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[導(dǎo)讀]如果你還是分不清AR與VR,那你真的out了。這兩項(xiàng)技術(shù)將左右人類生活的未來。 (一)Magic Leap和HoloLens是什么?Magic Leap和HoloLens都是Augmented Reality (AR)眼鏡的代表,有一個(gè)相關(guān)的概念也很火爆:Virtual Reali

如果你還是分不清AR與VR,那你真的out了。這兩項(xiàng)技術(shù)將左右人類生活的未來。

 (一)Magic Leap和HoloLens是什么?

Magic Leap和HoloLens都是Augmented Reality (AR)眼鏡的代表,有一個(gè)相關(guān)的概念也很火爆:Virtual Reality (VR)。

1、AR 和VR眼鏡的區(qū)別是什么?

AR眼鏡是透明的,讓你能同時(shí)看到現(xiàn)實(shí)世界,和疊加在上面的虛擬成像。應(yīng)用例子:趕不上Lady Gaga的演唱會(huì)?沒關(guān)系,戴上眼鏡她就在你家里開一個(gè)。代表產(chǎn)品原型:Magic Leap和微軟的HoloLens。

VR眼鏡是不透明的,只顯示虛擬世界,把物理世界完全擋住。應(yīng)用例子:坐在家里也能去大溪地“潛水”。代表產(chǎn)品/原型:三星的Gear VR,谷歌的Cardboard VR,和臉書的Oculus Rift。

2、Magic Leap和Microsoft為什么要做透明AR眼鏡?

總的來說,這是計(jì)算機(jī)的必然發(fā)展趨勢。2007年蘋果推出iPhone以來,手機(jī)發(fā)展太迅猛,用戶隨時(shí)隨地帶著它,各項(xiàng)使用數(shù)據(jù)毫無懸念地都在超越PC 端。所以,人機(jī)交互界面的未來主要在于移動(dòng)。但現(xiàn)在的手機(jī)局限在于,(1)既然要便于攜帶屏幕就做得小,屏幕小了某些功能就得受限;(2)顯示屏幕是平面 也就是二維(2D)的,而真實(shí)世界是三維(3D)的。

未來的透明AR眼鏡有望實(shí)現(xiàn)大突破,就是既能讓用戶隨身攜帶,又能 在她眼前顯示超大屏幕,還能把以假亂真的3D內(nèi)容渲染到她看到的真實(shí)世界里(想象你坐在教室里聽課,你的老師看起來真實(shí)無比,但其實(shí)就是在你的眼鏡上虛擬 出來的)。這樣的眼鏡大概不會(huì)完全取代手機(jī),但毫無疑問潛力無窮。

跟VR比較,AR的應(yīng)用場景也更廣闊(你總不能帶著VR頭盔大街上走吧)。本質(zhì)上,AR是VR的超集,鏡片前面一擋就成了VR(前提是視角能做到差不多大)。

3、但是戴眼鏡好麻煩,為什么不直接像《星球大戰(zhàn)》一樣在空氣中顯示全息圖(Hologram)?

 


Image credit: ibtimes

 

Holography是人類的美好愿景,有一天也許能做成,但近期看離實(shí)用還早。現(xiàn)在有一些大學(xué)實(shí)驗(yàn)室在研究裸眼光場顯示器(light field display),但需要很復(fù)雜笨重昂貴的設(shè)備,還只能在安裝了的地方用。相對(duì)而言,眼鏡的可行性要大得多。如果能做成輕便的AR眼鏡,將是移動(dòng)人機(jī)交互 界面上也是計(jì)算機(jī)發(fā)展的重大革新。

Image credit: kym-cdn

4、在VR頭盔上加個(gè)前視攝像頭不也就成AR了嗎?為什么非要透明的?

好問題。說起來AR有兩種,一種是前面所說的透明AR(optical see-through)——現(xiàn)實(shí)世界是透過鏡片直接看到的。另一種就是“視頻疊加”(video see-through或者video overlay)——現(xiàn)實(shí)世界是通過攝像頭捕捉,然后以視頻的方式呈現(xiàn)給用戶(在上面再渲染一些東西)。事實(shí)上,現(xiàn)在手機(jī)和平板上已經(jīng)出現(xiàn)了很多 video overlay的應(yīng)用,比如看星空,求翻譯,選家具等。

Image credit: rafaelgrossmann and thetecholic

那為什么不用VR頭盔加攝像頭實(shí)現(xiàn)這種AR呢?當(dāng)然可以,現(xiàn)在很多VR頭盔都在試探這種做法。它和透明AR相比各有優(yōu)劣,比如優(yōu)勢在于用視頻實(shí)現(xiàn)的虛擬和現(xiàn)實(shí)的疊加(overlay)要比透明AR簡單得多,這也是為什么它已經(jīng)開始在移動(dòng)端商用的原因。

但劣勢也可想而知,用戶看到的畢竟只是一個(gè)2D視頻,質(zhì)量跟眼睛直接看到的世界還是差很大的。而且視頻從采集到顯示總歸是有延遲的,如果跟體感信號(hào)不一 致的話會(huì)造成身體不適。所以不管怎樣都還是會(huì)有公司前仆后繼地去做透明AR的,Magic Leap和Microsoft HoloLens就是例子。

5、Magic Leap為什么那么牛能融到500+M?(最近的Series C在融800+M)

前面說的應(yīng)用潛力無窮肯定是助力,同時(shí)還有技術(shù),創(chuàng)始人,團(tuán)隊(duì)的原因。

 


Image credit: [1]

 

Magic Leap的核心技術(shù)是來自華盛頓大學(xué)前研究員Brian Schowengerdt的,他導(dǎo)師Eric Seibel是光纖掃描內(nèi)窺鏡(Scanning Fiber Endoscope)的專家。大家都知道內(nèi)窺鏡就是醫(yī)生們做手術(shù)時(shí)用來體內(nèi)成像的,本質(zhì)是個(gè)微小攝像頭。Brian呢很聰明地逆轉(zhuǎn)光路把這個(gè)技術(shù)用到了顯 示上,這樣通過極細(xì)的光纖用激光就可以打出彩色的圖像(如左圖所示)。這個(gè)技術(shù)十幾年前就發(fā)表了[2],后來又不斷改進(jìn),生成了一堆專利。Magic Leap很大程度上是基于Brian的這些專利。(可惜這么重要的技術(shù)骨干既沒有成為創(chuàng)始人,也沒有被列為“核心人員”,不過這是題外話了。)

那這種技術(shù)為什么重要呢?我們后面留成一個(gè)專門的問題講。

然而光有技術(shù)牛是不夠的,AR眼鏡這種東西,要想做好可想而知是需要投入巨大的人力物力的,軟件硬件都得有重大突破。蘋果、微軟、谷歌這樣的公司可能有 財(cái)力去做這個(gè)事,為什么會(huì)相信一個(gè)初創(chuàng)小企業(yè)能做成?我覺得猶太人創(chuàng)始人Rony Abovitz起的作用很大。Rony之前是MAKO Surgical的聯(lián)合創(chuàng)始人。這家公司知道的人不多,但他們做的東西說出來就嚇人了——人是做機(jī)器人手術(shù)(robotic surgery)的,主要是骨科手術(shù)精準(zhǔn)定位。聽起來科幻吧超前吧,可是人2004年創(chuàng)建,2008年就上市了,2013年以16.5億美元賣給了 Stryker Medical。這種track record他拉不到投資誰能拉到。

除了創(chuàng)始人兼CEO,團(tuán)隊(duì)也不是 蓋的,計(jì)算機(jī)視覺部分拉到了Gary Bradski和Jean-Yves Bouguet這樣的大牛。合作的Weta Workshop是在好萊塢給電影做特效的,《指環(huán)王》就是他們做的。所以Magic Leap當(dāng)年用來拉投資用的概念視頻就像一個(gè)微型電影一樣。

6、現(xiàn)在該回到前面的問題了,為什么Magic Leap的光場顯示技術(shù)很重要?

首先,它是基于極細(xì)的光纖的,可以讓眼鏡做得輕薄。但更重要的是因?yàn)锽rian證明了用這種技術(shù)不僅可以投射出一個(gè)2D圖片(上圖),還能顯示出一個(gè)光場(Light Field)。

現(xiàn)代的近眼眼鏡為了實(shí)現(xiàn)3D有兩種主要的技術(shù):Stereoscopic(中文翻譯成“立體”,但其實(shí)不夠準(zhǔn)確),和Light Field(光場)。Stereoscopic眼鏡早已商化(比如所有3D影院里用的,還有市面上幾乎所有AR和VR眼鏡/原型——包括 Microsoft HoloLens,Epson Moverio,Lumus DK-40, Facebook Oculus——都是Stereoscopic)。而Light Field還只在實(shí)驗(yàn)室里有雛形(Magic Leap大概是做得最好的一個(gè))。什么是Stereoscopic 3D呢?為什么它不夠好還要做Light Field呢?什么又是Light Field呢?

Stereoscopic 3D是假3D

3D圖像比2D 圖片多了一個(gè)維度,這個(gè)維度就是景深(depth),看過3D電影和2D電影的同學(xué)知道感官上有明顯的區(qū)別(只有少數(shù)人有雙盲癥不能看到)。大家知道人眼 感知景深有很多機(jī)制,包括單眼(monocular)和雙眼(binocular)的。單眼能感知的景深信號(hào)很多,比如:一個(gè)東西遮擋了另一個(gè) (occlusion),熟悉的物體的大小(relative size/height),物體移動(dòng)的變化(遠(yuǎn)的物體變化慢近的物體變化快,即motion parallax)。在此基礎(chǔ)上,雙眼的景深信號(hào)也非常強(qiáng)烈(所以遠(yuǎn)古的我們能更好地判斷對(duì)面的老虎或者鹿到底離多遠(yuǎn))。兩只眼睛看到同一個(gè)場景會(huì)有細(xì)微 差別,這讓大腦能通過三角計(jì)算(triangulation)來得到物體景深。

Stereoscopic 3D就是利用這個(gè)原理給雙眼分別顯示不同的圖片(如下圖),它們很相似,只在水平方向上有細(xì)微差別。而這兩張圖片拍攝的時(shí)候,就是用兩個(gè)并排的相機(jī)模擬人眼的位置拍的,現(xiàn)在的3D電影都是基于這個(gè)原理。

 


Image credit: lightfield-forum

 

但這樣的Stereoscopic 3D有什么問題呢?簡單講它會(huì)引起用戶身體不適如頭暈、惡心等。為什么呢?這又涉及到人眼的一個(gè)有意思的機(jī)制。當(dāng)我們?cè)诳匆粋€(gè)現(xiàn)實(shí)世界中的物體時(shí),眼睛其實(shí)有兩種自然反應(yīng):

(1)聚焦(Accommodation/Focus)。眼睛的晶狀體就像一個(gè)凸透鏡,它會(huì)調(diào)節(jié)凸度來讓那個(gè)物體在咱們視網(wǎng)膜上清楚成像。


Image credit: eyetec

(2) “會(huì)聚”(Convergence)。在每只眼睛聚焦的同時(shí),兩只眼球還會(huì)有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來一起指向那個(gè)物體。


Image credit: sinauer

很自然地,這兩種反射運(yùn)動(dòng)在神經(jīng)上是聯(lián)接的(neurally coupled),也就是說任意一種運(yùn)動(dòng)會(huì)自動(dòng)引發(fā)另一種運(yùn)動(dòng)。這也意味著,在人眼看真實(shí)物體的時(shí)候,聚焦和會(huì)聚的距離總是相等的(vergence distance = accommodation distance,參見下圖A)。

那么Stereoscopic 3D的問題就來了。因?yàn)镾tereoscopic的投射距離總是固定的(也就是accommodation distance不變),而圖片的disparity會(huì)讓眼睛會(huì)聚在不同的距離(vergence distance)以產(chǎn)生景深3D效果(見下圖B)。所以,這兩種距離經(jīng)常是不一致的(vergence distance ≠ accommodation distance),會(huì)造成這兩種神經(jīng)相連的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)行分離(neurally decoupled)。

從另一個(gè)角度講,在自然世界里,當(dāng)人眼聚焦并會(huì)聚到一個(gè)物體時(shí),別的距離的物體應(yīng)該都是模糊的(下圖C)。而在Stereoscopic 3D里,不管人眼聚焦到哪兒,別的距離的物體成像都是清楚的(下圖D)。

這些都不符合自然界人眼的規(guī)律,因此大腦會(huì)產(chǎn)生混亂,長時(shí)間就會(huì)引起惡心暈眩等癥狀[4]。所以Stereoscopic其實(shí)是用了一個(gè)小伎倆讓人能看到3D效果,但它并不是真3D。

 


Image credit: arvojournals [4]

 

光場(light field)是真3D

光場顯示跟Stereoscopic 3D比的一個(gè)很大不同就是它有本事能讓人眼聚焦到不同的距離,從而和會(huì)聚的距離保持一致。這是最符合人眼觀察自然世界規(guī)律的做法,因此被稱為true-3D。

可以想象要實(shí)現(xiàn)這樣的光場顯示,并不是那么簡單。現(xiàn)在主要是兩種方法:空間復(fù)用(space multiplexing)和時(shí)間復(fù)用(time multiplexing)。“空間復(fù)用”簡單說就是把一個(gè)像素當(dāng)幾塊用來實(shí)現(xiàn)不同的聚焦距離。Nvidia在SIGGRAPH上展示的那個(gè)原型就屬于這 種。這個(gè)方法最大的問題就是分辨率大打折扣。我曾經(jīng)試戴過,基本就是霧里看花。

“時(shí)間復(fù)用”呢,就是用高速原件來快速產(chǎn) 生不同的聚焦距離,讓人眼以為它們是同時(shí)產(chǎn)生的。這樣的好處就是分辨率不損失。大家知道人眼的速度感知是有限的,很多顯示器都是60Hz的,因?yàn)槿搜勰芊? 辨的極限值一般就是60Hz(在某些高速內(nèi)容比如游戲里可能達(dá)到90-120Hz)。這意味著什么呢,如果利用高速顯示360Hz,就可以實(shí)現(xiàn)6個(gè)不同的 聚焦距離。而有研究表明用6個(gè)聚焦距離加上一種線性混合(linear blending)的渲染算法就基本能實(shí)現(xiàn)從約30厘米到無窮遠(yuǎn)讓人眼自然對(duì)焦[5]。

Magic Leap的技術(shù)是哪種呢?它最近demo用的哪種技術(shù)沒有公開,但很有可能還是基于Brian的高速激光光纖掃描(scanning fiber)技術(shù),也是一種時(shí)間復(fù)用的辦法。Brian當(dāng)年先試過只用一根光纖掃描不同聚焦距離,這樣做明顯對(duì)速度要求太高,后來用一個(gè)光纖束 (fiber bundle/array),比如16根,每個(gè)光纖有一點(diǎn)位置差,然后同時(shí)掃描得到不同聚焦距離。

這樣的光場受現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的局限肯定不可能是連續(xù)的,都是被采樣的(downsampled)。但是,即使是這樣的光場投射到眼睛里也在理論上是跟真實(shí)世界物體光線 進(jìn)入眼睛是一個(gè)道理,因此可以實(shí)現(xiàn)true-3D?;氐阶畛醯膯栴},這也是為什么Magic Leap的技術(shù)重要的原因?,F(xiàn)在你也理解了為什么Rony說“HoloLens會(huì)讓人惡心”了吧?

(二)透明AR眼鏡面臨哪些挑戰(zhàn)

Botao同學(xué)談到了一些重要挑戰(zhàn),比如3D感知和定位,手勢識(shí)別,眼動(dòng)跟蹤,計(jì)算量,電池的問題等,我再補(bǔ)充幾個(gè)。

1、顯示

首先能實(shí)現(xiàn)近眼光場顯示就很難,現(xiàn)在的公司除了Magic Leap還都是用古老的Stereoscopic 3D的方法,用戶戴長了就會(huì)眼困頭暈惡心。而Magic Leap所用的近眼顯示技術(shù)理論上成立,現(xiàn)實(shí)中也還有很多問題要解決。比如:

系統(tǒng)大?。?Magic Leap現(xiàn)在還沒有公開過它的原型照片,據(jù)報(bào)道都還是像一個(gè)冰箱一樣大的,離可穿戴還有很長的路要走。

光場采樣:既然是采樣就一定有損失,比如對(duì)比度清晰度上,如何才能最優(yōu)采樣?

聚焦和會(huì)聚(Accommodation-vergence matching):即便聚焦距離對(duì)了,也要保證會(huì)聚距離始終與其保持一致。Magic Leap現(xiàn)在的demo視頻還只是從單眼攝制的,還沒有證據(jù)表明他們很好地解決了雙眼問題。

室外顯示:現(xiàn)在大家的demo都是室內(nèi)的。當(dāng)用戶在室外時(shí),太陽光強(qiáng)度比顯示光高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。至少鏡片需要有自動(dòng)調(diào)光的技術(shù)。

捕捉內(nèi)容:雖然現(xiàn)在可以用計(jì)算機(jī)圖形來做demo,但以后的應(yīng)用一定會(huì)需要相機(jī)采集的內(nèi)容,而光場的拍攝本身還有很多問題要解決。

散熱:是一個(gè)容易被忽視的問題。當(dāng)年Google Glass出來的時(shí)候有人說用著用著臉就像要燒起來了?,F(xiàn)在還沒有證據(jù)表明HoloLens和Magic Leap的眼鏡能長時(shí)間保持涼爽。

2、鏡片


Image credit: androidautority

近眼顯示有兩個(gè)關(guān)鍵部件:顯示器和鏡片?,F(xiàn)在大部分的AR眼鏡鏡片都是基于分光鏡(beamsplitter prism)的,比如Google Glass,HoloLens,Epson Moverio。如圖左,簡單的分光鏡就是45度角,把顯示器產(chǎn)生的光從眼鏡框反射進(jìn)人眼,也同時(shí)讓現(xiàn)實(shí)世界的光透進(jìn)來。這樣做簡單便宜,但是鏡片厚。一 個(gè)以色列公司Lumus做出了一個(gè)光導(dǎo)(waveguide)技術(shù)讓鏡片變得很薄,可惜工藝復(fù)雜成本太高。后來也有一些便宜的光導(dǎo)產(chǎn)品出現(xiàn),但質(zhì)量還遠(yuǎn)不 如Lumus。所以,鏡片也還有很長的路要走,不僅要做到視角(Field-of-View)大,還要輕薄,透光性好,在折射/反射顯示光的時(shí)候也要盡量 保持光的屬性并做到盡量小的光損失。

3、視角(FoV)和分辨率(Resolution)

視角直接決定了用戶體驗(yàn)?,F(xiàn)在的很多AR眼鏡視角還在20°-40°之間,不少試戴了HoloLens的記者都對(duì)它的視角表示失望。而人眼的橫向視角雙眼差不多有200°,縱向有130°。視角大意味著總的分辨率也要很大才能覆蓋,8K*8K才會(huì)比較理想。

4、遮擋(Occlusion)

前面說到過單眼的景深感知有一個(gè)很重要的信號(hào)就是物體之間的遮擋。在用透明AR眼鏡時(shí),一個(gè)關(guān)鍵問題就是虛擬物體和現(xiàn)實(shí)物體之間的遮擋怎么實(shí)現(xiàn)。

如果是現(xiàn)實(shí)物體在前面,虛擬物體在后面,還相對(duì)比較好辦,就是要自動(dòng)探測現(xiàn)實(shí)物體的距離,再計(jì)算出虛擬物體哪些部位需要遮擋從而不渲染。但是如果反過 來,虛擬物體需要遮擋現(xiàn)實(shí)物體,就沒那么直接了,因?yàn)槔碚撋闲枰熏F(xiàn)實(shí)物體的光從眼鏡上選擇性地濾掉。從Magic Leap最近的demo看,在虛擬物體明亮?xí)r,它本身的亮度會(huì)自然遮擋后面的真實(shí)物體,但當(dāng)虛擬物體比較暗時(shí),還是有所謂的“鬼影效果”(ghost effect),不符合自然規(guī)律,又會(huì)讓大腦產(chǎn)生混亂。

如果想實(shí)現(xiàn)完全正確的遮擋效果,只能在鏡片上做實(shí)時(shí)的像素級(jí)的濾光機(jī)制(per-pixel shutter),但現(xiàn)在的技術(shù)都還不成熟。

 


Image source: Magic Leap demo (youtube)

 

5、渲染黑色

透明AR眼鏡現(xiàn)在還沒辦法渲染黑色。因?yàn)樗f到底是虛擬光和自然光的疊加。如果畫黑色,用戶是看不到的,只會(huì)看到后面的背景真實(shí)物體的光。類似的暗色都有這個(gè)問題。

6、延遲

透明AR眼鏡還有一個(gè)很大的挑戰(zhàn)就是延遲。把虛擬物體疊加到真實(shí)物體上(比如放一個(gè)虛擬水杯到一個(gè)真實(shí)桌子上)涉及到一系列計(jì)算:探測真實(shí)物體→計(jì)算它 的空間位置和方向→計(jì)算疊加位置→渲染虛擬物體等。這一切都必須在一眨眼內(nèi)發(fā)生,讓用戶感覺不到延遲。比如在那個(gè)水杯例子里,我們的頭可能是一直在動(dòng)的, 隨著我們頭動(dòng),我們看到的那個(gè)水杯應(yīng)該在桌上原來的位置不動(dòng)才對(duì)。而如果系統(tǒng)延遲過大,我們看到的那個(gè)水杯的位置可能就總是不對(duì),大腦就又混亂了。這對(duì)透 明AR挑戰(zhàn)尤其大,因?yàn)檎鎸?shí)世界我們是直接看到的,幾乎沒有任何延遲,而虛擬物體的渲染得能跟上這個(gè)速度才顯得自然。在video overlay里,就沒有這個(gè)問題,因?yàn)槲覀兛吹降恼鎸?shí)世界的視頻已經(jīng)是延遲的了,這樣在上面的物體疊加就比較容易跟它保持同步。

7、激光

Magic Leap以前的技術(shù)專利是用激光直接打到人眼里,雖然據(jù)說很安全,但還沒有確切的科學(xué)證據(jù)。所以用戶接受度是個(gè)問題,很多人估計(jì)一聽到這個(gè)就望而卻步了。

說了這么多,這下一代移動(dòng)人機(jī)交互界面到底什么時(shí)候能做成呢?我個(gè)人感覺要做成人民群眾喜聞樂見的版本至少要5年時(shí)間,也許更長。因?yàn)橐陨狭谐龅倪@些挑 戰(zhàn),每一個(gè)都還需要很多努力才能解決。目前它們很多都還不到量變(只是需要優(yōu)化)的階段,而是需要大的質(zhì)的飛躍。所以,路漫漫而修遠(yuǎn)兮。但既然這是計(jì)算機(jī) 發(fā)展的必然方向,拭目以待吧。

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