VR中的”延遲”, 特指”Motion-To-Photon Latency”, 指的是從用戶運動開始到相應畫面顯示到屏幕上所花的時間.
這中間經過了大概這麼幾個步驟:
- 傳感器採集運動輸入數據
- 採集到的數據進行過濾並通過線纜傳輸到主機
- 遊戲引擎根據獲取的輸入數據更新邏輯和渲染視口
- 提交到驅動並由驅動發送到顯卡進行渲染
- 把渲染的結果提交到屏幕, 像素進行顏色的切換
- 用戶在屏幕上看到相應的畫面
當然, 實際上還有很多細節問題, 比如屏幕上的像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, 在這裏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, 而目前公認的大衆能接受的延遲是20ms以下, 這基本上可以做爲衡量一個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:
硬件層面的優化
- 提升傳感器的採樣頻率, 減少刷新率與傳感器頻率的同步等待時間消耗
- 提升傳感器的精度, 減少對採樣數據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
- 屏幕使用OLED替代LCD, 減少像素顏色切換的時間
- 提升屏幕刷新率, 主流的屏幕是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
- 手機屏幕目前都是60Hz的刷新率, 在延遲上本身就受限
刷新率的提升
假設刷新率爲60Hz, 並不是代表每幀就有16.67ms的延遲, 而是說屏幕圖像每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:
爲了方便計算, 這裏先假設傳感器, 傳輸, 屏幕像素切換的延遲都爲0
- 假設我們在每幀開始的時候(上一次垂直同步結束)採樣一次傳感器數據, 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, 屏幕上顯示的畫面就還是上一次的圖像, 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必須達到刷新率的要求, 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像素了
以Oculus Rift(消費版)爲例, 1080x1200x2的屏幕分辨率, 90Hz的刷新率, 再加上因爲變形所需要的UpSampling, 實際的渲染畫面就是3024x1680@90Hz, 這性能壓力幾乎與4k@60Hz相當. 所以, 單純的提升刷新率和分辨率, 目前來說渲染能力還是跟不上. 不過既然有了性能需求, 硬件廠商纔有前進動力, 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: 能不能把採樣傳感器數據的時間點儘量延後, 讓它與垂直同步的時間點儘量靠近?
這裏我們仍然假設60Hz, 每幀時間16.67ms(約17ms), 忽略硬件延遲
如果在遊戲邏輯過程中(1ms時)採樣傳感器數據, 那延遲大約就是16ms
如果在渲染線程進行繪製之前(5ms時), 重新再採樣一下傳感器數據, 修正一下視口信息(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, 提交到屏幕之前再次採樣一次傳感器數據呢? 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的深度數據, 逆向推導出屏幕上每個像素的世界座標
這就意味着, 我們可以把所有像素變換到世界空間, 再根據新的攝像機位置, 重新計算每個像素的屏幕座標, 生成一幅新的圖像:
可以看到之前被遮擋區域的像素是缺失的, 因爲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? 這樣就不存在像素可見性的變化了:
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傳感器朝向信息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像素缺失情況.
Oculus的Demo中可以停止渲染新的畫面, 完全由單幀圖像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(上圖爲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”出下一幀的圖像, 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級的異步調用, 這就是異步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爲單位調度的, 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驅動支持
異步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, 比如強制提交渲染隊列:
如果驅動中緩存了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
What is Motion-To-Photon Latency?
Optimizing VR Graphics with Late Latching
VR Direct: How NVIDIA Technology is Improving the VR Experience
Virtual Reality with AMD LiquidVR™ Technology
Lessons from Integrating the Oculus Rift into Unreal Engine 4
Oculus Rift - How Does Time Warping Work?
Asynchronous Timewarp Examined