VR爆棚：三种形态和三大关键指标是什么？

2016年被称为虚拟现实（VR）元年。这一年，全球硬件、内容、资本巨头动作频频，短短几个月就有Oculus Rift、HTC Vive以及PlayStation 4 VR几款头显设备先后推出。再加上今年推出的第三代Gear VR手机盒子和国产初创公司大朋VR一体机M2，各大VR品牌正式进入大众视野。VR被业界期望为下一个改变世界的计算平台。然而，元年也意味着仅到试水期，VR要广为大众所接受，还有许多技术上（比如眩晕、有线、3D效果）和成本上的挑战需解决。 今年，虚拟现实领域的重点已日趋转向虚拟现实游戏和电影。但是想要体验小说中的虚拟现实还是一个梦。首先VR眼镜是基础。但是根据NVIDIA估计，2016年全球只有1300万台PC能提供虚拟现实设备所需的图形处理能力。高端PC在全球14.3亿PC当中占比不到1%。 让虚拟显得如此真实，需要极高的密集硬件性能，而且大多数PC难以满足虚拟现实的需要。根据Facebook的建议，Oculus虚拟现实头盔推荐PC配备一张NVIDIA GTX 970或AMD Radeon 290显卡，而这两种显卡的售价都在2500RMB以上，与一台Xbox One或者ps4主机差不多。 显卡只是一个方面，以Oculus虚拟现实设备为例，还需要再配备Intel Core i5以上的CPU，8GB以上内存以及2个USB 3.0端口，才能表现出稳定的90fps画面帧数。这样人类大脑才能认为图像是真实的,否则较低的画面帧数将让用户产生眩晕感。 以下，EDN China将首先从已上市的几款最火的VR设备的特点入手，谈谈VR的关键指标要求，及其目前和未来所存在的技术挑战。 VR头盔、手机盒子、一体机三种形态的区别在哪里？ 首先我们来看下，VR的三种形态——头盔、手机盒子和一体机分别具有什么特点。以下是Oculus Rift、HTC Vive和PlayStation VR三大头盔的具体参数对比图。

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1. Oculus Rift CV1头盔 Oculus Rift是Oculus首款面向消费者推出的游戏外设产品。Oculus已经和多家游戏开发商签署了合作协议，所以Rift平台的独占游戏内容是一大优势，而且其在眩晕问题上下了不少功夫。 2. HTC Vive头盔 HTC Vive是由HTC和Vavle联合开发的一款VR产品，它和Oculus Rift一样都不能单独使用，需要连接一台高配置电脑并且通过两个定位器来提升沉浸式体验。 HTC Vive的硬件配置和游戏内容都要优于Oculus Rift，但需要注意的是，尽管有Steam平台的支持，但数下来只有17款游戏支持HTC Vive，中文游戏更是只有两款，所以游戏内容还是HTC Vive的一大坑。 3. PS VR头盔 与上述两款产品相比，索尼的PS VR定位较为特殊，它是面向主机开发的VR设备。从其预售的情况来看，PS VR几乎是爆款般的存在。

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PS VR的套装除头盔之外，还有两个Move体感控制器、PS4 Camera摄像头以及耳机。PS VR价格还算业界良心，不过前提是，你得有一台PS4。 上文提到的三款VR产品属于头盔形态，总结其有几大特点：配置高、体验好，适合玩重度游戏，不仅性能好，玩家也多。就目前来说，头盔当属最强的VR形态。性能强了，价格自然也会更高。除去头盔本身的成本，与其适配的电脑最少也是上万元的档次了，这恐怕不是普通消费者能接受的吧！ 4. Gear VR（第三代）手机盒子 Gear VR头盔由三星和Oculus联手打造。它需要通过手机来处理和显示VR效果。硬件部分由三星完成，软件算法由Oculus开发，虽然体验不如前面三款产品，但是用来入门体验还是不错的选择。

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Gear VR与前面三款产品不在一个量级上，不过，因为其软件也是出自Oculus，整体体验还凑合，关键是价格仅为99美元。但是，如果想入手Gear VR，还需要配备三星Note 5、Galaxy S6系列或者Galaxy S7系列手机。 5.大朋M2一体机 M2是上海乐相科技推出的新一代VR设备。其令人印象最深刻的是内置了专门为一体机开发的软件系统——大朋VR OS系统。有趣的是，大朋M2还配备了三星的AMOLED 2K屏幕和三星Exynos 7420处理器（这被外界吐槽为把三星Galaxy S6做进了VR头盔）。

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VR一体机的形态介于头盔和手机盒子之间——比手机盒子体验好，又比头盔便宜，但是论性能、论便携性都不是最佳。 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} VR体验之三大关键技术指标 根据“全球VR技术标准”，首次明确VR产品三大关键技术标准——低于20ms延时、75Hz以上刷新率及1K以上陀螺仪刷新率，这将成VR新行业的游戏规则。 VR的体验实际上需要复杂的技术处理流程——从传感器采集、传输、游戏引擎处理、驱动硬件渲染画面、液晶像素颜色切换，最后到人眼看到对应的画面，中间经过的每一个步骤都会产生一个延迟。由此，衍生出VR产品必须支持的三个关键参数指标——20ms延时、75Hz以上画面刷新率及1K以上陀螺仪刷新率。 VR延时指VR设备头部运动与视觉感知的匹配程度。人类生物研究表明，人类头动和视野回传的延迟须低于20ms毫秒，否则将产生视觉拖影感从而导致强烈眩晕。按照以上三大指标的算法VR标准解析如下。 目前TFT屏幕延时本身都高于20ms，故VR产品硬件只考虑OLED或更好屏幕。我们先来看一下通常OLED屏幕刷新率在60Hz的情况，用公式1s/60Hz=16.67ms，再除以2只眼睛来推算，每只眼的延时8.3毫秒是该VR设备无法绕开的硬延时。若要达到较好VR体验，还需考虑“OLED屏幕延时2ms毫秒”+“反畸变和反色散算法延时”的3ms毫秒+“1K刷新率陀螺仪本身延时1m精度加数据上报延时1ms”的2ms毫秒，则VR产品的GPU性能速度必须在20ms-8.3ms-2ms-3ms-2ms也就是4.7ms内做完各种渲染回传至人眼。依据目前芯片GPU性能推算，当屏幕刷新率在75Hz或以上时，VR产品的体验效果则愈发流畅，故芯片GPU的能力以及配套的深度算法是决定VR产品体验的关键因素。 提高刷新率是提升VR体验的大势所趋，刷新率越高VR延时越小，屏的闪烁感以及延时也会得到改善，体验也越好；而采用低于60Hz刷新率屏幕甚至是TFT屏幕的VR产品在延时方面无法提升，体验极为糟糕且眩晕感强烈，被业内定义为缺陷级VR产品。故当前支持刷新率在75Hz~90Hz区间的VR设备为入门级标准指标；高于90Hz的VR设备为中阶VR产品。 VR产品GPU需不低于3亿的三角形输出率 通常VR业界将其划分三大类别：移动端头显、PC端头显和一体机头显。要获得更优质体验无论哪种形式的VR，对芯片图形图像处理器GPU性能的要求都非常高，GPU决定了是否能满足20ms毫秒以内延时及支持75Hz~90Hz屏幕刷新率这两大VR关键指标。 GPU性能量化一般由业界标准的“三角形填充率”为依据，按照目前市场上主流入门级VR的GPU所采用的maliT760MP4性能推算，28nm HPM制造工艺下运行频率600MHz，输出率每秒超过3亿个三角形、每秒2.6G像素填充率。故GPU性能每秒必须达到300M即3亿的三角形输出率才符合入门级别VR产品的要求，所有GPU三角形输出率低于13.9亿数值的芯片，无论CPU是四核还是八核的配置，都不符合入门级别VR产品行业标准，更无法支持主流中阶VR市场。 VR产业技术标准将净化市场 市场研究机构Strategy Analytics最新全球虚拟实境头戴式装置预测报告显示，2016年全球虚拟实境（VR）头戴式装置的出货量约有1280万台。强劲行业规模与市场爆涨速度的同时，不可避免地产生了阴影，包括硬件产品形态各异、关键参数模糊不明，体验感极其差、价格两极化等。在“逐利”的本质驱动下，产业活跃着大炒概念炒作、混淆视听者。 作为下一个改变世界的计算平台，VR产品的使用体验将直接影响整个行业的进程。最新全球VR技术标准，对产品延时及刷新率做出的明确要求，这将迅速规范VR行业并提升消费市场认知。 业内分析，在VR硬件开发过程中，光学技术、沉浸式方案、跟光学配合的结构设计、SDK、开发者工具是整合方案，如果最基础技术指标都无法达到，体验就不可能做好，VR产业生态也就无从谈起。此期间出炉的VR产业技术标准，无异起到净化行业的作用，它将加速体验感较差、影响VR产业发展进程的品牌、解决方案商淘汰速度。 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} VR头盔为何要有那么一根线？ 此外，对于VR头盔来说，把线搞掉是大事情。体验过好VR头盔的人都会觉得十分震撼，但头上接着根线总觉得十分别扭。特别是对于HTC Vive和VR体验馆来说，两者都强调用户能够在空间中自由行走，然而有线成了一种羁绊。因此，很多做VR硬件的公司都在尝试解决这个问题。 解决方案一：PC串流 这是比较容易想到的一个方法，也就是用无线传输替代有线传输，画面在PC上渲染完后通过WiFi串流到头盔上（类似Steamlink这种将PC游戏串流到电视的功能）。这里面的问题在于延迟，在VR当中，画面显示的延迟需要很低，通常20毫秒被业内认为是个分水岭。 现在的视频串流技术可以将延迟降到1毫秒以下，这很不错。不幸的是，一段未压缩的1440p 90hz视频流的数据量高达8Gb每秒。而目前即便是高端的千兆路由器也满足不了这样的带宽需求。为此，图像必须在压缩之后再进行传输。然而压缩和解压的过程会增加80毫秒左右的延迟，足以让你戴一会儿就吐。 这个问题有几个解决办法： 提高带宽 有一个显而易见的方法是提高带宽，先说远一点的，5G网络未来可以达到1Tbit每秒，介时8K分辨率的头显也能不用压缩地使用无线传输，只是这大概还要5年才能实现；近一点是Li-Fi，这种技术能够实现10GBps的低延时传输，而且可能在未来几年就能商用；而最让人充满期待的可能是新一代无线网络标准802.11ad，也就是WiGig。802.11ad协议的最高传输速度在7Gb/s，而且延迟很低。而且莱迪思半导体旗下的SiBEAM称，目前自己已能使用标准CMOS技术制造60GHz芯片配合Snap技术，传输速度可达12Gb/s。

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上面这些办法属于比较靠谱的，最大的问题是技术离商用还有一段时间，而且到时估计也非常贵。 本地图像变换（Local Image Warping） 一种更复杂的办法是接受这80毫秒的延迟，然后尝试在事后解决问题，方法是将旧的图像转换到新的头部位置。这仍然会产生一些输入延迟，但不是让你想吐的那种头部运动。 本地图像变换的标准做法是异步时间扭曲（Asynchronous Timewarp，ATW，一种生成中间帧的技术），从PC端接收数据，然后用头显端一个小的GPU对其进行转换，从而以一个新视角来显示旧图像，使得尽管有高延迟，图像更新也是流畅的。 乍看起来，这个办法相当不错，但其实还是有一些问题。比如，由于ATW产生的图像只初始图像转换而来，它并不知道物体的运动轨迹，所以图像失真仍然会出现，表现出来就是运动物体出现重影的情况。

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针对这些问题也有很多解决办法，但全部都会留下图像失真的情况，而失真最少的办法通常是最耗计算资源的。为此，开发者需要找到一些办法，传输额外的数据以进行弥补。可能的一些方法包括：把远景和近景分开渲染并同时传输；渲染一个光场；开发复杂的头部运动模型来预测头部运动。但是这些都没有达到完美。 解决方案二：本地渲染 另一个完全不同的解决办法是忘掉PC，把渲染的工作交给头盔，也就是业内常说的“一体机”。微软的HoloLens和三星的Gear VR都是这么做的。 关于HoloLens目前知道的还不是很详细，但Gear VR的局限则很明显。移动GPU仅能支撑最基本水平的VR体验，还需要强优化才行。散热也是一大问题，导致帧率上不去，另外头盔也缺少位置追踪。不过随着移动技术的进步，摩尔定率发挥作用，这些问题可能会有所改善。

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当然，Gear VR并不是真正的一体机，它用的是手机，而手机并不是专门为VR设计的。如果从头开始开发一款移动VR设备，能做的改变有很多。比如你可以用两块高端移动GPU，高刷新率的屏幕以及一块更大的电池。各个部件可以不用集成在一起，让头盔的重量分布更加均衡，同时也改善散热。最终的产品形态可能和索尼PS VR很像。

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还有一种背包式的产品形态，类似于将一台主机背在身上，用以驱动头显。目前已经有一些方案出来，存在的问题包括背包可能太重（有时重达3公斤），影响移动性。

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移动VR体验逼近PC VR还有多远 就长远来看，无线VR头盔肯定是个大趋势，但这个未来什么时候能到来呢？MAKEUSEOF的作者Andre Infante帮我们从摩尔定率的角度来计算了一下： 目前高端PC要达到1080p人眼水平逼真的游戏体验还需要5个翻倍（摩尔定律，PC性能每18个月翻一倍）。对于VR来说，3D效果还需要翻倍，而去掉网格效应的8K每眼分辨率需要再翻3倍。另外，移动平台还需要翻4倍才能赶上PC。 把这些倍数加起来再乘以18个月，结果是大约20年。到那时，人眼便看不出移动VR和PC VR渲染的画面之间的区别了。 在此之前，有线和无线的PC VR可能都会一直存在。 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载