邱振青

摘 要：一體式虛擬現(xiàn)實（VR）頭盔是當(dāng)今熱門的虛擬現(xiàn)實設(shè)備，其應(yīng)用了多個領(lǐng)域的專業(yè)知識和技術(shù)，為客戶提供沉浸式體驗。本文從虛擬現(xiàn)實頭盔設(shè)備的特點出發(fā)，分析了一體式VR頭盔光學(xué)設(shè)計、芯片平臺選取、散熱和溫控設(shè)計、圖像渲染技術(shù)、控制技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)，比較完整地闡述了VR頭盔設(shè)計和應(yīng)用中的關(guān)鍵點，以供借鑒和思考。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;圖像渲染;沉浸式體驗;散熱和溫控

中圖分類號：TP131 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0030-02

目前的一體式虛擬現(xiàn)實頭盔發(fā)展迅速，產(chǎn)品眾多，國內(nèi)外成功產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，使人們沉浸在一個個虛擬的世界中。它是怎么工作的，它的關(guān)鍵和核心技術(shù)是什么？本文從光學(xué)設(shè)計開始，通過芯片平臺選取、散熱和溫控分析，逐步進(jìn)入核心的圖像渲染技術(shù)和控制技術(shù)，最后對其他相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了探討，以探索這個問題的答案。VR的各項技術(shù)在早期滿足虛擬現(xiàn)實頭盔的基本功能之后，經(jīng)過了不斷的發(fā)展，正在產(chǎn)生特有的技術(shù)，并在不斷地和新技術(shù)結(jié)合，推動虛擬現(xiàn)實頭盔的沉浸感越來越強(qiáng)。

1 VR光學(xué)設(shè)計

VR的光學(xué)原理如圖1所示，是比較典型的凸透鏡成像，一般采用不對稱凸透鏡，以滿足兩側(cè)不一致的焦距大小要求。屏幕在一倍焦距以內(nèi)，根據(jù)凸透鏡成像原理，可以從透鏡的另一側(cè)觀測到一個放大的虛像。所能觀測到的最大虛像邊緣和人眼形成視場角（FOV），它有X軸視場角和Y軸視場角之分，度數(shù)可以不相等。

由于人眼的視場角可超過180度，好的沉浸感必然要求大視場角，以滿足人眼的需求。大視場角會提高放大倍數(shù)，這既對透鏡提出了要求，也對屏幕提出了要求。對于透鏡來說，不但要滿足光學(xué)參數(shù)要求，還需要保持輕薄;對于屏幕來說，放大倍數(shù)大了，為了防止人眼看到像素柵格，屏幕分辨率必須相應(yīng)提高。

另外，好的沉浸感也要求整個VR不能漏光，對人臉的包裹性和舒適度提出了要求。

2 VR芯片平臺選擇

一體式虛擬現(xiàn)實頭盔顯示系統(tǒng)大多脫胎于智能手機(jī)系統(tǒng)，所以可選的芯片也基本來自于該領(lǐng)域。隨著VR市場的發(fā)展，已經(jīng)開始出現(xiàn)多款VR專用芯片。表1選取了多個VR常用芯片，并列出了它們的基本性能參數(shù)，其中SXR1， Exynos 8890VR，S900VR即為VR專用芯片，它們是芯片廠家根據(jù)VR的特點通過將移動SoC（System on Chip）進(jìn)行裁剪而成的。

對于VR頭盔芯片來說，要求CPU性能高，核數(shù)多，功耗低，以保證持續(xù)高性能輸出;同時圖像渲染能力要強(qiáng)，支持的屏幕分辨率要非常高。從這幾個標(biāo)準(zhǔn)看，高通的高端芯片和三星的VR芯片稍好一些，國產(chǎn)芯片也在快速追趕，并在VR影院等方向占據(jù)了相當(dāng)?shù)氖袌觥?/p>

3 VR散熱和溫控技術(shù)

散熱和溫控技術(shù)對VR來說有比較重要的意義，主要原因在于VR需要持續(xù)的CPU高算力、GPU高渲染能力、Sensor高采樣率輸出，一旦有一點能力跟不上，屏幕撕裂，顯示卡頓等現(xiàn)象很快就會被用戶感知到。而持續(xù)的高性能輸出會伴隨著比較多的熱量產(chǎn)生，熱量累計會對系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響?；赩R設(shè)備的特點，只能采用依靠物理散熱，輔以軟件方法的策略去處理散熱和溫控。

物理散熱的方法一般有熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射方式。VR一般采用石墨或者銅片把主芯片或其他熱源上的熱量導(dǎo)至散熱片，然后通過散熱孔形成熱對流散熱。當(dāng)然也可以將散熱片上的熱量進(jìn)一步導(dǎo)至金屬外殼，通過外殼將熱量對流或輻射出去，以增強(qiáng)散熱效果。

軟件策略上根據(jù)VR持續(xù)高性能輸出的要求，需要避免拔核或是將CPU、GPU頻率降得很低的方式去降低功耗，可采用將CPU、GPU頻率限定在一個中高范圍內(nèi)的方式，達(dá)到降低功耗的目的。

4 VR圖像渲染技術(shù)

圖像渲染技術(shù)是VR的核心技術(shù)，早期的VR頭盔系統(tǒng)大多從安卓系統(tǒng)發(fā)展而來，需要解決左右分屏顯示問題。通過將整個渲染管線[1]運(yùn)行兩遍，形成左右兩個顯示圖像，或者在考慮瞳距因素的情況下，優(yōu)化運(yùn)行一次渲染管線，都能夠很好地解決該問題。同時，VR對凸透鏡的使用引入了畸變和色散，也需要通過GPU去進(jìn)行消除。根據(jù)Brown模型，通過提前對圖像進(jìn)行桶形處理，可以達(dá)到反畸變的效果。對不同波長的光進(jìn)行針對性的桶形矯正，就可以解決色散的問題。

在基本需求得到滿足之后，另一個關(guān)鍵問題——眩暈問題開始突出，這主要是由于從頭部動作傳導(dǎo)到顯示的時間延遲導(dǎo)致的。為了減少延遲，必須提高屏幕刷新率，這會縮短渲染時間，但GPU的能力有限，有時渲染幀不能在一個垂直同步周期內(nèi)完成，顯示器只能顯示前一幀數(shù)據(jù)，反而增加了延遲。異步時間扭曲算法在一定程度上緩解了這個問題。該算法需要創(chuàng)建一個異步線程，當(dāng)異步線程發(fā)現(xiàn)正常渲染線程未能在某個時間節(jié)點之前完成所需的工作，即在垂直同步信號到來之前無法完成渲染幀時，該異步線程會搶占GPU，并將前一幀的圖像添加頭部動作信息后進(jìn)行重新投影，并發(fā)送到顯示模塊進(jìn)行顯示。據(jù)此保證了刷新率的穩(wěn)定性，達(dá)到了穩(wěn)定減少延遲的效果。

同時，為了盡可能降低顯示傳輸延時，虛擬現(xiàn)實頭盔還會使用單緩沖渲染技術(shù)，將數(shù)據(jù)直接發(fā)送到顯示模塊。在現(xiàn)有的顯示技術(shù)中，雙緩沖和多緩沖渲染是主流，它可以防止屏幕撕裂的發(fā)生，并爭取更多的渲染時間。然而，在虛擬現(xiàn)實頭盔設(shè)備中，多個緩沖會導(dǎo)致頭部運(yùn)動信息不能及時被發(fā)送去顯示，導(dǎo)致延遲，反而有害。

另外，現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實頭盔使用的分辨率一直在不斷提高，屏幕刷新率也在穩(wěn)步提升，導(dǎo)致GPU負(fù)擔(dān)不斷增加。焦點渲染與眼球跟蹤相結(jié)合的技術(shù)可以只對用戶感興趣的區(qū)域進(jìn)行高分辨率渲染，模糊化處理其他區(qū)域。該技術(shù)可以在獲得基本一致的顯示效果的情況下，大大減輕GPU的負(fù)擔(dān)。

5 VR控制技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)

VR的控制系統(tǒng)一般分為頭控和外部控制系統(tǒng)。常見的VR頭控系統(tǒng)是由3軸加速度儀、3軸陀螺儀和3軸磁力計組成的9軸三自由度頭部動作控制系統(tǒng)，通過引入SLAM[2]（即時定位與地圖構(gòu)建）技術(shù)，也可支持六自由度頭部控制系統(tǒng)。外部控制系統(tǒng)有遙控器、手勢識別等外部輸入控制系統(tǒng)，遙控器目前也可通過超聲波陣列結(jié)合9軸傳感器進(jìn)行六自由度支持。

一體式虛擬現(xiàn)實頭盔在不斷向輕巧、高度沉浸方向發(fā)展。技術(shù)的不斷進(jìn)步正在功耗、性能、重量等眾多領(lǐng)域取得不斷進(jìn)步。尤其是即將商用的5G通信技術(shù)的發(fā)展將使分離渲染成為可能。繁重的3D內(nèi)容渲染在云端完成，頭控等動作信息渲染在虛擬現(xiàn)實頭盔端完成，通過5G通信連接，這將大大降低虛擬現(xiàn)實頭盔的對計算能力的要求，從而降低功耗和減輕重量。虛擬現(xiàn)實頭盔的特性也將使5G通信技術(shù)的高帶寬和低延遲特性得到充分利用。

6 結(jié)語

綜上所述，本文分析了一體式虛擬現(xiàn)實頭盔設(shè)計與實現(xiàn)中的多個關(guān)鍵技術(shù)，并從一體式虛擬現(xiàn)實頭盔的需求出發(fā)，闡述了它們是如何工作的。本文研究時間比較短，還存在著一些不足，希望相關(guān)的研究能夠?qū)σ惑w式虛擬現(xiàn)實頭盔的發(fā)展有所幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] Dave Shreiner，Graham Sellers，John Kessenich，等.OpenGL編程指南[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[2] Durrant-Whyte H， Bailey T."Simultaneous localization and mapping： part I"[J]. IEEE Robotics & Automation Magazine，2006，13（2）：99-110.