微美全息科学院：增强现实技术助力智慧交通新基建

    按：在云计算、大数据、AI、物联网技术时代，数字孪生技术已经全面渗透到我国城市发展进程中。VR/AR（虚拟现实、增强现实）技术的发展，使虚实交融的沉浸式应用场景成为可能，并通过搭载视频、游戏、娱乐、电子商务、本地信息服务等多元化应用，营造全方位、立体化的感官体验和消费服务，激发更多信息消费潜力。

    作为纳斯达克上市企业“微美全息WIMI.US”旗下研究机构“微美全息科学院”的科学家们认为，5G、人工智能、大数据等信息技术将加速与个人穿戴、家居生活、交通出行、健康健身等消费需求集成融合，会改变着整个社会和经济运行模式，并推动民生服务基础设施智能化升级。以下是微美全息科学院的科学与技术的融合性观点，对“智慧交通新基建”具有前沿性指导意义。

    2020年11月18日，Realize Medical公司宣布在其医疗虚拟现实（VR）平台“ Elucis”中发布其新的集成远程网络协作功能。医疗保健和教育领域的用户现在可以在Elucis协作VR环境中与他们的同龄人会面——而Elucis环境提供了一种安全的解决方案，让人们可以在新冠病毒大流行的封城期间传输、分享3D内容。借助Elucis，不同用户可以一起接入虚拟共享环境，并同时创建和编辑医学图像中的3D模型。通过将项目数据库存储在网络驱动器或机构认可的云存储驱动器上，只需单击一下鼠标，便可以实现内部远程协作。Elucis还允许导出项目，从而使用户可以与外部进行协作并安全地共享工作[1]（如Figure 1所示）。

    Figure 1: 工作人员通过Elucis接入虚拟共享环境，共同实施病理器官手术

    虚拟现实平台Elucis反映了AR技术在“远程协作”功能上的一个典型应用。事实上，由于无法让消费者埋单，AR设备从2017年起，开始转向需求更为明确的企业市场。经过数年的产品迭代和市场教育，AR设备在教育、工业、安防等垂直行业逐渐站稳脚跟，吸引到越来越多的政府和企业客户。而在2018年之后，行业对AR需求在工业领域慢慢收敛到两个核心场景：一是远程协作，二是可视化指导培训。在安防、旅游等领域，AR的作用也类似，主要通过图像识别，给使用者提供额外的信息，包括人的身份信息、博物馆展品的介绍等。AR技术在行业领域的稳健发展反衬出AR技术在消费领域的弱势：

    （1）第一代谷歌眼镜1500美元的售价、极为有限的功能和过短的续航时间等，使其在2014年量产进军消费市场时出师不利，迅速成为行业“先烈”。

    （2）获谷歌和阿里巴巴投资的明星AR企业Magic Leap成立七年、烧掉20多亿美元之后，才在2018年拿出首款面向消费者的AR眼镜Magic Leap One。这款售价2295美元的产品在上市之初就遭到媒体恶评，导致产品积压，公司融资受阻，创始人下台。

    造成两个应用场景中AR技术发展趋势此消彼长的根源，（1）内因在于AR技术的发展成熟度，（2）外因则是行业领域、消费领域有着完全不同的底层逻辑。

    首先，是AR技术发展成熟度问题。现阶段的电池技术、芯片能耗、穿戴体验等方面，会限制AR设备使用的范围，使其难以普及。在中国发展高层论坛2017年会上，苹果CEO库克表示“AR技术的成熟有赖于传感器、显示、电池等领域的共同演进，AR当时处在起步阶段（Phase 0），还看不到巨大的突破”。也正是由于这些关键系统组件的不成熟，导致当前的消费级AR设备多为分体式设计：眼镜负责显示AR影像和视频采集，并通过数据线与外置的电池和计算模块相连。这种分体式设计显然限制了AR设备的便携性，注定了它短期内无法在消费领域普及。

    其次，消费领域、行业应用领域各自不同的底层逻辑，造成了AR技术在两个市场分别采取了不同的产品计划路线。

    （1）消费领域产品的底层逻辑侧重于“用户体验”。可是由于当前阶段的电池技术、芯片能耗、穿戴体验等方面的短板，致使消费级别的AR设备存在如下缺陷：没法长时间佩戴，还会遇到出汗、难以更换电池等问题。在手势识别方面，多安装一个3D摄像头不仅增加数千元成本，还会增加耗电和用户的学习成本。因此在消费领域内，传统科技巨头苹果、谷歌等近年悄然将AR技术的重心转向软件以待风起。

    （2）而行业领域产品的底层逻辑则在于“降本增效”：如果你是一家制造企业，这个设备可以提升你产量的1%，就是1000套HoloLens，你也会买。而且侧重于行业应用的产品基本上多为专用性产品，只需满足特定场景的具体任务，因此在功能选择、硬件配置、工业设计上要专注、取舍、克制。也就是说行业应用“降本增效”的底层逻辑关注的是性价比，虽然方案可能不完美，但只要整体方案可以节省成本，带来效益成倍的提升，企业就愿意去列装。而这也是为什么AR设备在教育、工业、安防等垂直行业逐渐站稳脚跟，吸引到越来越多的政府和企业客户的原因。

    行业应用领域的底层逻辑，恰好为AR技术在其它新兴行业的应用指出了一个潜在的方向，譬如智慧交通的新基建方面。

    智慧交通领域存在以下四个核心诉求[2]：

    （1）安全。在安全方面，在人工智能系统的协调控制下，人、车、路将会进行实时交互，交通事故概率将会显著降低；而且无人驾驶时代来临后，酒驾、路怒症、闯红灯、疲劳驾驶等问题将得到根本解决。

    （2）便捷。在便捷方面，现行交通系统缺乏系统性、协调性，不同交通方式未能发挥联动作用。以换乘为例，地铁站和公交站设置不合理，导致人们换乘需要付出较高的时间成本；而应用人工智能技术后，将通过对各类交通数据的整合与分析，对城市交通流量变化进行预测，帮助交通运输运营企业更好地设置公交及地铁站点，合理安排路线等，给人们的生产、生活带来诸多便利。

    （3）高效。智慧交通系统可以实施整体性优化，通过“智慧交通大脑”协调各方资源，帮助人们制订更为科学合理的出行方案，提高交通路网承载能力及交通运行效率。

    （4）以人为本。“以人为本、为民服务”是智慧交通创造价值的根本途径，满足人民日益增长的美好生活需要是建设中国特色社会主义的必然选择；而交通作为一个高频刚需需求，会对人们的生活水平与质量产生直接影响。在智慧交通系统中，人的需求将会得到充分尊重，系统会从城市整个交通生态角度上配置资源，以人为本，实现人、车、路之间的高度和谐。

    围绕智慧交通领域的上述四点核心诉求，秉持着行业应用以“生产效率”为核心的“降本增效”的底层产品逻辑，AR技术将有望通过更加高效便捷的人机交互方式，将智慧交通智能基础设施的路网全域感知信息，导入到智能驾仓，直接提升司乘人员的驾驶体验。

    在《碟中谍4》中，宝马i8概念车的车前挡风玻璃上的影像不仅可以显示导航信息，还能在肉眼未见前，超视距地显示出前方路面出现的行人和障碍物，而触控操作更是令人炫目（如Figure 2所示）。事实上，倒车可视、HUD、全景影像等都是AR技术在汽车领域的成熟应用。

Figure 2: 宝马i8概念车的ARHUD，车前挡风玻璃上可以现实导航信息

    可即便是《碟中谍4》中近似于科幻的ARHUD（基于增强现实技术的抬头现实设备），在我国正在大力发展的智能网联汽车面前仍然保守的像个小弟弟：因为智慧交通新型基础设施建设能提供路网的全域智能感知信息，这将使汽车操作的自动化程度、安全程度提升到一个崭新的高度。自动驾驶目前需要有三大基础设施：

    一是智能网联汽车，是指搭载了先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现车与车、车与路、车与人、车与云端（就是服务器）、智能信息的交换、共享，具备复杂环境的感知、智能决策、协同控制等功能，可实现安全、高效、舒适、节能行驶，并最终实现替代人来操作汽车的新一代汽车。

    二是要给智能网联汽车提供各种各样的信息，通过“5G+北斗”构建的车联网，来实现V2车路、车与周边环境协同，对智能网联汽车提供精准时空位置服务的一种泛在的信息网络，车联网是这样一种信息网络。

    三是自动驾驶高精地图。地图也是基础设施吗？是的，我们国家将来变成智慧的地球、智慧的区域管理等等都是要依赖地图的。对自动驾驶地图来说，高精地图含静态信息就跟现在的地图一样，如道路的形状和它的类型，可以控制弯道的车速，而进入高架桥下面或者隧道里面就会自动启用惯性导航系统来弥补北斗这个导航系统的不足。

    借助智慧交通新基建带来的路网全域智能感知信息，能极大满足智慧交通领域四个核心诉求中的“安全”、“便捷”、“高效”，唯独缺少了“以人为本”这个关键因素——因为如果路网全域智能感知信息只能在车载操作系统后台参与汽车自动驾驶的话，虽然默默无闻的提高了交通的运行效率，但用户是无感的。为了让用户能有效的感觉到智慧交通带来的便利体验，智慧交通新基建所提供的智能信息必须介入到人机交互的过程中，必须冲击到用户的“眼睛”和“耳朵”中去，这就需要一个有效的人机交互媒介——而ARHUD就是这样一种非常恰当的人机交互设备。从这个意义上来说，ARHUD可以有效助力智慧交通新基建。而在后续的产品原型概念设计中，则必须谨记“行业应用产品”和“消费领域产品”不同的底层产品逻辑，既能为厂商降本增效、又能顾及用户体验。在这个过程中，通过智能网联设施向智能汽车的ARHUD接入哪些信息对用户最有用、最有视听冲击效果？自动驾驶高精度地图以怎样的方式介入到用户的驾驶行为？这些都是有意义的课题。

微美全息科学院

    微美全息科学院成立于2020年8月，致力于全息AI视觉探索科技未知，以人类愿景为驱动力，开展基础科学和创新性技术研究。全息科学创新中心致力于全息AI视觉探索科技未知, 吸引、集聚、整合全球相关资源和优势力量，推进以科技创新为核心的全面创新，开展基础科学和创新性技术研究。微美全息科学院计划在以下范畴拓展对未来世界的科学研究：

    一、全息计算科学：脑机全息计算、量子全息计算、光电全息计算、中微子全息计算、生物全息计算、磁浮全息计算

    二、全息通信科学：脑机全息通信、量子全息通信、暗物质全息通信、真空全息通信、光电全息通信、磁浮全息通信

    三、微集成科学：脑机微集成、中微子微集成、生物微集成、光电微集成、量子微集成、磁浮微集成

    四、全息云科学：脑机全息云、量子全息云、光电全息云

    以下是微美全息科学院的部分科学家成员：

    郭松睿，湖南大学计算机科学技术工学博士，曾在中科院科学计算国家重点实验室合现实技术研修班 学习混合现实，增强现实技术，参与研发多个重点项目。

    江涛，中国科学院沈阳自动化研究所博士，机器人学国家重点实验室，研究方向为微型仿生飞行器的气动/结构设计、控制与系统开发，在2018年获得 ICRCA-2018 机器人 EI 国际会议"最佳论文奖"。

    杨军超，重庆邮电大学通信与信息工程学院信息与通信工程专业博士研究生，华盛顿大学电子工程学院联合培养博士，长期研究虚拟现实、5G多媒体传输优化、基于MEC的智能转码优化，以第一作者发表SCI/EI 论文 6 篇，中文核心 1 篇，申请专利 4 项。

    李维娜 ，2017 年博士毕业于韩国忠北国立大学的信息和通信工程学院。2017 年 8 月去了新加坡的 Singapore-MIT Alliance for research and technology centre(SMART)从事压缩全息（compressive digital holography）的博士后工作，2018 年 11 月进入清华大学深圳国际研究生院的先进制造学部，在以前工作的基础上把数字全息（digital holography）拓展到机器学习（machinelearning）领域，特别是对 U 型网络（U-net）的改进和应用。在上述研究领域以第一作者发表高水平论文 5 篇，以第二作者发表的高水平论文2 篇。

    曲晓峰，香港理工大学博士，现任清华大学深圳研究生院博士后，主要研究生物特征识别、机器视觉、模式识别，与绿米联创合作进行嵌入式产品算法、深度学习应用、图像与视频相关算法以及生物特征识别相关产品的开发。

    危昔均，香港理工大学康复治疗科学系博士，南方医科大学深圳医院虚拟现实康复实验室负责人，主要研究基于虚拟现实技术的康复系统搭建及相关临床和基础研究。

    单羽，昆士兰科技大学数字媒体研究中心（澳大利亚）博士，研究方向为虚拟现实娱乐产业与亚洲创意经济，曾参加多场虚拟现实产业的国际学术会议并发表主题演讲，发表多篇以“虚拟现实艺术”相关的学术论文，并参与国内多个虚拟现实娱乐产业领域的项目研究。

    刘超，新加坡南洋理工大学博士，是深圳市南山区领航人才，深圳市海外高层次人才孔雀计划C类, Molecular Physics 2011年度最佳年轻作者提名，主要研究方向为人工智能预测过渡金属氢化物金属氢键键长与解离能和环式加成反应中量子力学/分子力学反应机理研究，曾参与过流程模拟软件的开发与研究。

    张婷，美国西北大学博士后，香港大学博士，海外高层次人才孔雀计划C类，主要从事VR/MR关键技术研发应用和复杂服务系统优化等研究，发表全息专利5项。获全国＂挑战杯＂创业计划大赛 湖北省一等奖，华中科技大学一等奖。

    以上是微美全息科学院一小部分科学家成员，有意加盟微美全息科学院的国内外博士均可发邮件简历到：mark@wimiar.com。凡有志向做全息科学研究的任何个人或单位，亦可向此邮箱发表个人科学论文以获得科学研究资金资助。

    微美全息科学院旨在促进计算机科学和全息、量子计算等相关领域面向实际行业场景和未来世界的前沿研究。建立产研合作平台，促进重大科技创新应用，打造产业、研究中心深度融合的生态圈。微美全息科学院秉承“让有人的地方就有科技”为使命，专注未来世界的全息科学研究，为全球人类科技进步添砖加瓦。