ATW技術異步時間扭曲 ATW偏光器技術原理

今年3月份的GDC大會上，Oculus Rift宣布為消費者版頭盔加入了異步時間扭曲(Asynchronous Timewrp,簡稱ATW)功能，將提升畫面渲染的連貫性并增強用戶沉浸感。該技術曾作為賣點出現在各大公司的宣傳材料中:三星Gear VR是最早使用該項技術的移動VR設備，樂相科技表示ARM為其提出的Front Buffer和Context Priority進行了芯片定制設計，因此自家的移動VR設備支持ATW技術，焰火工坊表示其在Oculus提供的源代碼上進行修改實現了對異步時間扭曲的部分支持;而Nvidia早前發布的Gameworks VR開發套件將ATW技術列為圖形渲染優化中的重要內容，AMD也在其提供的虛擬現實解決方案Liquid VR中加入對ATW的支持。

異步時間扭曲本質上是一種生成中間幀，進而提升顯示幀率保持畫面連貫性的技術。由于遇到復雜場景時設備渲染計算的時間無法控制為一個定長，一旦其渲染速度低于屏幕刷新頻率，就會發生連續兩幀出現同一個畫面的情況，進而用戶會感受到畫面的抖動，物體運動的不連貫性。而ATW技術可以由前一幀的畫面場景，借助陀螺儀等慣性測量裝置對人運動的測量和預測進行畫面的預渲染，這可以理解為對下一幀視覺效果的“預測”。一旦發生視頻幀率下降的情況，通過插入中間幀可以避免顯示效果受到劇烈影響。ATW技術也讓VR設備保持較低幀率運行，當用戶保持穩定的運動時預測的中間幀與實際畫面相差無幾，可以通過相互的替代減小特定情況下GPU的運算壓力。

所謂“異步”，是指ATW線程獨立于渲染線程，在每次垂直同步之前，ATW線程根據渲染線程的最后一幀生成一個新的幀。通過時間扭曲和幀緩沖的分離，用高刷新頻率換取較低時延。在執行中，由于第一次垂直同步時Frame N的渲染尚未完成，此時會調用經由前一幀渲染的ATW幀進行插入，而第二次時鐘同步時Frame N已完成渲染，直接掃描輸出，在這種情況下，一倍的渲染對應兩倍的垂直同步，幀率可以在低渲染計算下得以保持。

從思路上看異步時間扭曲技術較為直接簡潔，但其對GPU及操作系統的進程處理方式有特定要求。首先其要求GPU支持搶占式上下文，在上下文切換時圖形處理將會被給予更高的優先權，以使得ATW需要插入的中間幀能夠在正常的渲染任務間見縫插針的優先執行，避免垂直同步時中間幀隊列取空的窘境。大部分Mobile GPU支持該功能而桌面GPU大多不支持，這也是ATW技術盡管由Oculus工程師提出但最先為Gear VR實現的主要原因。此外，ATW也要求操作系統支持主表面寫入，Win10對該功能的支持程度優于Win8。

ATW技術也會在顯示中引入一些特殊難題。首先，目前主流的基于方向的時間扭曲無法處理位置上的移動，在生成中間幀時改變圖像渲染的視角不難，而對前后移動則需要加入深度測量設備，左右移動甚至會在場景中引入新的物體，這從上一幀圖像中無從推斷。因此對于用戶發生平移時，中間幀并不準確，而與后續渲染幀的連續顯示會在屏幕上引入圖像疊加的抖動，其視覺效果較為明顯。這可以通過要求用戶保持靜止使用設備而避免，但似乎在激烈的動作游戲或者VR主題公園此類要求顯得不合情理。另一大問題是目前ATW技術無法處理場景中的運動物體。當基于傳感器數據渲染視角時，默認用戶的頭部運動導致視角變化而空間是絕對靜止的，但當場景中有快速移動的物體時，這種渲染方式同樣會產生顯示抖動。總的來講，ATW技術能夠彌補VR運行中因為渲染延時而丟失的大部分幀，在消耗很少的計算資源前提下大幅提升圖像的連貫性，這也是各個廠商都瞄準該技術發力的重要原因。