图/VR游戏
转载自信达证券
内容摘要
投资建议：我们认为随着5G持续推进，VR游戏的交互与硬件限制有望得到解放，具备主机游戏研发能力和优质IP储备的公司有望受益，建议重点关注完美世界、三七互娱、游族网络、宝通科技等。
风险因素：疫情影响5G应用进程，VR技术突破没有进展，游戏行业监管政策变严。
一、VR技术四大特征解
（一）VR技术四大特征解读
2、显示：光学元件决定了VR头显的显示效果
时延是VR头显使用过程中晕眩感来源之一。对于高质量的VR体验而言，最重要的是用户头部物理移动与头盔上实时刷新图像到达用户眼睛之间的延迟时间。人类的感官系统在一定范围内能感知到视觉和听觉中相对较小的延迟，但是当绝对延迟控制大约 20ms 以内的时候，这些延迟几乎就不可察觉了，且时延越小的产品使用者使用时越不容易产生晕眩感。
显示时延是VR设备时延的最主要成分，延时占比达 69%。以Oculus Rift为例， Oculus Rift总延时为19.3ms，其中屏幕显示延13.3ms 为，计算延时为3ms，传输延时为2ms，传感器延时为1ms。屏幕显示延时占比达69%。
显示时延由帧间时延与帧内时延决定。帧间时延反应了屏幕本身刷新速率的高低，屏幕刷新率越高帧间时延越低。帧内时延实际上就是响应时间，反映了屏幕液晶分子变换颜色所需的时间，响应时间越低帧内时延越低。因此想要降低显示时延需要从提高刷新率与降低响应速度入手。
视角场（FOV）是头显设备显示效果的另一核心指标，影响用户沉浸程度。视场角在VR中代表了人眼所能看到的范围。人类视觉是由两部分视场组成的：单目 FOV以及双目 FOV。单目FOV指的是单眼的视场。正常来说，单眼视场的水平角度介于170°-175°之间。双目视场是两个单目视场的组合。组合时，可视角度通常为200°-220°。两个单目视场重叠立体部分即为双目视场，约114°，在这个视角内我们可以看到3D物体。不管在虚拟世界还是现实世界，人类对虚拟景象的获取都是通过立体双目视场来进行的，更大的视场角能够满足用户观看到更多细节，产生更加深度的沉浸感。
提高FOV的思路主要有缩短人眼与透镜之间的距离和采取直径较大的透镜两个方向。缩短与透镜间的距离，由于透镜与眼睛的距离过近，会导致放大倍率过高，屏幕的纱窗效应严重。而采取直径较大的透镜增加视场的方案，也会引发问题的出现。大透镜的中间比较厚，导致镜片重量随之增加，虽然重量问题可以通过普通菲涅尔透镜解决，但更大直径的透镜镜片，会带来光伪影等像差的问题。
Oculus用混合型菲涅尔透镜提高FOV、减轻透镜重量的同时降低了光学伪影，菲涅尔透镜将成为解决FOV提高问题的关键技术手段。普通菲涅尔透镜非常适合减轻大透镜的重量。它们能够提供大光圈和短焦距，为透镜带来与传统透镜设计相当的功率，重量可以更轻。但对于传统的菲涅尔透镜而言，与菲涅尔结构相关的衍射和其他伪影限制了它们在成像应用中的使用。Oculus研发了新的混合型菲涅尔透镜在增大透镜，提高FOV的同时并没有增加太厚的重量，并降低了光学伪影。该技术已用于Oculus Rift产品。菲涅尔透镜的技术水平会随着研发投入不断提升，Wearality正研发原来四分之一厚度、更轻薄、FOV150°的菲涅尔透镜。
可变焦技术将成为VR头显下一阶段的发展方向。辐辏调节冲突是引起晕眩感的一大因素，它是由于双目视差在产生 3D效果的同时，双目辐辏调节与视觉屈光不匹配，头显难以如实反映类似真实世界中观看远近物体时焦距与福辏的对应变化而产生，针对这一问题Oculus研发出可变焦技术原型机Half Demo，该原型机通过机械装置前后移动屏幕改变物距及光学系统焦平面位置，使人眼在VR中观察效果与现实中观察效果一致，解决了辐辏调节冲突问题从而减轻了晕眩感。这项能有效提高用户体验的方案将是下一阶段的发展方向。
3、感知交互：虚拟移动+6DOF手柄交互增强VR游戏体验，眼球追踪成为焦点
VR游戏的沉浸感需要VR设备有准确的感知交互能力相配合。用户在VR环境中移动时处理器需要迅速进行复杂的运算，将精确的动态运动特征传回，从而产生强大的临场感、真实感。但要实现该类应用，首先要让设备感知使用者在虚拟空间中所处的位置，包括距离和角度等。同时手部动作的准确把握在VR游戏体验中有重大意义，通过抓取手部动作，可以增强用户在游戏中的互动体验。
VR设备已完成身体动作感知交互3DOF向6DOF的升级。所谓6DOF就是指物体可以在X/Y/Z轴进行位移和转动，3轴位移加上3轴转动，合起来就是6自由度移动，6DOF基本上代表了三维空间里物品的全部移动方向。在VR产品中，与6DOF对应的还有3DOF，也就是指产品只能3轴转动，而不能3轴位移。简单来说6DOF VR头显设备代表了其不仅能感知使用者头部的上下左右旋转，并反应到显示器中画面的变化，其同时能感知人身体在空间中的移动，这对于VR游戏的应用有较大意义。目前主流VR头显在用户身体动作识别方面都已经做到了6DOF。
眼球追踪技术优势体现在三大方面：
（1）计算方面-基于眼球追踪的注视点渲染技术降低计算门槛。高清的画质是VR体验的基础，目前的渲染方式对硬件要求高、功耗大。通过眼球追踪技术判断人眼注视点，就可以在画面渲染过程中仅全幅渲染注视点位置区域（局部渲染），这样既保证了看到的画面足够清晰，又大幅度降低了渲染过程中GPU负荷，从而降低VR设备对硬件的要求。
（2）显示方面-眼球追踪能更好的解决畸变和色散问题。目前的VR设备，在硬件方面对于畸变和色散的修正并不完善，大部分是基于图形算法层面进行补偿，这只是一定程度的减少了畸变和色差。由于人的瞳距不同，佩戴方式不同，注视点不同，都会导致人的瞳孔偏离出瞳位置，造成实时观看中畸变形状不同，影响用户体验。通过眼球追踪技术获得人眼的注视点，人眼和镜片的相对位置，能够实时矫正。
（3）交互方面-眼控交互让VR更人性，游戏体验更舒适。现实生活中，人们优先以眼球转动来锁定注视目标；而在目前的VR中，由于眼球追踪技术的缺失，采用基于陀螺仪的头动感知方式来锁定目标，动头才能进行操作，这种方式容易增加用户不自然的头动，还使目标锁定的过程变长，既不自然、效率也较低。头动仅控制视野，眼动锁定目标，才是VR UI交互中的最佳选择。这既符合人性，也比传统操作方式的效率更高。比如当盯着某个应用或是物体进行凝视的时候，界面便开始变化，应用图标的二级界面即会自动打开，界面自动下滑等。将交互功能应用到VR游戏中就可以做到眼神调用菜单，眼神瞄准射击，眼神聚焦选择等等从根本上改变VR游戏体验的应用。
4、芯片：一体机发展方向下处理器性能限制VR游戏体验
追求性能之后目前VR设备的发展方向趋于小型轻量化，VR一体机是目前小型轻量化的选择。PC端VR头盔对于使用者而言，因为画面渲染需要在PC完成，需要连接线和外接设备，活动区域受限制，这极大程度上影响了用户体验。VR一体机是目前小型轻量化的选择，其摆脱了依附在其他计算终端上的限制，本地运行时依赖内置处理器渲染，同时其能无线传输数据，在5G时代接入5G网络后应用场景更加广泛。根据IDC数据，2018年国内VR一体机市场呈飞速增长态势，增幅达到123.6%。VR市场由44.1％的PCVR头显，26.6％的VR一体机和29.3％的无屏幕设备组成，预计2019年VR一体机市场占有率将提高11.6%。2023年VR一体机将占据市场出货量的59%。根据BaDoinkVR的数据，2019年VR一体机消费者数量逐渐增加，该类型的占比已有60%。
VR游戏对处理芯片渲染能力要求远超桌面游戏。首先相比主流游戏画面渲染与电影制作渲染的负载要求，目前部分沉浸体验级渲染负载分别提高7倍与2倍，相当于4K超高清电视每秒像素吞吐量。其次为了获得及时反馈即时反馈，传统视频游戏用户交互延迟需低于150ms，而虚拟现实时延要求需要低于20ms，为了达到时延要求VR游戏画面帧率需要达到90FPS，而传统桌面游戏画面达到60FPS后人眼画面上就不会感觉有延迟。90FPS帧率要求意味着芯片每秒渲染能力在VR游戏中相比传统游戏至少需要提升50%。高画面清晰度与高帧率要求使得VR游戏对芯片处理能力要求较高。
19年VR发布或上市的一体机旗舰级产品主要采用高通骁龙835芯片方案，技术水平落后同期手机芯片。根据VR陀螺的数据，我们统计了19年发布的VR一体机产品的价格区间与芯片方案。可以发现，旗舰级VR产品（价格2000元左右）采用的芯片方案主要为高通骁龙835，占总VR一体机产品发布量比例为41.7%，头部企业HTC与Oculus发布的一体机产品均采用的是该芯片。国产低端产品（1000元左右）主要采用全志VR9国产芯片方案。有部分旗舰产品采用的是三星Exynos芯片。2019年5月21日Oculus Quest VR一体机设备发售，其采用的是高通骁龙835芯片，同期上市的小米9手机采用的是高通骁龙855方案，Oculus Quest落后两代。
高通骁龙835芯片性能相比于桌面级CPU与GPU仍有较大差距。以Oculus Rift为例，Oculus提供的最低设备要求GPU为NVIDIA GTX970，CPU为Intel I5-4590。高通骁龙835是一颗整合了CPU与GPU的SOC。我们通过对比这两方面与Oculus Rift最低要求硬件设备的GPU图形单精度浮点性能数据与CPU GeekbBench4的跑分可以发现高通骁龙835在性能方面远弱于GTX970与I5-4590，这导致《Robo Recall》这款游戏在Oculus Quest上的画面清晰度流畅度弱于Oculus Rift。
无法采用桌面级硬件且移动级芯片性能孱弱，目前VR一体机的游戏体验较差。VR一体机由于体积需要小巧以便携，续航长以满足日常外出携带使用，因此无法采用耗能大、产热量高、体积大的桌面级CPU与GPU，完全依赖移动端芯片进行本地渲染难以支持VR游戏极高的性能需求。
（二）5G加速落地推动云计算发展，VR游戏交互与硬件限制有望得到解放
5G相比于4G拥有大带宽、低时延等契合VR发展需要的重要特性。与传统的通信技术相比，5G 并非传统的单一性的通信技术，其是在传统通信技术的前提下，将多种通信技术有机融合在一起的综合性的新技术，具有速度快、流量密度大、时延短、能效高、支持海量大连接、增强移动带宽等诸多优势。而正由于 5G 与 4G 的巨大差异，以及其显著的优势，5G 技术的发展将带动VR行业的发展。
高质量VR视频内容对带宽速率要求极高。VR头显的视场角一般是110°左右，全景视频是一个360°的球体，相当于VR头显视场角的3倍多。VR头显屏幕分辨率一般为2K或4K，因此全景视频的最佳分辨率也是其3倍多，即8K或12K。只有达到这样的分辨率才能有优秀的观影体验，然而这样的分辨率对于宽带速率要求是极高的。除此以外，传统视频刷新率多为25Hz/30Hz/60Hz,VR设备为了降低时延，刷新率需要提高到90Hz，对应码率大大增高。根据Lighterra的数据常用H.264编码格式，1k分辨率，25FPS下，视频整体码率约为2.64Mbps，对应90Hz下1k视频码率约为10Mbps。进而可以计算出H.264编码格式，90Hz下，8k的码率需达到152Mbps。
5G大带宽特性使用户能在各种环境流畅观看高分辨率全景视频、VR直播等VR内容。根据中国宽带联盟数据，2019年第三季度，中国平均固定宽带平均可用下载速率为37.69Mbit/s，很多用户无法流畅在线观看高质量的VR视频内容，以目前的平均宽带速率只能观看2k分辨率的普通视频。根据Visibit数据，VR内容质量逐渐上升情况下，宽带网速发展会逐渐落后。而在4G网络下，网速平均只有24.02 Mbit/s ，VR设备更是无法流畅浏览高质量全景视频。这同时限制了VR一体机外出携带时的应用场景。5G在用户体验上就能达到1024Mbp/s，完全可满足视频需求，且能进一步满足未来VR高质量视频的带宽要求。5G技术的进一步落地，将推动VR内容完成从传统视频，到全景视频，在线游戏，体育赛事直播等的多样化覆盖过程。
5G低时延特性使交互型VR网游体验更为顺畅，可以有效降低4G环境下的延迟。目前的旗舰级VR设备时延水平普遍在20ms以内，但普遍非常接近这个易产生晕眩感的延迟水平。如前文的Oculus Rift时延在19.3ms，而索尼推出的PSVR时延水平在18ms。而目前的4G的理论空口时延即达到了10ms，平均用户使用时延在40ms，如果采用4G进行VR网游，整体时延将超过60ms，这使得玩家极易产生晕眩感。19年MWC上诺基亚公司的展位设有一个配有摄像头的桌子，玩家们在一个虚拟的空间进行乒乓球对战，球和球桌都是虚拟的，这些摄像头可以追踪玩家的动作，并确定他们是否接住了球，这样戴了VR头显的玩家们就可以在虚拟空间中和对手一起打球了。4G环境下由于延迟存在，玩家多次接不到球，网络切换到了3.4到3.8GHz频段的5G网络后玩家可以顺利进行回击。
5G能使VR设备摆脱有线传输线缆的束缚。目前的PCVR与主机式VR都需要长线缆与主机相连，当传感器检测到手部或身体移动后，会将信息利用线缆传输给PC或主机的处理器进行渲染，主机再通过线缆将渲染结果传输至主机。由于5G的低时延与大带宽特性在性能方面并不弱于线缆，采用5G技术后，PCVR或主机VR可以摆脱线缆的束缚，提升使用体验与使用者空间移动范围。
5G+云游戏技术使“小马拉大车”成为可能，降低硬件成本的同时提高用户体验。芯片部分已经分析了VR游戏渲染量相比传统游戏与传统视频渲染量大的多，而VR一体机有续航和散热两方面的考量，因此其只能采用移动端芯片，芯片性能较弱，这导致VR一体机渲染存在“小马拉大车，既要马儿吃的少，又要马儿跑的快”的问题。虽然可以通过堆叠算力来提高VR一体机渲染质量，但这将会增加VR设备的硬件成本，反而拖累VR技术的发展。而5G+云游戏技术的应用将会使弱性能处理器渲染出高质量画面成为可能。其原理在于5G可以将3D图形运算放到云端，也就是云游戏的技术路线。这样就可以利用云端强劲的PC级CPU和GPU来进行3D图形运算，再以视频流的形式传回本地的VR/AR设备上，让移动芯片的VR/AR设备也能显示出最顶级的画质。同时由于机体本身不参与渲染，可以选择性能较弱的芯片，降低成本的同时提高续航，也能减少不必要的其他散热模块，降低机体整体质量，使得VR一体机更便携。
VR云游戏只有在5G时代才能开花结果。VR的云游戏实际上是将渲染放至云端进行，最大的挑战在于网络时延。如果采用了云游戏的技术方案，那么网络时延就变成了运动到成像时延的一部分，网络时延会增加整体的运动到成像时延。目前基于家庭宽带的情况，云游戏的时延约在150毫秒左右。比如，Google的云游戏服务Stadia，经Digital Foundry初步测试，目前的网络状况时延在166毫秒。如果把这样的技术方案使用到VR上来，那一定会让用户因为时延感到强烈晕眩。而5G的低时延特性在此时就能发挥作用，其1ms延迟使得5G的VR云游戏方案就能够达到合格的用户体验需求。通过时延拆分可以看到VR一体机本地渲染与传输时间分别是3ms与2ms。采用5G+元游戏的技术方案，上下传输时间整体为2ms，而云计算采用的是高性能CPU与GPU渲染时间应短于移动机芯片的本地渲染时间。因此5G条件下，相同画面质量，云计算方案传输与渲染整体时延会低于目前的VR一体机。随着5G建设迅速展开,VR云游戏将会凭借较低的硬件成本，更好的画面质量脱颖而出。
三大运营商2020年5G投资额达1803亿元，共同发力5G+VR建设。根据中国电信财报，2020年公司资本支出850亿元，其中5G支出占53.3%，为453亿元。中国联通表示5G相关投资为350亿元，发布“1+2+N”5G XR战略，并宣布成立5G XR生态联盟，同时举办了一系列5G 同频共振活动，宣布与3Glasses、Nreal、纳德光学等在硬件、内容、服务等多方面进行合作。中国移动表示5G相关投资为1000亿元，并发布2020年VR相关战略，2020年VR业务重点面向中国移动5G用户及千兆家宽用户推出，并且计划发展中国移动VR业务用户规模500万，其中VR头显终端用户不低于100万。同时，中国移动一份内部文件也展示出其将在2020年目标发展500万VR用户，VR头显不低于100万的目标。
二、VR市场发展现状
（一）VR产业演进过程
VR的概念最早源自1935年一位美国作家在小说中描述的虚拟现实功能眼镜。1956年第一台VR设备Sensorama问世，1968年萨瑟兰德设计第一款头戴式显示器。1989年，杰伦·拉尼尔正式提出虚拟现实（Virtual Reality）这个概念，随后第二年托马斯·考德尔提出增强现实（Augmented Reality）的概念。之后，1995-2015年，最老式的一批VR设备开始问世，任天堂、谷歌、Oculus、索尼、HTC先后发布了自己的VR硬件设备。2016年是VR产业发展元年，MR代表产品HoloLens和Oculus Rift问世，并且国内外大型互联网科技企业如Facebook、三星、索尼、谷歌、微软、HTC、苹果、高通、华为、腾讯、小米等纷纷布局。2017年苹果发布基于AR技术的iPhone X，2020年3月24日首款完全基于VR体验研发打造的3A游戏大作《半衰期：Alyx》正式发售，爆款游戏有望带动VR硬件设备的起飞。
美欧、日韩等发达国家早在这个世纪初就开始推出各种政策支持鼓励虚拟现实产业的发展。早在2000年，美国能源部就制定了《长期核技术研发规划》，明确提出重点开发、应用和验证虚拟现实技术。早期的主要应用方向为国防、信息技术和航空等高端制造，如欧盟在2014年提出的“地平线2020计划”列出信息与通信技术领域的37个资助项目，其中有4个项目涉及智能人机交互，涉及虚拟现实的项目资助金额达数千万欧元。2017年美国开始探索虚拟现实在心理疾病和中小学教育领域的应用。2016年韩国政府计划未来5年内投资4050亿韩元（约合2.4亿元人民币）专项基金，用于培育虚拟现实产业，计划在游戏体验、主题公园、影院立体放映、教育流通、娱乐等领域支持有潜力的企业开发虚拟现实服务与产品，运营400亿韩元规模的虚拟现实专门基金，在首尔麻浦区上岩洞周围打造虚拟现实产业区，持续举办“韩国虚拟现实节”等活动。