VR設計：如何實現(xiàn)GPU和顯示器高度集成

　　VR產業(yè)日新月異，現(xiàn)在看來，VR設備實現(xiàn)大規(guī)模量產也不過是個時間問題。當然在發(fā)展初期，VR會主要以高端游戲設備的形式登場。但其應用領域一定會迅速擴展。在VR變得人盡皆知之前，讓我們放慢腳步，探討一下它目前面臨著哪些問題。

　　首先，我們要清楚延遲的定義：它指的是系統(tǒng)將頭部實際運動轉換成你在VR頭盔的屏幕上看到圖像的這段時間。這兩個事件的發(fā)生必須相當接近，你才能像現(xiàn)實世界一樣感知不到時間差；如果延遲時間太長或者變幻不定，那么沉浸式體驗就會顯得很不自然，大腦也會啟動對抗機制，讓你產生惡心或暈眩——這種感覺絕不好受。行業(yè)研究顯示，“運動到畫面”的延遲時間必須持續(xù)低于20毫秒（ms），否則就無法營造流暢且自然的VR體驗。由于標準刷新頻率是60Hz，也就意味著延遲應該為16ms。雖然這一目標不易達成，但只要用對方法，實現(xiàn)并非不可能。

　　降低延遲，你需要這幾招

　　將一些特定技術組合在一起的時候，的確可以成功打造出低延遲的VR系統(tǒng)。首先，我們來討論一下前段緩沖渲染。包括安卓設備在內，圖像應用通常采用雙重緩沖或三重緩沖技術，讓GPU可以向離屏拷貝的旋轉緩沖區(qū)映射像素，并在顯示屏每次刷新結束時與隨屏緩沖區(qū)交換，從而實現(xiàn)流暢體驗。這一過程可以使相鄰幀的時間差更加均勻，但同時也會讓延遲增加——與VR希望實現(xiàn)的目標截然相反。前端緩沖渲染過程中，GPU可以繞過離屏緩沖區(qū)，直接對隨屏緩沖區(qū)進行渲染，從而減少延遲。前端緩沖渲染需要與顯示屏精準同步，才能保證GPU的寫入始終在顯示器讀取之前。Mali GPU的環(huán)境優(yōu)先擴展功能可以實現(xiàn)GPU任務的迅捷調度，從而使前端緩沖渲染流程的優(yōu)先級高于緊急程度更低的任務，起到改善用戶體驗的效果。

　　消除額外的緩沖渲染以降低延遲

　　第二個重要秘訣便是為您的VR設備選配合適的顯示屏類型。有機發(fā)光二極管（OLED）顯示屏是改善VR體驗的一大利器，它的工作原理和人們熟悉且技術成熟的LCD顯示器大相徑庭。利用背端的薄膜晶體管陣列，OLED顯示器上的每個像素都可充當光源，而LCD采用的是白色LED背光源。OLED顯示器的亮度由流經薄膜的電流強度決定，顏色的管理則是通過對屏幕后方的紅、綠、藍LED小燈進行獨立調整而實現(xiàn)，因此OLED可以呈現(xiàn)出高亮度、高對比度、高飽和度的色彩。此外，只要熄滅屏幕上的幾個部分，你就可以看到比阻隔背光的LCD屏更深邃的黑色。盡管這通常是OLED屏的賣點，但對VR來說也很關鍵，因為部分照明能夠更容易地實現(xiàn)較低的余暉（persistence）。全余暉顯示屏意味著屏幕持續(xù)點亮，視景只是短暫正確，但很快就過期了；而低余暉顯示屏只在視景正確的時候點亮圖像，隨即熄滅。這個過程在極高的刷新率下很難察覺，從而產生連續(xù)圖像的錯覺。

　　這一原理對降低圖像模糊度至關重要。低余暉可以允許更高的靈活性，也就是說顯示器可以在一次刷新中顯示多張部分圖像，并根據(jù)頭盔傳感器采集到的變化數(shù)據(jù)對中間幀進行調整，因此當用戶的視景掃過屏幕時，系統(tǒng)中的頭部位置也發(fā)生改變；而全景背光的LCD屏是無法做到這一點的。因此，實現(xiàn)低延遲VR體驗的關鍵就是利用類似時間扭曲的進程，以分塊或分條的形式渲染前端緩沖區(qū)并驅動OLED屏。采用這種方法，屏幕上看到的圖像可以極快地適應頭部轉動，沒有任何其他方法可與之相媲美。

　　異步時間扭曲技術

　　接下來要討論的關鍵技術是異步時間扭曲技術。由于沉浸式VR應用的場景變化相對平緩，因此視景間的圖像變化量較小，也相對更容易預測。時間扭曲（Warping）指的是，將之前頭部位置渲染的圖像進行位移以匹配新的頭部位置。這個過程可以一定程度上分離應用幀率與刷新率之間的聯(lián)系，實現(xiàn)系統(tǒng)低延遲，滿足特定的應用場景。這種位移只對頭部轉動做出反應，而對頭部位置或場景動畫的變化無動于衷。盡管時間扭曲也是一種權宜之計，但不失為一個有效的安全保障，而且可以令以30FPS幀率運行的設備（至少是部分）呈現(xiàn)以60FPS以上幀率追蹤用戶頭部運動的體驗。

　　VR技術的秘密武器

　　本文中，我們探討了如何實現(xiàn)GPU和顯示器之間的深度集成，但這只是問題的冰山一角。如果我們想播放視頻（可能是受DRM保護的視頻），并集成系統(tǒng)通知，那么問題就變得復雜多了。高質量的VR支持需要多媒體產品具備強大的同步能力和高效利用帶寬通信的能力，不僅是為了給最終用戶營造最佳體驗，同時也為了最大程度提高電源效率和性能。借助ARM幀緩沖器壓縮（AFBC）和ARM TrustZone 等高效工具，ARM Mali 多媒體套裝（MMS）可以實現(xiàn)GPU、視頻和顯示器處理器的深度集成，是目前VR設備開發(fā)的領先工具。