VR公司常说的“异步时间扭曲”技术是个什么鬼?

如果你经常听国内一些技术流的VR创业公司的演讲,那么你对“异步时间扭曲”(ATW)这个词肯定不会陌生。例如自称国内第一家掌握ATW技术的焰火工坊, 在他们的第一次发布会上CTO王明杨就提到了这项技术 。当时他尝试了进行解释,但后来放弃了,只说“你们知道这很牛逼就行了”。此后CEO娄池也在各种场合提起ATW,包括微信朋友圈。另外一家公司乐相也是。

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焰火工坊CEO娄池和乐相CEO陈朝阳的朋友圈

“异步时间扭曲”这个名称听起来很牛逼,但了解它实际含义的人可能不多。

一种生成中间帧的技术

异步时间扭曲英文是Asynchronous Timewarp,简称ATW。简单来说,这是一种生成中间帧的技术。当游戏画面无法保持足够的帧率时,它能产生中间帧进行弥补,从而维持较高的画面刷新率。这项技术的提出者John Carmack目前是Oculus的CTO。

我们采访了王明杨来解释ATW,他是这样说的:

正常情况下,我们的手机大部分是60hz刷新,也就是说,在理想情况下我们的手机大概要处理有60帧/秒。那么,从数据到渲染就有 1000 /60 ~= 16.6666ms的时延。

那么,如何抵消这个时延呢?卡马克(John Carmack)提出一种方法, 通过大量采集陀螺仪数据,在样本足够多的情况下,就可以预测出16.66ms后你头部应有的旋转和位置,按照这个预测的数据来渲染,他管这个技术叫Timewarp。

然而问题又来了,一般VR场景很复杂,我们很难保证每次都在16.66ms内完成一次渲染,也就是我们很难保证每个应用都是60fps。 那么卡神又提出一个ATW,就是异步的Timewarp。

他把VR应用的渲染管线设计成两个线程,渲染线程(生产者)和Timewarp线程(消费者),两者异步工作,生产者生产足够多的Framebuffer,消费者把生产者生产的东西做Timewarp之后贴在屏幕上。也就是说,无论你当前游戏的fps是多少,Timewarp始终被设计成保持在60fps(视刷新率而定)。

这就是ATW的核心细节,把Timewarp和产生Framebuffer分离,用高刷新率的Timewarp来换取低时延。

ATW技术在VR中应用的先驱是Oculus,一年多以前他们就在Gear VR上应用了这项技术, 3月25日宣布在PC端的SDK上加入ATW 的支持。

具体怎么做?

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Oculus在博客里对ATW做了详细的解释。如上图所示,GPU给左右眼的画面分别进行渲染,然后在画面显示出来之前插入一个ATW的处理过程。在左边这帧的处理中,画面渲染及时完成,此时直接显示就行了;中间的第二帧渲染未能及时完成,此时如果什么都不做就会出现画面抖动,而有了ATW的话,它会将前面一帧调用出来重新显示,同时加上头盔运动变化,从而保持帧率。

这技术很难吗?

据王明杨表示,ATW技术很简单,核心代码仅5行。但如果要达到最好的效果,还需要以下几点:

1. GPU必须支持抢占式上下文(GPU preemption)。这个还好,大部分Mobile GPU都支持,但是桌面GPU大部分还不支持;

2. 系统最好支持主表面写入,这个跟GPU有一定关系,但是跟操作系统关系比较大;

3. GPU必须有较高的性能,这个很好理解,Timewarp线程实际上加重了渲染负担。

Oculus先在Gear VR上实现ATW,原因就是上面的第1点。他们将ATW带到PC平台上,是在微软、英伟达和AMD支持的情况下实现的。英伟达开发了VRWorks,AMD则有Liquid VR。

国内厂商中,乐相陈朝阳表示ARM对大朋VR提供了Front Buffer和Context Priority的支持,用以在移动VR上实现ATW。

没有定制硬件的焰火工坊则在Oculus的基础上修改了一部分Timewarp的实现。“我们在渲染线程那里会监控Timewarp线程的工作情况,动态的平衡GPU附载,保证Timewarp线程工作在比较高的帧率下。”王明杨说。

有什么难点和局限?

听起来ATW是项很棒的技术,但它也不是完美的。根据去年的一篇Oculus博文,ATW的一个难点是位置抖动(Positional Judder)。

位置抖动是基于方向的Timewarp带来明显瑕疵之一。在使用VR设备时,当头部移动了, 如果在ATW产生图像帧时只考虑了旋转,而平移却被忽略了。这意味着当你的头从一边移动到另一边时,你看见的离你很近的物体会有多个图像的抖动,这种效果在临近场空间中是非常明显的,比如下面的这个潜艇截图。

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Gear VR比较容易用上ATW,是因为它不支持位置追踪,而PC平台的Oculus Rift支持。Oculus最近宣布Rift支持ATW,应该是解决了位置抖动的问题。

另外一点是运动的物体和动画。使用ATW时,动画或者移动的物体会引起另外一个瑕疵, 因为它产生的新图像只是根据前一帧图像生成的,缺少了物体的运动信息,所有的中间帧都好像是被冻结了一样,因而对于运动的物体容易产生抖动,见下图。

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不过王明杨倒是认为虽然近处物体是个局限,但影响并没想像的那么大。

总结

总体来说ATW确实是一项很棒的技术,如果没有它的话,开发者在游戏开发中为了保持画面帧率只能非常保守地使用CPU和GPU性能,而ATW可以游戏更容易保持帧率稳定,从而让开发者在画面设计上更加大胆。

实际运行中Oculus发现,没有使用ATW的app在运行中丢失了约5%的帧。ATW可以将大部分丢失的帧补上,从而大幅减少画面抖动。而这一切对app来说不需要消耗更多性能或更改代码就能实现。Oculus还表示这一切只是开始,他们正与合作伙伴尝试提高ATW的运行效率。

来源:雷锋网

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