一体式虚拟现实头盔关键技术分析

邱振青

摘 要：一体式虚拟现实（VR）头盔是当今热门的虚拟现实设备，其应用了多个领域的专业知识和技术，为客户提供沉浸式体验。本文从虚拟现实头盔设备的特点出发，分析了一体式VR头盔光学设计、芯片平台选取、散热和温控设计、图像渲染技术、控制技术及其他相关技术，比较完整地阐述了VR头盔设计和应用中的关键点，以供借鉴和思考。

关键词：虚拟现实;图像渲染;沉浸式体验;散热和温控

中圖分类号：TP131 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）12-0030-02

目前的一体式虚拟现实头盔发展迅速，产品众多，国内外成功产品不断涌现，使人们沉浸在一个个虚拟的世界中。它是怎么工作的，它的关键和核心技术是什么？本文从光学设计开始，通过芯片平台选取、散热和温控分析，逐步进入核心的图像渲染技术和控制技术，最后对其他相关技术进行了探讨，以探索这个问题的答案。VR的各项技术在早期满足虚拟现实头盔的基本功能之后，经过了不断的发展，正在产生特有的技术，并在不断地和新技术结合，推动虚拟现实头盔的沉浸感越来越强。

1 VR光学设计

VR的光学原理如图1所示，是比较典型的凸透镜成像，一般采用不对称凸透镜，以满足两侧不一致的焦距大小要求。屏幕在一倍焦距以内，根据凸透镜成像原理，可以从透镜的另一侧观测到一个放大的虚像。所能观测到的最大虚像边缘和人眼形成视场角（FOV），它有X轴视场角和Y轴视场角之分，度数可以不相等。

由于人眼的视场角可超过180度，好的沉浸感必然要求大视场角，以满足人眼的需求。大视场角会提高放大倍数，这既对透镜提出了要求，也对屏幕提出了要求。对于透镜来说，不但要满足光学参数要求，还需要保持轻薄;对于屏幕来说，放大倍数大了，为了防止人眼看到像素栅格，屏幕分辨率必须相应提高。

另外，好的沉浸感也要求整个VR不能漏光，对人脸的包裹性和舒适度提出了要求。

2 VR芯片平台选择

一体式虚拟现实头盔显示系统大多脱胎于智能手机系统，所以可选的芯片也基本来自于该领域。随着VR市场的发展，已经开始出现多款VR专用芯片。表1选取了多个VR常用芯片，并列出了它们的基本性能参数，其中SXR1， Exynos 8890VR，S900VR即为VR专用芯片，它们是芯片厂家根据VR的特点通过将移动SoC（System on Chip）进行裁剪而成的。

对于VR头盔芯片来说，要求CPU性能高，核数多，功耗低，以保证持续高性能输出;同时图像渲染能力要强，支持的屏幕分辨率要非常高。从这几个标准看，高通的高端芯片和三星的VR芯片稍好一些，国产芯片也在快速追赶，并在VR影院等方向占据了相当的市场。

3 VR散热和温控技术

散热和温控技术对VR来说有比较重要的意义，主要原因在于VR需要持续的CPU高算力、GPU高渲染能力、Sensor高采样率输出，一旦有一点能力跟不上，屏幕撕裂，显示卡顿等现象很快就会被用户感知到。而持续的高性能输出会伴随着比较多的热量产生，热量累计会对系统产生负面影响。基于VR设备的特点，只能采用依靠物理散热，辅以软件方法的策略去处理散热和温控。

物理散热的方法一般有热传导、热对流、热辐射方式。VR一般采用石墨或者铜片把主芯片或其他热源上的热量导至散热片，然后通过散热孔形成热对流散热。当然也可以将散热片上的热量进一步导至金属外壳，通过外壳将热量对流或辐射出去，以增强散热效果。

软件策略上根据VR持续高性能输出的要求，需要避免拔核或是将CPU、GPU频率降得很低的方式去降低功耗，可采用将CPU、GPU频率限定在一个中高范围内的方式，达到降低功耗的目的。

4 VR图像渲染技术

图像渲染技术是VR的核心技术，早期的VR头盔系统大多从安卓系统发展而来，需要解决左右分屏显示问题。通过将整个渲染管线[1]运行两遍，形成左右两个显示图像，或者在考虑瞳距因素的情况下，优化运行一次渲染管线，都能够很好地解决该问题。同时，VR对凸透镜的使用引入了畸变和色散，也需要通过GPU去进行消除。根据Brown模型，通过提前对图像进行桶形处理，可以达到反畸变的效果。对不同波长的光进行针对性的桶形矫正，就可以解决色散的问题。

在基本需求得到满足之后，另一个关键问题——眩晕问题开始突出，这主要是由于从头部动作传导到显示的时间延迟导致的。为了减少延迟，必须提高屏幕刷新率，这会缩短渲染时间，但GPU的能力有限，有时渲染帧不能在一个垂直同步周期内完成，显示器只能显示前一帧数据，反而增加了延迟。异步时间扭曲算法在一定程度上缓解了这个问题。该算法需要创建一个异步线程，当异步线程发现正常渲染线程未能在某个时间节点之前完成所需的工作，即在垂直同步信号到来之前无法完成渲染帧时，该异步线程会抢占GPU，并将前一帧的图像添加头部动作信息后进行重新投影，并发送到显示模块进行显示。据此保证了刷新率的稳定性，达到了稳定减少延迟的效果。

同时，为了尽可能降低显示传输延时，虚拟现实头盔还会使用单缓冲渲染技术，将数据直接发送到显示模块。在现有的显示技术中，双缓冲和多缓冲渲染是主流，它可以防止屏幕撕裂的发生，并争取更多的渲染时间。然而，在虚拟现实头盔设备中，多个缓冲会导致头部运动信息不能及时被发送去显示，导致延迟，反而有害。

另外，现有的虚拟现实头盔使用的分辨率一直在不断提高，屏幕刷新率也在稳步提升，导致GPU负担不断增加。焦点渲染与眼球跟踪相结合的技术可以只对用户感兴趣的区域进行高分辨率渲染，模糊化处理其他区域。该技术可以在获得基本一致的显示效果的情况下，大大减轻GPU的负担。

5 VR控制技术及其他相关技术

VR的控制系统一般分为头控和外部控制系统。常见的VR头控系统是由3轴加速度仪、3轴陀螺仪和3轴磁力计组成的9轴三自由度头部动作控制系统，通过引入SLAM[2]（即时定位与地图构建）技术，也可支持六自由度头部控制系统。外部控制系统有遥控器、手势识别等外部输入控制系统，遥控器目前也可通过超声波阵列结合9轴传感器进行六自由度支持。

一体式虚拟现实头盔在不断向轻巧、高度沉浸方向发展。技术的不断进步正在功耗、性能、重量等众多领域取得不断进步。尤其是即将商用的5G通信技术的发展将使分离渲染成为可能。繁重的3D内容渲染在云端完成，头控等动作信息渲染在虚拟现实头盔端完成，通过5G通信连接，这将大大降低虚拟现实头盔的对计算能力的要求，从而降低功耗和减轻重量。虚拟现实头盔的特性也将使5G通信技术的高带宽和低延迟特性得到充分利用。

6 结语

综上所述，本文分析了一体式虚拟现实头盔设计与实现中的多个关键技术，并从一体式虚拟现实头盔的需求出发，阐述了它们是如何工作的。本文研究时间比较短，还存在着一些不足，希望相关的研究能够对一体式虚拟现实头盔的发展有所帮助。

参考文献

[1] Dave Shreiner，Graham Sellers，John Kessenich，等.OpenGL编程指南[M].机械工业出版社，2016.

[2] Durrant-Whyte H， Bailey T."Simultaneous localization and mapping： part I"[J]. IEEE Robotics & Automation Magazine，2006，13（2）：99-110.