干貨分享：無線VR的前世今生與未來

　　說到VR頭顯，想看好的效果，就得整個PC版，可是這根線，當真是麻煩事。可是想減掉VR頭顯上的那根電線，很難，真的很難。想要玩無線的頭顯，目前有三種方式，要么用手機頭顯、要么用串流式手機頭顯，要么，就是用背包＋有線頭顯啦。

　　VR價值論分享：無線VR的前世今生與未來

　　雖然，這三種方式，已經(jīng)在一定的程度上向無線虛擬現(xiàn)實頭顯邁出了一步，但是哩，劣勢也是一堆堆。那到底咋辦捏？未來又有哪些更為終極的解決方式呢？實現(xiàn)無線VR頭顯的關(guān)鍵技術(shù)究竟是什么？VR價值論分享：無線VR的前世、今生與未來。（溫馨提醒：專業(yè)術(shù)語有點多，內(nèi)容小燒腦。）

　　單身狗節(jié)的那天晚上，HTC突然發(fā)布了無線虛擬現(xiàn)實頭盔。沒錯，真的沒有那根惱人的線了。這感覺，讓技術(shù)宅們，甚為激動。就好像座機被宣布在一夜間被進化為手機。自從Oculusrif tDK1引爆本次虛擬現(xiàn)實革命后，對VR體驗的空間要求不斷刷新：

　　一開始我們只能坐在桌子前，通過傳感器處理三個方向的旋轉(zhuǎn)，如左右轉(zhuǎn)頭，上下?lián)u頭和左右擺頭（被稱為“桌面級三自由度”，如GearVR的使用）；隨后，我們體驗到除旋轉(zhuǎn)外，傳感器還能處理上下、前后、左右的平移（被稱為“桌面級六自由度”，如Oculusrift DK2的使用）；再到站立式交互、房間級交互、倉庫級多人交互，每一次空間的升級都會帶來更多的玩法和更好的沉浸式體驗。

　　隨著空間要求不斷變大，VR輸入設(shè)備日新月異，但VR頭顯卻發(fā)展緩慢，帕爾默·洛基就曾在CES上嚷著，制約站立式交互以上體驗的最大障礙，就是那根電線。那么，剪掉VR頭顯上的電線，真的那么難嗎？答案是--很難。

　　因為VR頭顯對技術(shù)指標要求極為苛刻，這有三方面的原因：第一，延時。合格的VR體驗對Motionto Photon Latency（從用戶開始運動到相應(yīng)畫面顯示到屏幕上所花的時間）要求在20ms內(nèi)，超過這個時間就容易造成眩暈感；第二，分辨率。目前VR頭顯的主流分辨率是2.5k（2560*1440），在符合視角要求下低于這個分辨率會有明顯紗門效應(yīng)（即在像素不足的情況下，實時渲染引發(fā)的細線條舞動、高對比度邊緣出現(xiàn)分離式閃爍），破壞沉浸感；第三，渲染能力。VR頭顯的雙目渲染會比單目渲染多消耗70%左右的GPU，降低渲染能力幾乎會成倍降低畫面質(zhì)量。

　　盡管無線虛擬現(xiàn)實頭顯的研發(fā)障礙重重，但在追求無線的道路上，我們?nèi)匀豢吹搅酥T多已提出或未來會提出的解決方案，我將對這些方案從概念到技術(shù)進行一一梳理，以勾畫出無線虛擬現(xiàn)實頭顯的前世、今生和未來。

　　前世篇：無線虛擬現(xiàn)實頭顯已有哪些解決方案？

　　在這一部分，我們將看到無線虛擬現(xiàn)實頭顯已經(jīng)提出的解決方案--即手機頭顯、串流式手機頭顯以及背包＋有線頭顯。雖然其各自都有劣勢，但在通向無線虛擬現(xiàn)實頭顯的道路上，已經(jīng)邁出了第一步。

　　其一，手機頭顯。

　　我們最早接觸的無線虛擬現(xiàn)實頭顯便是手機頭顯。從Cardboard開始，到體驗最佳的GearVR，再到水貨遍地的一體機，其借助于手機芯片的移動化，做到了天生無線。手機頭顯的優(yōu)勢就是成本低廉，相對其劣勢是缺乏原生空間定位支持以及GPU性能過低，無法進行復(fù)雜場景和高質(zhì)量渲染。

　　手機頭顯在當前移動GPU性能的束縛下，最佳使用場景是全景視頻，很難提供站立式以上的高質(zhì)量沉浸式交互體驗。

　　國內(nèi)最早一批生產(chǎn)手機頭顯的廠商是暴風(fēng)魔鏡，在那個VR頭顯嚴重匱乏的年代，暴風(fēng)魔鏡成為了中國無線虛擬現(xiàn)實頭顯的啟蒙。

　　其二，串流式手機頭顯。

　　串流式手機頭顯可以將PC上運行的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用程序視頻輸出結(jié)果逐幀捕獲（Capture），再將捕獲結(jié)果經(jīng)過編碼壓縮后通過wifi傳輸?shù)绞謾C頭顯或一體機上，由手機頭顯或一體機進行解碼后輸出到屏幕。

　　串流式手機頭顯的優(yōu)點是：可以使用PC上的強悍顯卡資源進行復(fù)雜場景的高質(zhì)量渲染。但缺點也很明顯：視頻編碼解碼相當費時間，疊加wifi傳輸會帶來很長的Motionto Photon延時，造成嚴重眩暈感；并且高質(zhì)量渲染后的圖片經(jīng)過視頻編碼壓縮會顯著降低畫質(zhì)。

　　串流式手機頭顯最早的產(chǎn)品是Trinus VR。Trinu sVR使用CPU進行視頻捕獲和編碼壓縮，傳輸延時高達100ms以上，但其開啟了一個真正的無線時代。

　　由于英偉達（NVIDIA）Video CodecSDK的出現(xiàn)，我們可以直接調(diào)用GPU的NVENC直接對應(yīng)用程序的視頻輸出進行捕獲和硬編碼，結(jié)合手機或Tegra平臺的硬解碼，視頻編碼壓縮和解碼的時間可大幅降低到20ms以內(nèi)。

　　英偉達最早將此技術(shù)應(yīng)用到Shield掌機的跨屏游戲中，但該技術(shù)隨后被用到串流式手機頭顯上，使得串流式手機頭顯的Motionto Photon延時降低至40ms以內(nèi)。

　　而最早提出該方案的是Visus VR，于今年初推出了首款PC驅(qū)動無線VR頭顯VISUS，運算使用的是PC，顯示用的是智能手機屏幕，通過英偉達Game Stream技術(shù)，以無線的方式將電腦屏幕的游戲畫面?zhèn)魉偷绞謾C上。盡管延時縮短到40ms，但依然會有強烈的眩暈感。

　　其三，背包＋有線頭顯。

　　盡管無線虛擬現(xiàn)實頭顯的研發(fā)大大滯后，但隨著人們對大范圍交互的渴求，誕生了一個折中方案，背包＋有線頭顯。第一次系統(tǒng)化提出背包＋有線頭顯商業(yè)解決方案的是澳洲的Zero Latency虛擬現(xiàn)實樂園。

　　Zero Latency的目標是提供一個倉庫級的多人VR交互方案，讓多個玩家同時進入到一個游戲場景中游戲。想做到這點必須連過幾道關(guān)卡：首先是無線，由于場地大小設(shè)置為400平米，所以玩家必須以無線方式進入場景，有線很難支持如此大范圍行走；其次是延時，由于玩家需要相對長時間進行游戲，所以在游戲時間內(nèi)不能給玩家造成明顯眩暈感，延時控制必須在主流頭顯水品，即20ms秒內(nèi)；再次是畫面，為營造更好的游戲氛圍，必須使用主機級GPU進行渲染；最后是位姿計算，由于玩家以無線方式行走，故需要進行六自由度計算，其中位置計算無法依靠慣性傳感器而使用了廉價光學(xué)方案（60fps刷新率），造成位置計算延時至少為16.6ms，加上無線傳輸延時將大于18ms，所以對眩暈影響更大的姿態(tài)計算必須通過高采樣率（1000Hz）的IMU在本地進行。

　　Zero Latency使用了Alienware Alpha主機和移動電源設(shè)計的背包系統(tǒng)，背包和服務(wù)器通過wifi做數(shù)據(jù)連接，顯卡達到970m水平，使用Oculusrift DK2作為頭顯有線連接到Alpha，達到了上述四個目標。

　　這一背包系統(tǒng)雖不能嚴格稱之為無線頭顯但做到了無線頭顯所能達到的結(jié)果，缺點是背包不易穿戴、電池壽命不長。

　　Zero Latency的方案對隨后的虛擬現(xiàn)實主題公園影響深遠，最著名的就是鹽湖城的the Void。The Void將背包系統(tǒng)和有線頭顯設(shè)計的更有外星范，加入力反饋功能，并結(jié)合Optitrack的光學(xué)動捕系統(tǒng)提供了更精確的定位計算、更多樣化的虛擬物體交互等，使得大范圍多人交互系統(tǒng)變得更為有趣。至此背包＋有線頭顯＋wifi的所謂”無線虛擬現(xiàn)實“解決方案落定，成為倉庫級虛擬現(xiàn)實交互和VR主題公園的首選方案，國內(nèi)也有許多公司推出了無線背包系統(tǒng)。

　　今生篇：無線虛擬現(xiàn)實頭顯是如何實現(xiàn)的？

　　實現(xiàn)我們理想中的無線虛擬現(xiàn)實頭顯的辦法有兩種：第一，將渲染后的視頻信號無線傳輸；第二，在頭顯中進行高性能渲染。60Ghz毫米波通訊技術(shù)的發(fā)展幫我們實現(xiàn)了這一點。接下來，將會一一進行說明：

　　一、將渲染后的視頻信號無線傳輸是最直接的辦法

　　早在串流式手機頭顯時代，人們就使用了這種借助遠程PC進行高性能渲染，并將視頻結(jié)果通過wifi輸出到頭顯上的方法。

　　這種方法的最大缺陷就是必須對視頻信號進行壓縮，因為符合質(zhì)量的原始視頻數(shù)據(jù)至少為1920*1080@60fps，如果不經(jīng)壓縮數(shù)據(jù)消耗帶寬約為3Gbps，而最快的802.11ac通訊帶寬為1.3Gbps，所以不對數(shù)據(jù)進行編碼壓縮將無法通過wifi傳輸。

　　如前文所述，即便使用NVENC硬編碼和硬解碼，附加延時也會達到接近20ms，這對VR體驗而言是災(zāi)難。

　　幸運的是60Ghz毫米波通訊在2015年下半年取得了長足進展，目前的WiGig60Ghz通訊最大可以支持7Gbps通訊，這也使得將PC端渲染的視頻圖像不經(jīng)壓縮以rawdata方式無線傳輸成為可能。

　　Lattice是全球60Ghz模組最大供應(yīng)商，其提供的模組可以對1920*1080@60fps的數(shù)據(jù)進行近距離（約20米）的無線傳輸。第一家使用60Ghz進行無線虛擬現(xiàn)實頭顯設(shè)計的公司是Serious Simulations，其生產(chǎn)的無線虛擬現(xiàn)實頭顯主要用于軍事訓(xùn)練。

　　Serious Simulations的無線虛擬現(xiàn)實頭顯采用了兩塊1920*1080的顯示屏進行輸出，以獲得更大視角，但受限于單個模塊，左右眼為復(fù)制模式。

　　既然Lattice已經(jīng)生產(chǎn)了60Ghz相關(guān)模組，那么為什么只有少數(shù)團隊有能力設(shè)計無線虛擬現(xiàn)實頭顯？原因如下：

　　1、屏幕

　　Lattice的模組使用了1920*1080@60fps的輸入輸出規(guī)范，所以需要視頻以1920*1080的格式輸出圖像到模組，經(jīng)過60Ghz 無線傳輸后再以1920*1080的格式輸出到屏幕，這就意味著屏幕必須能夠接受1920*1080或以下的橫屏（Lands cape）模式。

　　通過Panelook網(wǎng)站可以輕易查到，支持橫屏模式的屏幕最小為7寸，且無法達到1080p，但7寸屏相對頭顯用屏顯然太大了。

　　理想的頭顯用屏是5.5寸，且分辨率必須達到1080p，這種屏幕多用在手機上，是豎屏（Portrait）模式，因此需要對數(shù)據(jù)進行橫豎轉(zhuǎn)換以適應(yīng)豎屏或雙屏模式。

　　2、線速轉(zhuǎn)換

　　如前文所述，為實現(xiàn)屏幕轉(zhuǎn)換且不增加延時，就必須要對輸出的視頻數(shù)據(jù)進行線速轉(zhuǎn)換，這需要頭顯設(shè)計團隊具有優(yōu)秀的高速視頻信號處理技能。

　　3、依然是延時

　　以橫豎屏轉(zhuǎn)換為例，當進行視頻數(shù)據(jù)90度旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生以下情況：橫屏模式下第一行最后一個像素翻轉(zhuǎn)后剛好會成為豎屏模式下最后一行的最后一個像素，使得轉(zhuǎn)換必須在緩存一幀圖像后完成，這使得延時會增加近一幀，優(yōu)秀的團隊會采用更好的算法完成轉(zhuǎn)換而避免緩存造成的延時。

　　4、對慣性傳感器等輸入數(shù)據(jù)的處理

　　目前的有線虛擬現(xiàn)實頭顯通過USB將頭顯中的慣性傳感器信息傳輸?shù)絇C上進行數(shù)據(jù)融合（Fusion），以最短延時獲取頭顯姿態(tài)，進而計算攝像機姿態(tài)并渲染畫面。

　　當頭顯的視頻輸出變?yōu)闊o線時，慣性傳感器輸入也必須是無線的，這在一定程度上需要設(shè)計團隊具有超低延時無線通訊技能和扎實的傳感器融合技能。

　　我們在2016年初推出了一款自主研發(fā)的無線虛擬現(xiàn)實頭顯。

　　這套無線虛擬現(xiàn)實頭顯提供了1920*1080的OLED屏幕，并在頭顯后部集成電池組件。

　　由于頭顯中集成有60Ghz模塊并只進行圖像轉(zhuǎn)換和輸出，所以電池消耗時間恒定，提供數(shù)據(jù)是可支持3.5小時。

　　相比較我們從基礎(chǔ)干起的設(shè)計方案，TPcast采用了與HTCVIVE合作的方式，用一個外掛模塊解決了有線虛擬現(xiàn)實頭顯的無線化問題，并起了一個容易記住的名字：剪刀計劃。

　　由于VIVE使用了自己的封包格式對USB數(shù)據(jù)進行傳輸，所以TPCast所做的第一步就是要得到USB的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且在連接PC的發(fā)送端上將自己的VendorId偽裝成VIVE以實現(xiàn)Direct Mode和支持steam應(yīng)用程序的loading。

　　此外VIVE的分辨率是2160*1200@90fps，超過1920*1080@60fps的模塊通訊數(shù)據(jù)，因此推斷TPCast可能將yuv444格式變?yōu)閥uv420格式以支持更高分辨率，并且實際刷新率降為60fps。

　　這與HTC Vive中國區(qū)總裁汪叢青在發(fā)布會上提到的沒有降低圖像質(zhì)量的說法有出入。當然這是推斷，具體要等待發(fā)貨后驗證，但無疑TPCast為無線虛擬現(xiàn)實頭顯邁出了堅實一步。

　　二、高性能嵌入式計算平臺，不僅是一體機

　　早在HTC發(fā)布無線虛擬現(xiàn)實頭顯之前，Oculus就在其發(fā)布會上透露了O記無線虛擬現(xiàn)實頭顯的只言片語。

　　根據(jù)有限的信息來看，Oculus的無線虛擬現(xiàn)實頭顯不使用高性能PC，計算直接在頭顯內(nèi)完成，并且內(nèi)置了InsideOut定位系統(tǒng)，這更像是有線頭顯和一體機的結(jié)合體。當然具體實現(xiàn)方案和使用效果需要更多信息來調(diào)研。

　　當然無論使用有線一體機方案、外掛方案還是從基礎(chǔ)干起的方案，在我們看來，無線虛擬現(xiàn)實頭顯的大幕已經(jīng)拉開。

　　未來篇：無線虛擬現(xiàn)實頭顯的終極方案是什么？

　　在我看來是肯定的，只要嵌入式GPU足夠強大、功耗足夠低，MINI主機＋頭顯或一體機將是終極方案，但這一天可能會很久。

　　那么明天的方案呢？如何使用PC的強悍渲染能力？如何能做到幾乎零附加延時（至少看起來是）？如何突破60Ghz的分辨率刷新率上限？接下來所描述的這個方案有可能實現(xiàn)。

　　首先，在這個方案中，我們可以看到圖形渲染仍在PC的GPU上，只不過輸出的數(shù)據(jù)是比正常圖像視角更大的圖像，類似全景視頻。其次，圖像按照類似 Facebook的全景視頻壓縮方法進行壓縮并由GPU進行編碼，壓縮后的圖像通過wifi點對點傳輸?shù)骄哂袌D像硬解碼能力的專用一體機上。

　　一體機解碼后以準全景視頻的方式輸出到屏幕，頭顯根據(jù)慣性傳感器計算當前視角輸出的全景圖像，結(jié)合ATW用戶可以看到穩(wěn)定無延時的視口圖像，就好像圖像在頭顯本地生成。此后，后臺的編碼視頻流以《20ms的延時通過wifi不斷填充到頭顯，以完成相對高延時的位置計算。

　　根據(jù)推斷，VIVE之前合作的Quark VR很可能采用的就是這個方案。正如某人所說，虛擬現(xiàn)實中的追蹤技術(shù)不是由單一傳感器構(gòu)成，而是通過結(jié)合不同傳感器以達到在不同環(huán)境下的有效工作。無線虛擬現(xiàn)實頭顯也是如此，只有結(jié)合不同的技術(shù)，才能真正以達到高性能、高分辨率、低延時、大范圍、多用戶的要求。那就拭目以待吧。