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西安滑轨屏 PC虚拟现实应用的质量分析与优化:从CPU角度切入

时间:2021-01-29 13:27来源:网络整理 点击:

如今,虚拟现实(VR)技术正日益遭到欢迎,这主要得益于遵循摩尔定律的技术进步让这一全新体验在技术上成为可能。虽然虚拟现实能给用户带来身临其境般的超凡体验,但相比传统应用,其具有双目渲染、低延迟、高分辨率以及高帧率等严苛要求,因而极大地增加了CPU和GPU的计算工作负载。鉴于此,质量问题对于虚拟现实应用尤为重要,因为虚拟现实体验如果没有经过优化,会出现低帧率或高延迟的问题,让用户使用时出现眩晕的情况。在本文中,我们将引见一种适用于所有底层引擎或虚拟现实运行时(VRruntime)的通用方法,分析基于PC的虚拟现实应用面临的瓶颈问题。我们以腾讯*的一款PC虚拟现实游戏《盘古》*为例展示分析流程。

虚拟现实游戏和传统游戏在渲染管线上的区别

在探讨分析详情之前,我们先来解释一下CPU在虚拟现实中发挥重要作用的原因及其对虚拟现实质量的影响。图1所示为传统游戏的渲染管线,其中CPU和GPU是并行处理的,以实现最高的硬件利用率。但此方案并不适用于虚拟现实,因为虚拟现实需要较低和稳定的渲染延迟,传统游戏的渲染管线无法满足此项要求。

以图1为例,帧N+2的渲染延迟远高于VR对延迟的最低要求,因为GPU必须先完成帧N+1的工作,再来处理帧N+2的工作,因而使得帧N+2产生了较高的延迟。此外,由于运行情况不同,帧N、帧N+1和帧N+2的渲染延迟也会有所差异,这对虚拟现实的体验也是不利的,因为不断变动的延迟会让用户产生模仿疾病(simulation sickness)。

图1:传统游戏的渲染管线。

因而,虚拟现实的渲染管线实际上如图2所示,这样能确保每帧可以达到最短的延迟。在图2中,CPU/GPU未进行并行处理,这样虽然降低了效率,但可确保每帧实现较低和稳定的渲染延迟。在这种情况下,CPU会成为虚拟现实的瓶颈,因为GPU必须等待CPU完成预渲染工作(绘制调用准备、动态阴影初始化、遮挡剔除等)。CPU优化有助于减少GPU闲置时间,提高质量。

图2:虚拟现实游戏的渲染管线。

《盘古》*虚拟现实游戏的背景

《盘古》*是腾讯*利用Unreal Engine* 4开发的一款基于PC的DirectX* 11 FPS虚拟现实游戏,支持Oculus Rift*和HTC Vive*。为了使《盘古》*在英特尔?酷睿?i7处理器上实现最佳的游戏体验,我们与腾讯*密切合作,努力提升该游戏的质量与用户体验。结果显示,在本文所述的开发阶段,帧率得到了显著提升,从早期测试时Oculus Rift* DK2 (1920x1080)上的每秒36.4帧(fps)跃升至本文撰写时HTC Vive* (2160x1200)上的每秒71.4帧(fps)。以下为开发工作开始和本文撰写时使用的引擎和虚拟现实运行时:

在开发阶段使用不同虚拟现实运行时的原因在于,《盘古》*最初是在Oculus Rift DK2上开发的,而当时Oculus Rift CV1和HTC Vive尚未发布。在HTC Vive正式发布后,《盘古》*便迁移至该设备。评估显示,采用不同的虚拟现实运行时在质量方面没有显著的差异,因为Oculus和SteamVR运行时采用了相同的虚拟现实渲染管线(如图2所示)。在此情况下,渲染质量主要由游戏引擎决定。这点可在图5和图14中得到验证,Oculus和SteamVR运行时在每帧的GPU渲染结束后才插入GPU任务(用于镜头畸变校正),在渲染方面仅消耗了少量时间。

下图所示为优化工作前后的游戏截图,请注意绘制调用次数在优化之后减少至原来的1/5,每帧的GPU执行时间平均从15.1ms缩短至9.6ms,如图12和13所示:

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