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Nibiru VR Development Other Tools Nvidia对vr的延迟渲染效率优化

Nvidia对vr的延迟渲染效率优化

Irving Post time 2016-6-6 14:52 | Show all posts |!read_mode! [Copy URL]
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      vr现在正处于风生水起的阶段,但是vr的性能一直是大问题,最主要的问题就是响应延迟,玩家改变位置到这一位置的图像被cpu提交,gpu渲染,同步刷新到头部显示设备上,这中间的延迟会导致用户的头晕,减少相应的延迟,是vr从硬件到软件一直在优化的问题。Nvidia针对这个,新推出了VRWorks组件,这是一套软硬件结合的改善响应延迟以及提高vr渲染效率的方案,从硬件上做了一些改进和加速,同时也提供了一组api,去为你的vr应用和vr设备提供优化的方案,每当技术存在瓶颈时,硬件的改进永远是推动性巨大的。在vrwork的优化方案中,有很多很值得学习和研究的地方,也有助于我们理解vr的性能瓶颈所在,这里做一下归纳。

  vr的性能瓶颈来源1.vr需要至少同时渲染2 张50fps的图像,比常规的pc渲染量都要大。
2.vr对输入延迟性要求很高,因为对输入超过20ms的延迟都会引起用户的不适。


VR WORKS的优化1.vr sli 多显卡支持通过增加显卡,增加渲染性能。


常规的多显卡渲染是这样的,






即显卡0和显卡1轮流渲染第n帧和第n1帧,但是要求cpu要提交的足够快,因为cpu还是要提交两份drawcall,cpu不能成为瓶颈,这种方式从绘制n到n绘制出来的延时如图。


vrworks 做了改进,如图

让显卡0和显卡1负责绘制左右两眼,而cpu为两个显卡提供一模一样的drawcall,因为zaivr的两眼绘制的东西基本是一样的,除了perspective矩阵不一样。而vrworks通过其api,实现了一组draw call 对多个显卡的广播,并可以为不同显卡设置不同的perspective(常量)。这样cpu一份drawcall对于两眼,而两眼的绘制在两个cpu并行,延迟大大节省。当然这里还有一些可能可以优化的,比如很多东西,例如shadow map,基于gpu的一些物理可能不需要在两个gpu都做一遍,可以优化一下。


2.Multy Resolution Rendering 多分辨率渲染。

这个在vr领域算是经典的优化了,很多vr设备都做了这个,原理来源于,vr的图像为了适应眼镜的变形要做卷曲(wrap),如图



我们需要得到的是右边的图,但是渲染出来的都是左图,所以一般都是在最后将左图在图像上做处理,变成右图,这样我们可以看到其实左图在边缘处很多像素在卷曲后被浪费了,于是人们就像我们是不是可以对vr的图像做不同分辨率的渲染,即中心区域用比较高的分辨率,而边缘位置用较低的分辨率,极限情况下,将大部分边缘降低分辨率,可以减少50%的pixel的渲染,提高一倍的效率。

但是常规的渲染管线,要这样做,得不偿失,因为你要切分这个区域,定义多个不同大小的viewport,然后将物体依次渲染到多个viewport上,当然你可能会想到对不同的viewport可以剪裁掉不同的物体。
但是nvidia的maxwell架构的芯片,即GTX900以上(也就是为什么做vr要用好的显卡)支持了一种叫做multi-projection的技术,即在显卡层面,支持同时运行多个视口和投影,他不同于常规管线,他在管线中并行了多个投影,同时渲染到多个viewport,pipeline还是一次,只是在后面将这些像素绘制到多个viewport,这就是硬件层面的多适口多分辨率。


3.asyncchronous timewarp 异步时间卷曲


timewarp也是vr很经典的优化,在occlus等早已使用,如果没有timewarp,我们会感觉很大的延时和眩晕。因为就算帧率再高,我们看到影响的那一刹那,渲染的也是过去某个时刻的图像,和我们当时所处的位置是不一样的,这种不一致随着帧渲染耗时的增长而增长,这种timewarp的做法是,在gpu绘制结束,扫描给显示屏前,将这个图像做一个图像空间的位移,以校准我们当前的位置,也就是说处于p0位置渲染的图像,在p1位置绘制好给我们,我们需要将其校准成p1位置的样子,这种校准有很多算法,都是在图像处理上做的平移,这样我们会感觉到看见的和我们的位置是同步的。


但是在传统的渲染中,这些工作是在一个流水线上的,也就是同步的,当某一帧很耗时很卡时,用户会迟迟收不到当前位置校准的图片,一直停留在上一帧的图片,因为gpu卡住了,后面的校准(timewarp)也不能进行,用户会感觉强烈的卡和眩晕。

这里就提出了一个异步 timewarp的概念,即在gpu上有一个独立的线程做这个warp,即不管你主线程渲染卡成什么样,我这个独立的线程会按照帧率给你每个位置的warp,给你最新的基于你位置的图像,这能解决很卡很卡时我们依然能够得到模拟的图像。但是传统的gpu不支持这种独立的线程。nvdia的vrworks加入了这个。他加入了一个high-priority context的概念,允许用户启动一个优先级最高的线程最warp,独立于你的渲染线程。

4. direct mode

传统的渲染,pc的显示器会把vr眼镜作为显示器的一个显示扩展,vr眼镜和gpu是没有直接交互的,而vrwroks里可以开启vr headset的直接模式,让gpui直接将图像扫描到vr设备。


5.Front Buffer Rendering

在direct mode下允许直接渲染到vr设备的front buffer上,还是为了减少延迟,但是直接到front buffer 上的画面撕裂问题还未解决。


这就是nvidia vr works对vr的性能的优化,也许对于vr应用开发是个好的消息,同时从中我们也可以一窥vr中的性能瓶颈和解决思路。

最后这是vr works 现在的软硬件支持情况:

pc, D3D11 only, windows7 +, Multi resulution rendrering 要gtx 900+(maxwell arc),其他的那些要GTX 500 +。


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