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英伟达林耀南：如何用5大技术让VR产品告别体验差？

2016-11-26 14:10

VR产品层出不穷，但用户的体验却一直没有达到最佳状态。
画面真实度差和延迟造成的眩晕感是影响VR产品体验的两大重要原因。
既然从软件到硬件都急需进行优化，那么究竟产品的优化应该如何进行？这其中又有哪些方式？
来自英伟达亚太GPU产品总监林耀南在VRWDC世界虚拟现实开发者论坛的分享：如何用5大技术提升VR产品的体验？

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以下为分享原文：
在分享之前，我想先提一个问题：在你交男/女朋友的时候，第一次约会是否重要呢？
我相信在座大部分的朋友都会回答：重要。第一次约会对于双方而言，都是一个很重要的体验。一旦这次的体验出了问题，你就不再有和对方继续发展下去的欲望了。
回到我的主题，我想表达的是，对于虚拟现实（价值菌：以下简称VR）产业而言，用户的体验也十分重要。
而VR产业现在恰恰面临着一种情况——在硬件设备并不普及的情况下，大多数用户通过一些并不舒适的或简易的设备来体验，这可是有点给VR产品的体验判了死刑。
明明有一些VR产品体验非常棒，但不少用户在第一次却经历了较差的体验，从此对VR产品不再感冒，岂不是很可惜？
到底是什么造成了用户比较差的VR体验呢？
造成用户体验差的原因是什么？
●画面真实度差
这主要取决于效能，效能是优质画面的基础力量。
通俗来讲，绝大多数的游戏玩家一般是以1080p与30fps来进行游戏，但VR的画质约为2k，描绘必须接近3k，且画面刷新率要高于90fps才会顺畅，代表执行VR游戏的PC效能必须达到传统PC的7倍。
但这很难，因此很容易造成画面失真，影响用户的体验。
●延迟造成眩晕感
玩家从当前位置改变到另一位置时的图像被CPU提交，GPU渲染，同步刷新到头部显示设备上，如果每秒有90帧的画面，可是每一帧都比用户的移动慢一点，这中间的延迟超过20ms就会导致用户大脑因无力计算而发生错乱，临床表现就是头晕、头晕、头晕。
而这两点也大大降低了用户的VR产品体验。
所以我们不仅要解决效能的问题，还要解决延迟的问题，“天下武功，唯快不破”。那到底有哪些解决的方式呢？我们愿意把已经掌握了的功能分享给大家，共同解决VR产品体验差的问题。
如何改善VR产品体验？
一般来说，沉浸式VR体验（450MPixel/S）(价值菌注：MPixel/S为每秒百万像素)对性能的要求是普通PC游戏(60MPixel/S)的7倍。
PC游戏以1080p分辨率和30FPS刷新率为技术数据，而VR游戏的实际渲染分辨率为1512×1680×2，刷新率需要达到90FPS，才能带来良好的体验。
基于这样的痛点，我讲讲如何通过5 种图形渲染方面的技术来解决这个问题，实现更好的体验。
（价值菌：接下来一大堆专有名词来袭，请准备好词典哦。）
❶ Multi-res shading 多分辨率着色
讲白了，我们在VR的世界里看到直的是直的，横的是横的，这是因为有一个光学透镜，通过光学透镜可以看到图片，所以我们必须做反扭曲（undistortion），来看到一个完美的世界。
但是做反扭曲，却不是很容易的，这会浪费很多其他项目。
我们所看到的画面在眼镜里其实没有完全成像，只成像了一半，大部分的地方都是黑的，这些都没有成像，那我为什么要画那么大？
我画了150份最后只显示100份，太浪费。
而Multi-res shading的基本原理是，将图形渲染与VR头盔的光学变形情况结合起来。
由于VR头盔贴近眼球，所以需要一组镜片帮助用户对焦。但因为镜片的存在，会导致画面发生畸变，所以需要对画面进行畸变补偿。
畸变补偿的画面所需信息，比GPU渲染出的画面要少很多（镜片光路损失一部分，同时人眼对视觉中心比边缘看得更清楚）。所以 GPU 本质上做了很多无用功。
Multi-res shading 要做的就是，把每一帧的画面分成多个部分，中间保留更多细节，而边缘保留较少细节。换个角度就是压缩画面，从而提升渲染速度。
所以当我们把游戏切成9个部分，根据9个部分，中间形变最少采取100%的分辨率，剩下的开发商可以自己填，填完之后在没有减少视觉的差异下，还是100%，不会浪费。
❷ Front Buffer Rendering前缓冲渲染
我刚刚讲，天下武功为快不破，这里就要通过直接对前缓冲渲染来减少延迟。
前缓冲渲染技术原理跟直接模式相关。
简单来讲，如果电脑把 VR 头盔当做普通的显示器的话，就需要通过标准的两级缓冲模式进行渲染。而识别成 VR头盔的话，就可以越过 Back Buffer 直接进入 Front Buffer，从而减少延迟。
❸ Context Priority上下文优先级
Context Priority可控制GPU调度以支持各种先进的VR功能，像是异步时间扭曲。
稍微解释一下什么是异步时间扭曲。
它是指在一个线程（称为ATW线程）中进行处理，这个线程和渲染线程并行运行。在每次同步之前，ATW线程根据渲染线程的最后一帧生成一个新的帧。
可能不是很好理解，我用简单一点的语言来描述。
举个例子。
如果转头过快的话，新位置的画面还没渲染出来，或者出现的是前一个位置的画面，就会引起不适。
怎么解决这个问题呢？
技术专家想到一种方法，即人为插入一个根据位置计算出来的帧来占位。
GPU 需要一个独立的线程来做这件事，抢在下一帧出现之前占位，从而减少画面的延迟（或因为掉帧而引起的抖动）。
如此不仅能缩减延迟，当游戏玩家移动头部时还能快速调整显示影像，无须重新渲染画面。
❹ VR SLI 多显卡支持
这需要用到CPU，以确保两个眼睛看到同一点。
这里就需要通过增加显卡来增强渲染性能。
人有双眼，所以VR图像都被渲染成左右两个画面。
但是这两个画面是不一样的，这就额外增加了CPU和GPU的占用。
虽然，有些计算不需要算两遍，比如物理计算，阴影图，游戏逻辑等，但实际视角包含的画面肯定需要重新计算，以保证正确的时差和深度信息。
所以说，在有些极端情况下，虚拟现实渲染模式下GPU用量是翻番了的。
在这种情况下，如果使用两块显卡，并行处理左右两个画面，就可以解决好了。
也就是说，一块显卡处理左眼的画面，另一块处理右眼的画面，最后整合在一起输出。
这个方法可以大大提升计算效率，却也不会增加延迟。
举一个例子。
常规多显卡渲染即：
显卡0和显卡1轮流渲染第n帧和第n1帧，但是要求CPU提交得足够快，因为CPU要提交两份DRAWCALL，CPU不能成为瓶颈。
而经过改进之后：
让显卡0和显卡1分别负责绘制左右两眼，而CPU为两个显卡提供一模一样的DRAWCALL，因为在VR的两眼绘制的东西基本是一样的，除了PERSPECTIVE矩阵不一样。
而VRWORKS通过其API，实现了一组DRAWCALL对多个显卡的广播，可以为不同显卡设置不同的PERSPECTIVE（常量）。这样CPU一份DRAWCALL对于两眼，而两眼的绘制在两个CPU并行，延迟大大节省。
❺ DIRECT MODE 直接模式
这个模式使得GPU与头戴式可视设备之间，能够具备良好的即插即用兼容性。
它能兼容各种虚拟现实头盔，即插即用。传统的渲染，PC显示器会把VR眼镜作为显示器的一个显示扩展，VR眼镜和GPU是没有直接交互的。
而透过Direct Mode （直连模式），我们的绘图处理器驱动程式就有能力，把头戴装置辨识成一部VR显示器，而不仅仅是一个标准的桌面显示器，因此能提供更接近无缝的用户体验。
VR体验的重点，是得匹配人类的四大感官才可以得到很大的体验。我也希望以上所提到的五种技术，可以帮助开发者真正提升VR产品的用户体验。
【来源：VR价值论】

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