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    【小箘觀VR】移動VR發展的五大挑戰

    來源:VR之家

    目前,虛擬現實的發展可以說是不溫不火,既沒有像人們追逐的熱點那樣鋪天蓋地,也沒有像年初人們擔心的那樣一蹶不振。無論國內外,VR硬件的熱度已經降溫,而軟件和內容的發展情況則逐漸變好,第一代主流消費端VR產品以高端PC VR為主,這些產品已經上市一年,但目前還沒有能使VR真正走向主流的殺手級應用。虛擬現實的商業化進程還在進行中,不過大家仍然有不少技術難點需要解決,尤其是在移動VR領域。

    【小箘觀VR】移動VR發展的五大挑戰


    高質量的VR體驗首先出現在PC端和主機端并不是偶然,VR對硬件性能要求較高,移動Soc的性能相對較弱,因此移動VR相比PC VR需要更多軟件優化,做一款體驗達到基本要求的PC VR并不算難事,很多廠商的重點也早已放到了應用生態和VR標準等方向上,而目前體驗真正滿足基本要求的移動VR主要還是GearVR,但其軟件平臺由Oculus提供,Oculus卻深陷與ZeniMax的官司糾紛中,給GearVR的發展蒙上一層陰影。


    即便是GearVR,仍然存在不少問題,下面我們就來列舉一下移動VR產品很難克服的一些問題:


    功率受限


    與體積龐大、直插電源的PC VR相比,移動VR面臨的最大挑戰就是處理器功率嚴重受限、散熱能力不足。移動VR只能使用電池供電,為了節省電力增加續航,移動Soc圖形運算能力有限。同時移動VR的運算單元和電池一般都包含在頭顯部分,基于重量和用戶對熱度的感受,其散熱也嚴重受限。一般來說,移動產品的TDP都要低于4w,而PC上的中高端GPU至少達到150w。


    摩爾定律已經走到尾聲,我們的處理器制程工藝進步緩慢,這意味著有限功耗下的處理器性能很難有較大進步,典型例子是Intel Core M處理器,看似用4.5w的TDP實現了15w低壓處理器的性能,實際上這種級別的性能是通過短時睿頻到15w TDP實現的,其發熱嚴重,無法長時間維持,無法應用到VR頭顯中。


    【小箘觀VR】移動VR發展的五大挑戰


    當然,盡管移動VR在性能上永遠無法匹敵PC產品,但這并不代表我們無法在移動平臺體驗到畫質清晰、高幀率的沉浸式體驗。對于特定的應用場景,例如高清晰的VR視頻內容、部分游戲,我們仍然可以找到最適合移動VR的場景。


    首先,我們可以針對使用頻率很高的任務開發專用的加速處理單元,這一點現在人們已經廣泛應用了,例如移動處理器的視頻硬件解碼能力都非常強;今后廠商很有可能針對VR應用開發專門的加速單元。同時,業界正在為VR開發專門的圖像處理技術,例如多視圖渲染,它可以簡化立體圖像渲染過程的任務量。這個技術并不僅僅適用于移動VR,它現在已經支持OpenGL 3.0和ES 3.0,由諸多知名公司聯合開發,例如Oculus,高通,NVIDIA,谷歌,Epic,ARM和索尼。多重視圖可以用單個繪圖指令完成立體圖像渲染,這樣可以減少CPU調用,并縮減GPU頂點渲染任務。據稱,這一技術可以提高40%~50%的性能表現,目前ARM的Mali和高通Adreno系列GPU已經支持這個技術了。


    【小箘觀VR】移動VR發展的五大挑戰


    有助于提高移動VR體驗的另一項關鍵技術是焦點渲染技術(眼球追蹤)。由于人眼只有在視網膜中央一小塊區域能夠分辨精細的圖像,所以我們可以使用眼球追蹤確定這一區域的位置,然后只在對應的區域采用高清晰度的渲染方式,周邊則使用低分辨率渲染。這樣,我們就能在幾乎不影響實際的VR表現時大大降低GPU負載。


    帶寬和高分辨率


    移動VR受限于處理器功耗的同時也會遇到其他VR平臺同樣需要面對的問題,包括超低延遲的要求,高分辨率等。VR對分辨率的要求相當高,即使采用了2K面板的VIVE頭顯,很多用戶仍然會認為其畫面清晰度完全不能滿足要求。由于我們的眼睛距離屏幕非常近,所以其延遲和像素點很容易被看出來。


    人們常常批評VR顯示屏是“馬賽克”、“大果?!?,由于VR經常采用AMOLED屏幕,其Pentile子像素排列使得這個問題變得更加突出,因為這種排列需要共用子像素,以低分辨率模擬高分辨率,同時OLED在提高像素密度上遇到了困難。如果換用LCD顯示屏,我們就能實現4K分辨率的VR頭顯,但LCD容易產生余暉效應。即使我們實現了更高分辨率的OLED,由于VR要求幀率達到90FPS甚至120FPS,巨大的數據量加重系統負擔。尤其是內存帶寬,因為移動VR只能讓CPU和GPU共享低功耗內存,其帶寬實際上還是遠遠低于PC上的專用顯存的。


    【小箘觀VR】移動VR發展的五大挑戰


    節省顯存帶寬的基本策略包括使用圖形或色彩壓縮算法,例如ARM和AMD的自適應擴展紋理壓縮標準(ASTC)或者愛立信的紋理壓縮標準(ETC),目前它們已經成為OpenGL和GL ES的官方擴展的一部分。據了解,使用這些壓縮技術在一部分情況下能夠節省50%的帶寬。


    當然這里還有其他GPU技術,例如曲面細分,盡管會額外消耗一部分GPU資源,但它也能夠大大提高畫面細節。還有延遲渲染和Forward Pixel Kill可以避免重復渲染一些像素點,Binning/Tiling架構則將圖像分成小格依次渲染,這樣也能節省帶寬(不過會增加延遲)。


    另一方面,對于移動VR游戲開發者而言,犧牲部分畫面細節保障流暢性也是常用的手段之一。例如把定義畫面或色彩細節的數據從32位降低到16位,就可以大大減少數據量。同時,這些措施并不僅僅節省帶寬,對于移動VR電池續航也有一些幫助。


    【小箘觀VR】移動VR發展的五大挑戰


    延遲和顯示面板


    前面也提到了,目前高端VR頭顯一般采用OLED顯示屏,這是因為OLED像素切換速度更快,有助于緩解VR畫面延遲的問題。不過從另一方面講,高分辨率的LCD顯示屏成本仍然低于低分辨率OLED,同時我們通過優化軟件和屏幕本身也能在一定程度上緩解屏幕本身的缺陷,所以現在也有不少廠商重新改用LCD屏幕,例如很多國產VR廠商和微軟VR頭顯的低端型號。


    正常來說,VR的運動畫面延遲應該限制在20ms以內,這包含了傳感器檢測頭部運動、信號處理、畫面渲染、屏幕顯示整個過程。在整個延遲過程中,屏幕畫面的刷新速度占據了相當重要的一部分,其表現直接影響VR體驗,因為未經優化的LCD屏幕本身的延遲就可能超過20ms。理想情況下,屏幕延遲最好低于5ms,一般OLED屏幕可以做到這一點,而優化過的LCD則低于10ms,所以采用LCD的廠商還需要在其他地方進行優化,彌補這部分延遲。


    【小箘觀VR】移動VR發展的五大挑戰


    從目前VR硬件的發展狀況來看,由于OLED面板產能不足加上VR廠商迫切希望降低硬件成本,后續將會有更多VR廠商改為采用更具性價比的LCD面板。提供LCD高端面板的日本廠商通過技術改良優化了LCD的刷新率和像素切換時間,使得LCD更容易被應用到VR頭顯中。去年,日本顯示器公司JDI就曾展示過一種高密度的高速液晶面板,而VR箘也從中國廠商的介紹中了解到夏普公司也開發了類似產品。


    音頻和傳感器


    盡管我們對于VR體驗的大部分討論都集中在畫質方面,但空間音頻和高精度低延遲的傳感器對于VR體驗的沉浸感也十分重要。需要注意的是,在移動VR中,所有這些都需要考慮體積重量受限的機身和功耗。


    前面也提到了延遲的重要性,而傳感器延遲也是整個運動畫面延遲的一部分。目前,高端PC VR支持頭部追蹤和位置追蹤,而移動VR還只支持3自由度頭部追蹤,使用慣性測量單元進行頭部旋轉的追蹤。當然,今后還有眼球追蹤等新興技術,所有這些傳感器都需要持續收集數據并進行處理,這里就會產生微小的延遲。廠商需要考慮的當然是在保證追蹤精度的同時盡可能減少延遲,并降低功耗。


    【小箘觀VR】移動VR發展的五大挑戰


    對于音頻方面,盡管游戲業很早就開始使用3D空間音效,但目前很少有廠商將它與頭部運動相關聯并通過卷積混響實時處理,實現位置相關的真實空間音效,這部分內容的處理也非常消耗處理器計算資源。對于PC,我們可以使用強大的cpu進行處理,而移動VR,最好的辦法則是應用專門的DSP進行處理,可以極低功耗完成同樣的任務。


    從目前來看,最適合傳感器和音頻處理的移動Soc應該是來自高通的驍龍系列,它支持CPU、GPU和DSP的異構處理,可以平衡計算性能和功耗,提供最優秀的移動VR表現。


    開發者和軟件


    任何優秀的硬件最終都離不開大量開發者的支持,VR硬件需要配套專門的軟件平臺,支持主流游戲分開發引擎和SDK,方便開發者制作自己的應用。目前,VR平臺廠商開始考慮聯合制定相關的VR開發標準,這樣可以減少開發者為平臺移植應用的成本,防止“重復造輪子”,加速VR內容的積累。


    SDK包含VR軟件平臺的關鍵技術,對VR體驗影響很大,例如著名的異步時間扭曲(ATW)技術,可以減少GPU渲染開銷,提高移動VR的流暢性。其他還有光學畸變校正和立體透視渲染等,減少VR畫面的形變等問題。


    目前,各大主流平臺都能夠提供支持廣泛的SDK,開發者可以使用Unity或者虛幻引擎進行開發,而VR軟件標準則尚在討論中。此前,Khronos組織宣布成立OpenXR標準,提供VR標準化API,但這個標準至少要到2018年才能夠正式發布。


    【小箘觀VR】移動VR發展的五大挑戰


    總結


    移動VR和高端VR代表了虛擬現實的兩種不同發展方向,目前,高端VR體驗比較出色,而移動VR由于成本較低,更容易收獲大量用戶群。不過從目前的發展來看,高端VR更容易獲得更多優秀的VR內容,能夠收獲一批早期的核心用戶,其發展速度比移動VR更快,不過隨著虛擬現實的逐漸成熟,相信移動VR在用戶基數方面的優勢將會逐漸展現。

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