VR中的”延遲”, 特指”Motion-To-Photon Latency”, 指的是從使用者運動開始到相應畫面顯示到螢幕上所花的時間.

這中間經過了大概這麼幾個步驟:

1. 感測器採集運動輸入資料
2. 採集到的資料進行過濾並通過線纜傳輸到主機
3. 遊戲引擎根據獲取的輸入資料更新邏輯和渲染視口
4. 提交到驅動並由驅動傳送到顯示卡進行渲染
5. 把渲染的結果提交到螢幕, 畫素進行顏色的切換
6. 使用者在螢幕上看到相應的畫面

當然, 實際上還有很多細節問題, 比如螢幕上的畫素並不是同一時間切換的, 可能面上面的那行先切換, 再一行行更新到最下面的, 在這裡就不糾結這些細節了.

這其中的每一個步驟都會產生一定的延遲, 而目前公認的大眾能接受的延遲是20ms以下, 這基本上可以做為衡量一個VR頭顯是不是合格的一個標準. 雖然20ms是非常短的時間, 但通過努力還是可以達到的, 主要有這麼幾個思路:

硬體層面的優化

• 提升感測器的取樣頻率, 減少重新整理率與感測器頻率的同步等待時間消耗
• 提升感測器的精度, 減少對取樣資料進行穩定性過濾產生的延遲
• 採用有線傳輸也有一部分原因是出於延遲的考慮
• 螢幕使用OLED替代LCD, 減少畫素顏色切換的時間
• 提升螢幕重新整理率, 主流的螢幕是60Hz, 那每幀就是16.67ms; 如果提升到90Hz, 那每幀就是11.11ms

大部分的手機VR產品在延遲上都是不合格的, 最明顯的表現就是轉頭時的畫面不連續/抖動/殘影等:

• 市面上的手機採用OLED屏的還是少數, 比如iPhone配個VR殼子那延遲就很感人
• 如果依賴手機的陀螺儀進行轉向模擬, 其精度和頻率遠遠達不到要求
• 手機螢幕目前都是60Hz的重新整理率, 在延遲上本身就受限

重新整理率的提升

假設重新整理率為60Hz, 並不是代表每幀就有16.67ms的延遲, 而是說螢幕影象每16.67ms才更新一次, 渲染選項中的”垂直同步”的概念就是來源於此. 這就對我們提交渲染畫面的時機要求非常高, 如下圖:

為了方便計算, 這裡先假設感測器, 傳輸, 螢幕畫素切換的延遲都為0

• 假設我們在每幀開始的時候(上一次垂直同步結束)取樣一次感測器資料, 在垂直同步之前完成提交, 那延遲就是16.67ms
• 如果當前幀無法在16.67ms內完成渲染, 比如花了17ms, 那麼就會拖到下一幀進行提交, 螢幕上顯示的畫面就還是上一次的影象, 這時候的延遲就變成了16.67*2=33.33ms

這就對VR的渲染提出了非常高的要求:

• FPS必須達到重新整理率的要求, 90Hz就是90Hz, 80FPS是不行的, 會被垂直同步拖累成45FPS
• FPS必須保證穩定, 偶爾掉一兩幀在VR中的感覺非常明顯, 可能某個物體的位置已經差了幾十個畫素了

以Oculus Rift(消費版)為例, 1080x1200x2的螢幕解析度, 90Hz的重新整理率, 再加上因為變形所需要的UpSampling, 實際的渲染畫面就是[email protected], 這效能壓力幾乎與[email protected]相當. 所以, 單純的提升重新整理率和解析度, 目前來說渲染能力還是跟不上. 不過既然有了效能需求, 硬體廠商才有前進動力, 對整個行業生態來說, 是件好事.

引擎層面的優化

除了拼命優化降低每幀畫面的渲染時間外, 引擎層面還可以通過一些策略進行優化, 關鍵的思路就是: 能不能把取樣感測器資料的時間點儘量延後, 讓它與垂直同步的時間點儘量靠近?

這裡我們仍然假設60Hz, 每幀時間16.67ms(約17ms), 忽略硬體延遲

如果在遊戲邏輯過程中(1ms時)取樣感測器資料, 那延遲大約就是16ms

如果在渲染執行緒進行繪製之前(5ms時), 重新再取樣一下感測器資料, 修正一下視口資訊(不會對遊戲邏輯產生影響), 那延遲就縮短到了約12ms

做過渲染優化的人都知道, 提交D3D Command後, 需要等待GPU執行完畢, 這部分時間在整幀時間中的佔比還是相當高的. 那有沒有辦法在渲染完成之後, 提交到螢幕之前再次取樣一次感測器資料呢? 如果像下圖那樣的話, 延遲可以縮短到3ms!!!

這就是Timewarp的主要思想, 我們來看看它是怎麼實現的

Timewarp

瞭解過延遲渲染的人應該都知道, 我們可以利用ZBuffer的深度資料, 逆向推匯出螢幕上每個畫素的世界座標

這就意味著, 我們可以把所有畫素變換到世界空間, 再根據新的攝像機位置, 重新計算每個畫素的螢幕座標, 生成一幅新的影象:

可以看到之前被遮擋區域的畫素是缺失的, 因為我們的攝像機位置變化了. 那如果攝像機位置不變, 僅僅是朝向變了呢? 這樣就不存在畫素可見性的變化了:

Timewarp正是利用了這個特性, 在保證位置不變的情況下, 把渲染完的畫面根據最新獲取的感測器朝向資訊計算出一幀新的畫面, 再提交到顯示屏. 由於角度變化非常小, 所以邊緣不會出大面積的畫素缺失情況.

Oculus的Demo中可以停止渲染新的畫面, 完全由單幀影象計算出各個朝向的新畫面:

也就是說, 只要角度變化不是非常大(上圖為了演示效果偏轉的角度很大了), 可以通過這項技術”憑空渲染”出下一幀的影象, SONY的PSVR正是利用這一點, 把60FPS的畫面Reproject成了120FPS.
Timewarp只能處理頭部轉向, 不能處理頭部移動的情況, 而且一旦錯過了垂直同步的時機, 一樣需要等待下一次垂直同步才能顯示出來. 那能不能在每次垂直同步之前, 強制進行一次Timewarp呢? 那就需要驅動來開個後門了…

驅動層面的優化

假設垂直同步時, 當前幀還沒有渲染完畢, 這時如果要進行Timewarp的話, 就需要驅動提供一種高優先順序的非同步呼叫, 這就是非同步Timewarp的由來: Timewarp操作與場景渲染並行執行, 如果沒有新的渲染畫面, 就繼續使用上一幀的畫面進行Timewarp.

這可以在一定程度上補償FPS不達標造成的延遲問題, GearVR中正是應用了這項技術, 保證了手機VR的體驗.
當然, PC上使用項技術還是有一些限制:

• 必須是Fermi, Kepler, Maxwell(或更新)核心的GPU
• GPU是以DrawCall為單位排程的, 所以耗時太長的DrawCall是插入不了Timewarp繪製操作的
• 需要最新的Oculus和NVIDIA驅動支援

非同步Timewarp並不是說FPS低於標準還能流暢跑, 這只是一種補救措施, 所以優化仍然要好好做-_-

驅動方面還有一些其它的優化空間, 比如強制提交渲染佇列:

如果驅動中快取了3幀, 那延遲優化就白做了…

另外就是大家耳熟能詳的Back Buffer(Double Buffer Rendering), 其實也會增加一點延遲, 不如省掉這一步, 即Front Buffer Rendering, 或者叫Direct Mode:

參考資料