢：

    （1）第一代谷歌眼鏡1500美元的售價、極為有限的功能和過短的續(xù)航時間等，使其在2014年量產(chǎn)進(jìn)軍消費市場時出師不利，迅速成為行業(yè)“先烈”。

    （2）獲谷歌和阿里巴巴投資的明星AR企業(yè)Magic Leap成立七年、燒掉20多億美元之后，才在2018年拿出首款面向消費者的AR眼鏡Magic Leap One。這款售價2295美元的產(chǎn)品在上市之初就遭到媒體惡評，導(dǎo)致產(chǎn)品積壓，公司融資受阻，創(chuàng)始人下臺。

    造成兩個應(yīng)用場景中AR技術(shù)發(fā)展趨勢此消彼長的根源，（1）內(nèi)因在于AR技術(shù)的發(fā)展成熟度，（2）外因則是行業(yè)領(lǐng)域、消費領(lǐng)域有著完全不同的底層邏輯。

    首先，是AR技術(shù)發(fā)展成熟度問題�，F(xiàn)階段的電池技術(shù)、芯片能耗、穿戴體驗等方面，會限制AR設(shè)備使用的范圍，使其難以普及。在中國發(fā)展高層論壇2017年會上，蘋果CEO庫克表示“AR技術(shù)的成熟有賴于傳感器、顯示、電池等領(lǐng)域的共同演進(jìn)，AR當(dāng)時處在起步階段（Phase 0），還看不到巨大的突破”。也正是由于這些關(guān)鍵系統(tǒng)組件的不成熟，導(dǎo)致當(dāng)前的消費級AR設(shè)備多為分體式設(shè)計：眼鏡負(fù)責(zé)顯示AR影像和視頻采集，并通過數(shù)據(jù)線與外置的電池和計算模塊相連。這種分體式設(shè)計顯然限制了AR設(shè)備的便攜性，注定了它短期內(nèi)無法在消費領(lǐng)域普及。

    其次，消費領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域各自不同的底層邏輯，造成了AR技術(shù)在兩個市場分別采取了不同的產(chǎn)品計劃路線。

    （1）消費領(lǐng)域產(chǎn)品的底層邏輯側(cè)重于“用戶體驗”。可是由于當(dāng)前階段的電池技術(shù)、芯片能耗、穿戴體驗等方面的短板，致使消費級別的AR設(shè)備存在如下缺陷：沒法長時間佩戴，還會遇到出汗、難以更換電池等問題。在手勢識別方面，多安裝一個3D攝像頭不僅增加數(shù)千元成本，還會增加耗電和用戶的學(xué)習(xí)成本。因此在消費領(lǐng)域內(nèi)，傳統(tǒng)科技巨頭蘋果、谷歌等近年悄然將AR技術(shù)的重心轉(zhuǎn)向軟件以待風(fēng)起。

    （2）而行業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品的底層邏輯則在于“降本增效”：如果你是一家制造企業(yè)，這個設(shè)備可以提升你產(chǎn)量的1%，就是1000套HoloLens，你也會買。而且側(cè)重于行業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品基本上多為專用性產(chǎn)品，只需滿足特定場景的具體任務(wù)，因此在功能選擇、硬件配置、工業(yè)設(shè)計上要專注、取舍、克制。也就是說行業(yè)應(yīng)用“降本增效”的底層邏輯關(guān)注的是性價比，雖然方案可能不完美，但只要整體方案可以節(jié)省成本，帶來效益成倍的提升，企業(yè)就愿意去列裝。而這也是為什么AR設(shè)備在教育、工業(yè)、安防等垂直行業(yè)逐漸站穩(wěn)腳跟，吸引到越來越多的政府和企業(yè)客戶的原因。

    行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的底層邏輯，恰好為AR技術(shù)在其它新興行業(yè)的應(yīng)用指出了一個潛在的方向，譬如智慧交通的新基建方面。

    智慧交通領(lǐng)域存在以下四個核心訴求[2]：

    （1）安全。在安全方面，在人工智能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制下，人、車、路將會進(jìn)行實時交互，交通事故概率將會顯著降低；而且無人駕駛時代來臨后，酒駕、路怒癥、闖紅燈、疲勞駕駛等問題將得到根本解決。

    （2）便捷。在便捷方面，現(xiàn)行交通系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)性、協(xié)調(diào)性，不同交通方式未能發(fā)揮聯(lián)動作用。以換乘為例，地鐵站和公交站設(shè)置不合理，導(dǎo)致人們換乘需要付出較高的時間成本；而應(yīng)用人工智能技術(shù)后，將通過對各類交通數(shù)據(jù)的整合與分析，對城市交通流量變化進(jìn)行預(yù)測，幫助交通運輸運營企業(yè)更好地設(shè)置公交及地鐵站點，合理安排路線等，給人們的生產(chǎn)、生活帶來諸多便利。

    （3）高效。智慧交通系統(tǒng)可以實施整體性優(yōu)化，通過“智慧交通大腦”協(xié)調(diào)各方資源，幫助人們制訂更為科學(xué)合理的出行方案，提高交通路網(wǎng)承載能力及交通運行效率。

    （4）以人為本�！耙匀藶楸�、為民服務(wù)”是智慧交通創(chuàng)造價值的根本途徑，滿足人民日益增長的美好生活需要是建設(shè)中國特色社會主義的必然選擇；而交通作為一個高頻剛需需求，會對人們的生活水平與質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。在智慧交通系統(tǒng)中，人的需求將會得到充分尊重，系統(tǒng)會從城市整個交通生態(tài)角度上配置資源，以人為本，實現(xiàn)人、車、路之間的高度和諧。

    圍繞智慧交通領(lǐng)域的上述四點核心訴求，秉持著行業(yè)應(yīng)用以“生產(chǎn)效率”為核心的“降本增效”的底層產(chǎn)品邏輯，AR技術(shù)將有望通過更加高效便捷的人機(jī)交互方式，將智慧交通智能基礎(chǔ)設(shè)施的路網(wǎng)全域感知信息，導(dǎo)入到智能駕倉，直接提升司乘人員的駕駛體驗。

    在《碟中諜4》中，寶馬i8概念車的車前擋風(fēng)玻璃上的影像不僅可以顯示導(dǎo)航信息，還能在肉眼未見前，超視距地顯示出前方路面出現(xiàn)的行人和障礙物，而觸控操作更是令人炫目（如Figure 2所示）。事實上，倒車可視、HUD、全景影像等都是AR技術(shù)在汽車領(lǐng)域的成熟應(yīng)用。

Figure 2: 寶馬i8概念車的ARHUD，車前擋風(fēng)玻璃上可以現(xiàn)實導(dǎo)航信息

    可即便是《碟中諜4》中近似于科幻的ARHUD（基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的抬頭現(xiàn)實設(shè)備），在我國正在大力發(fā)展的智能網(wǎng)聯(lián)汽車面前仍然保守的像個小弟弟：因為智慧交通新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)能提供路網(wǎng)的全域智能感知信息，這將使汽車操作的自動化程度、安全程度提升到一個嶄新的高度。自動駕駛目前需要有三大基礎(chǔ)設(shè)施：

    一是智能網(wǎng)聯(lián)汽車，是指搭載了先進(jìn)的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)車與車、車與路、車與人、車與云端（就是服務(wù)器）、智能信息的交換、共享，具備復(fù)雜環(huán)境的感知、智能決策、協(xié)同控制等功能，可實現(xiàn)安全、高效、舒適、節(jié)能行駛，并最終實現(xiàn)替代人來操作汽車的新一代汽車。

    二是要給智能網(wǎng)聯(lián)汽車提供各種各樣的信息，通過“5G+北斗”構(gòu)建的車聯(lián)網(wǎng)，來實現(xiàn)V2車路、車與周邊環(huán)境協(xié)同，對智能網(wǎng)聯(lián)汽車提供精準(zhǔn)時空位置服務(wù)的一種泛在的信息網(wǎng)絡(luò)，車聯(lián)網(wǎng)是這樣一種信息網(wǎng)絡(luò)。

    三是自動駕駛高精地圖。地圖也是基礎(chǔ)設(shè)施嗎？是的，我們國家將來變成智慧的地球、智慧的區(qū)域管理等等都是要依賴地圖的。對自動駕駛地圖來說，高精地圖含靜態(tài)信息就跟現(xiàn)在的地圖一樣，如道路的形狀和它的類型，可以控制彎道的車速，而進(jìn)入高架橋下面或者隧道里面就會自動啟用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來彌補(bǔ)北斗這個導(dǎo)航系統(tǒng)的不足。

    借助智慧交通新基建帶來的路網(wǎng)全域智能感知信息，能極大滿足智慧交通領(lǐng)域四個核心訴求中的“安全”、“便捷”、“高效”，唯獨缺少了“以人為本”這個關(guān)鍵因素——因為如果路網(wǎng)全域智能感知信息只能在車載操作系統(tǒng)后臺參與汽車自動駕駛的話，雖然默默無聞的提高了交通的運行效率，但用戶是無感的。為了讓用戶能有效的感覺到智慧交通帶來的便利體驗，智慧交通新基建所提供的智能信息必須介入到人機(jī)交互的過程中，必須沖擊到用戶的“眼睛”和“耳朵”中去，這就需要一個有效的人機(jī)交互媒介——而ARHUD就是這樣一種非常恰當(dāng)?shù)娜藱C(jī)交互設(shè)備。從這個意義上來說，ARHUD可以有效助力智慧交通新基建。而在后續(xù)的產(chǎn)品原型概念設(shè)計中，則必須謹(jǐn)記“行業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品”和“消費領(lǐng)域產(chǎn)品”不同的底層產(chǎn)品邏輯，既能為廠商降本增效、又能顧及用戶體驗。在這個過程中，通過智能網(wǎng)聯(lián)設(shè)施向智能汽車的ARHUD接入哪些信息對用戶最有用、最有視聽沖擊效果？自動駕駛高精度地圖以怎樣的方式介入到用戶的駕駛行為？這些都是有意義的課題。

微美全息科學(xué)院

    微美全息科學(xué)院成立于2020年8月，致力于全息AI視覺探索科技未知，以人類愿景為驅(qū)動力，開展基礎(chǔ)科學(xué)和創(chuàng)新性技術(shù)研究。全息科學(xué)創(chuàng)新中心致力于全息AI視覺探索科技未知, 吸引、集聚、整合全球相關(guān)資源和優(yōu)勢力量，推進(jìn)以科技創(chuàng)新為核心的全面創(chuàng)新，開展基礎(chǔ)科學(xué)和創(chuàng)新性技術(shù)研究。微美全息科學(xué)院計劃在以下范疇拓展對未來世界的科學(xué)研究：

    一、全息計算科學(xué)：腦機(jī)全息計算、量子全息計算、光電全息計算、中微子全息計算、生物全息計算、磁浮全息計算

    二、全息通信科學(xué)：腦機(jī)全息通信、量子全息通信、暗物質(zhì)全息通信、真空全息通信、光電全息通信、磁浮全息通信

    三、微集成科學(xué)：腦機(jī)微集成、中微子微集成、生物微集成、光電微集成、量子微集成、磁浮微集成

    四、全息云科學(xué)：腦機(jī)全息云、量子全息云、光電全息云

    以下是微美全息科學(xué)院的部分科學(xué)家成員：

    郭松睿，湖南大學(xué)計算機(jī)科學(xué)技術(shù)工學(xué)博士，曾在中科院科學(xué)計算國家重點實驗室合現(xiàn)實技術(shù)研修班 學(xué)習(xí)混合現(xiàn)實，增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，參與研發(fā)多個重點項目。

    江濤，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所博士，機(jī)器人學(xué)國家重點實驗室，研究方向為微型仿生飛行器的氣動/結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制與系統(tǒng)開發(fā)，在2018年獲得 ICRCA-2018 機(jī)器人 EI 國際會議"最佳論文獎"。

    楊軍超，重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院信息與通信工程專業(yè)博士研究生，華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士，長期研究虛擬現(xiàn)實、5G多媒體傳輸優(yōu)化、基于MEC的智能轉(zhuǎn)碼優(yōu)化，以第一作者發(fā)表SCI/EI 論文 6 篇，中文核心 1 篇，申請專利 4 項。

    李維娜 ，2017 年博士畢業(yè)于韓國忠北國立大學(xué)的信息和通信工程學(xué)院。2017 年 8 月去了新加坡的 Singapore-MIT Alliance for research and technology centre(SMART)從事壓縮全息（compressive digital holography）的博士后工作，2018 年 11 月進(jìn)入清華大學(xué)深圳國際研究生院的先進(jìn)制造學(xué)部，在以前工作的基礎(chǔ)上把數(shù)字全息（digital holography）拓展到機(jī)器學(xué)習(xí)（machinelearning）領(lǐng)域，特別是對 U 型網(wǎng)絡(luò)（U-net）的改進(jìn)和應(yīng)用。在上述研究領(lǐng)域以第一作者發(fā)表高水平論文 5 篇，以第二作者發(fā)表的高水平論文2 篇。

    曲曉峰，香港理工大學(xué)博士，現(xiàn)任清華大學(xué)深圳研究生院博士后，主要研究生物特征識別、機(jī)器視覺、模式識別，與綠米聯(lián)創(chuàng)合作進(jìn)行嵌入式產(chǎn)品算法、深度學(xué)習(xí)應(yīng)用、圖像與視頻相關(guān)算法以及生物特征識別相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)。

    危昔均，香港理工大學(xué)康復(fù)治療科學(xué)系博士，南方醫(yī)科大學(xué)深圳醫(yī)院虛擬現(xiàn)實康復(fù)實驗室負(fù)責(zé)人，主要研究基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的康復(fù)系統(tǒng)搭建及相關(guān)臨床和基礎(chǔ)研究。

    單羽，昆士蘭科技大學(xué)數(shù)字媒體研究中心（澳大利亞）博士，研究方向為虛擬現(xiàn)實娛樂產(chǎn)業(yè)與亞洲創(chuàng)意經(jīng)濟(jì)，曾參加多場虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)的國際學(xué)術(shù)會議并發(fā)表主題演講，發(fā)表多篇以“虛擬現(xiàn)實藝術(shù)”相關(guān)的學(xué)術(shù)論文，并參與國內(nèi)多個虛擬現(xiàn)實娛樂產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的項目研究。

    劉超，新加坡南洋理工大學(xué)博士，是深圳市南山區(qū)領(lǐng)航人才，深圳市海外高層次人才孔雀計劃C類, Molecular Physics 2011年度最佳年輕作者提名，主要研究方向為人工智能預(yù)測過渡金屬氫化物金屬氫鍵鍵長與解離能和環(huán)式加成反應(yīng)中量子力學(xué)/分子力學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究，曾參與過流程模擬軟件的開發(fā)與研究。

    張婷，美國西北大學(xué)博士后，香港大學(xué)博士，海外高層次人才孔雀計劃C類，主要從事VR/MR關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)應(yīng)用和復(fù)雜服務(wù)系統(tǒng)優(yōu)化等研究，發(fā)表全息專利5項。獲全國＂挑戰(zhàn)杯＂創(chuàng)業(yè)計劃大賽 湖北省一等獎，華中科技大學(xué)一等獎。

    以上是微美全息科學(xué)院一小部分科學(xué)家成員，有意加盟微美全息科學(xué)院的國內(nèi)外博士均可發(fā)郵件簡歷到：mark@wimiar.com。凡有志向做全息科學(xué)研究的任何個人或單位，亦可向此郵箱發(fā)表個人科學(xué)論文以獲得科學(xué)研究資金資助。

    微美全息科學(xué)院旨在促進(jìn)計算機(jī)科學(xué)和全息、量子計算等相關(guān)領(lǐng)域面向?qū)嶋H行業(yè)場景和未來世界的前沿研究。建立產(chǎn)研合作平臺，促進(jìn)重大科技創(chuàng)新應(yīng)用，打造產(chǎn)業(yè)、研究中心深度融合的生態(tài)圈。微美全息科學(xué)院秉承“讓有人的地方就有科技”為使命，專注未來世界的全息科學(xué)研究，為全球人類科技進(jìn)步添磚加瓦。