VR技术标准报告

名 称 ： VR刷新率，帧数，延迟的关系 姓 名 ： 殷松 时 间 ： 2017年5月27日

目 录

一、fps帧数，刷新率，延迟概念 二、VR三大技术标准 三、三大主流VR分辨率分析

VR技术报告 一、帧数，刷新率，延迟概念： 帧数：为帧生成数量的简称。fps为帧率，即画面改变的速度，也就是说一个动画的帧率为60fps，那么他在一秒钟的帧数为60帧，2秒钟内的帧数为120帧。帧数是由显卡所决定的。 人眼的视觉残留： 【说法1】是因为人眼的视觉残留特性：是光对视网膜所产生的视觉在光停止作用后，仍保留一段时间的现象，其具体应用是电影的拍摄和放映。原因是由视神经元的反应速度造成的。其时值是二十四分之一秒。是动画、电影等视觉媒体形成和传播的根据。 【说法2】当物体在快速运动时, 当人眼所看到的影像消失后，人眼仍能继续保留其影像1/24秒左右的图像，这种现象被称为视觉暂留现象。是人眼具有的一种性质。人眼观看物体时，成像于视网膜上，并由视神经输入人脑，感觉到物体的像。但当物体移去时，视神经对物体的印象不会立即消失，而要延续1/24秒左右的时间，人眼的这种性质被称为“眼睛的视觉暂留”。 刷新率：是指电子束对屏幕上的图像重复扫描的次数。刷新频率分为垂直刷新率和水平刷新率，垂直刷新率表示屏幕的图象每秒种重绘多少次。也就是指每秒钟屏幕刷新的次数，以Hz（赫兹）为单位。VESA组织于97年规定85Hz逐行扫描为无闪烁的标准场频水平刷新率，水平刷新率又称行频，它表示显示器从左到右绘制一条水平线所用的时间，以kHz为单位。水平和垂直刷新率及分辨率三者是相关的，所以只要知道了显示器及显卡能够提供的最高垂直刷新率，就可以算出水平刷新率的数值。所以一般提到的刷新率通常指垂直刷新率。刷新率的高低对保护眼睛很重要，当刷新率低于60Hz的时候，屏幕会有明显的抖动，而一般要到72Hz以上才能较好的保护你的眼睛。刷新率是由显示器决定的。 VR延迟：VR“延迟”(delay)是指从人的头部移动开始一直到头显设备(HMD)的光学信号映射到人眼上面全部的等待时间(latency time)。其中需要经过的全步骤如下图所示： 延迟会影响玩家的注意力，延迟较大的时候会产生晕动症(motion sickness)，也就是俗称的晕车晕船。其原理是视觉接受的自身的身体状态，与负责感知身体状态的中耳前庭器官不一致，中枢神经对这一状态的反馈就是恶心，来提醒身体状态的异常。简单来说，戴上VR头显移动头部的时候，由于延迟，视觉观察到的变化比身体感觉到的慢慢，产生冲突继而造成晕眩。 根据研究，这个延迟只有控制在20ms以内，人体才不会有排斥反应。同时超过20ms也不一定就会造成晕眩恶心，就像有些人晕车有的人不晕，每个人的体质对延迟的敏感度和排斥反应的大小不同。具体延迟主要分为四种： 1. 位置跟踪系统造成的延时。位置跟踪器通过六自由读数决定用户头部的位置和朝向。这些数据用于计算用户在虚拟环境中的视点和视角，从而实时更新虚拟现实设备所显示的虚拟场景。位置跟踪器需要一定的时间来采集和处理这些数据，必然就会出现一定的延时情况发生。 2. 应用系统造成的延时问题。应用系统造成的延迟包括接受和处理各种外部输入数据(如处理数据手套传感器数据)、仿真过程执行时间(如各种碰撞检测等)。 3. 生成图像造成的延时问题。虚拟现实系统需要生成虚拟现实左眼和右眼的图像。在基于虚拟现实设备的虚拟现实系统中，生成什么样的图像由头部位置跟踪数据和具体的仿真应用共同决定。由于虚拟现实应用系统图像计算复杂，就会导致延时。 4. 显示图像造成的延时问题。生成的图像需要在虚拟现实设备中显示，就会由此造成一定的延迟。 VR设备主要取决于四大因素：显示延时、计算延时、传输延时和传感器延时。其中，显示屏是延时的最主要因素，延时占比达 69%。显示延时主要在于帧间延时和帧内延时，AMOLED显示屏在这两个方面都有出色的表现，能够有效地减少显示屏延迟问题。降低屏幕显示延时的最简单方法就是提高刷新率，减少帧间延时，AMOLED 的响应时间是LCD 的千分之一，显示运动画面绝对不会有拖影的现象，恰恰是解决屏幕显示延时的最好解决方案之一。此外，VR 设备还可以通过降低余晖的方法来减少帧内延时。LCD 显示屏的显示原理是通过液晶翻转来选择性透过光线，而液晶翻转的响应时间最快也有 2-4ms，而 AMOLED 每个像素都是主动发光的，可以做到低余晖，进一步降低延时，减少眩晕。目前，Oculus Rift CV1 和 和 HTC Vive 采用了90hz刷新率，而Sony Project Morpheus是采用的是120hz刷新率，都是采用 AMOLED。 VR三大技术标准 2016年11月至2017年4月形成了三大标准： 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Latency我们称之为延迟。由此，衍生出VR产品必须支持的三个关键参数指标——20ms毫秒延时、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毫秒，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1秒/60Hz =16.67ms毫秒再除以2只眼睛来推算，每只眼的延时为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毫秒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。

三 大主流VR分辨率分析 PSVR的120帧刷新率支持三种模式，分别是： 60Hz渲染（游戏，体验），异步二次投影，120Hz显示 90Hz渲染，90Hz显示 120Hz渲染，120Hz显示 Asynchronous Reprojection（异步投影技术）的实现：layStation VR的1000hz传感器，在每一毫秒里都会提供新的位置信息。Asynchronous Reprojection利用每两帧之间画面几乎非常接近的特点，用尽量小的机能消耗来生成对应当前人眼位置的画面。用户则能够在下一帧画面刷新之前，看到扭曲过的和最新的位置数据最接近的一帧画面，以暂时对应头部数据。 所谓异步，就是将上述线程和图像渲染处理线程分离开，是把这个线程和图像渲染线程分离开来。因为如果这两个线程顺序进行，由于可能出现画面渲染尚未完成的情况，造成Reprojection也被延后，但帧同步是固定时刻进行的，那么Asynchronous Reprojection就失去意义了。也就是说，所谓异步重投影，就是一帧是真实的，而下一帧是根据上一帧画面扭曲生成的。 虽然异步重投影有效的解决了帧率不够的问题，但并不是说完美的，这种方式有其本身的缺陷。 而HTC vive和Oculus Rift均是90Hz分辨率，Oculus Rift运行在90赫兹的2016×1200的双屏幕上，每秒需要为2.33亿像素着色。Oculus Rift的第二代采用了OLED 1080p显示器，这明显标志着分辨率需要得到增强。新月湾也提高了本身的分辨率，但Oculus VR对其具体规格参数仍处于保密中。相比之下，PS4版的Project Morpheus拥有1080p的OLED显示器，并且它还拥有120赫兹的刷新率。