[VR科普]什么是ATW？

zimmy226

异步时间扭曲(Asynchronous Timewarp简称ATW)是一种生成中间帧的技术，当游戏不能保持足够帧率的时候，ATW能产生中间帧，从而有效减少游戏画面的抖动。

　　简介：

        近一年来，围绕着ATW这项技术已经有了许多令人兴奋的进展，ATW技术让虚拟现实设备保持较低帧率运行看到了希望，在虚拟现实穿戴设备中应用ATW，人为地填充中间帧，即使在帧率下降的情况下，也不会使渲染质量有显著的下降。

　　简单来说是vr场景里是360度画面，但是用户视觉焦点是有限的，所以看到区域是清晰的，若很快扭头看别处，也许很难快速在新视觉区变清楚，那基于方向的时间扭曲可以解决位置抖动问题，如果游戏渲染帧没有和头部运动达成同步， 时间扭曲可以介入并产生一个图像替代还没有被渲染出来的帧。 自从最后一帧被渲染，通过扭曲最后一帧来反馈头部运动能看清楚。 ATW技术让虚拟现实设备保持较低帧率运行而看清楚，例如30帧时也能插帧，使渲染看清楚，也会弥补帧率低的屏幕问题。而且很多手机屏幕或vr镜片无法达到60或更高帧率，分辨率较低的显示屏会有“余辉”(Persistence)当你快速转动头部，旧画面没有立马消失，而眼前新画面也模糊不清。

　　在Gear VR(三星的一款虚拟现实穿戴设备)中，ATW是其重要组成部分，并积累了宝贵的经验， 但是很不幸，经验表明，在PC机上ATW通过位置跟踪方法来解决虚拟现实系统抖动问题是有限的和有技术挑战的，就像Oculus Rift(虚拟现实眼镜)一样。在一些情况下，在虚拟现实中应用ATW后的效果和由跳帧引起的抖动效果一样糟糕。

　　实现：

　　实现ATW是有挑战性的，主要有两个原因：

　　1： 它需要GPU硬件支持合理的抢占粒度。

　　2： 它要求操作系统和驱动程序支持使GPU抢占。

　　让我们从抢占粒度开始，在90赫兹，帧之间的间隔大约是11ms(1/90)，这意味着为了使ATW有机生成一帧，它必须能够抢占渲染线程并且运行 时间少于11ms，然而11ms实际上不够好，如果ATW在一帧时间区间内任意随机点开始运行，那么起潜伏期(执行和帧扫描之间的时间)也将随机， 我们 需要确保我们不跳跃任何游戏渲染的帧。

　　我们真的期望ATW运行一直非常的短，短到在视频卡产生新的一帧之前结束，刚好有足够的时间来完成中间帧的生成，缺少自定义的同步ATW中断例程，我们可以获得高优先级抢占粒度和调度， 在最长2ms或更少的时间内。

　　原来，对现在的图形卡和驱动实现来说，2ms抢占是一个艰巨的任务，虽然许多GPU支持有限的形式的抢占，但执行存在显著差异。

　　1： 一些显卡实现厂商和驱动程序允许抢占任一批处理或回执调用粒度，虽然有帮助，但不是十分完美(举一个极端的例子，一个复杂的并包含很多绘制指令着色器可以很容易在10ms完成)。

　　2： 其他显卡实现厂商和驱动程序允许抢占计算着色器， 但需要特定扩展来支持。

　　如果抢占操作不是很快，则ATW将无法抢在画面同步之前生成中间帧。 这样，最后一帧将会再显示，将导致抖动，这意味着一个正确的实现应该能够抢占和恢复任意渲染操作，和管线状态。 理论上讲，甚至三角抢占(triangle-granularity) 不够好，因为我们不知道一个复杂着色器执行将花多长时间。 我们正与GPU制造商来实现更好的抢占，但是在这之前确实要因为这个问题花费一定时间。

　　另外一方面是操作系统对抢占的支持，在Windows8之前，Windiows显示驱动模型(WDDM)支持使用“批处理队列”粒度的有限抢占，对于内奸的图形驱动程序，很不幸，图形驱动程序趋向于大批量渲染效率， 导致支持ATW太粗糙。

　　对于Windows8，改善了WDDM1.2支持更细的抢占粒度，然而，这些抢占模式不被图形驱动程序普遍支持，渲染管线将在 Windows 10 或 DirectX12中得到显著提升。 这为开发人员提供了较低级别的渲染控制，这是一个好消息， 但直到Windows10变 为主流之前，我们还是没有标准的方式来支持渲染抢占， 造成的结果是，ATW需要特定显卡驱动的扩展。

　　ATW是有用的，但不是万能的。

　　一旦我们普遍实现了GPU渲染管线管理和任务抢占， ATW可能成为另一种工具来帮助开发人员提高性能和减少虚拟现实的抖动， 然而，由于我们这里 列出的挑战的问题，ATW不是万能的， VR的应用本身最好是维持较高的帧率，以提供最好的渲染质量。 最坏的情况，ATW生成的中间帧也可以导致用户有 不舒服的感受，换句话说，ATW无法根本解决这种不舒服。

　　根据生成中间帧的复杂性来说， ATW很显然表明， 甚至是位置时间扭曲， ATW不会成为一个完美的通用的解决方案，这意味着只有方向ATW和位 置ATW还算是可以的， 填充帧时偶尔会有跳跃。 为了产生一个舒适，令人信服的虚拟现实，开发人员仍然需要保持帧率在90赫兹。

　　试图支持传统显示器和VR双模式将会面临很大性能困难，这种巨大的性能要求是对引擎的伸缩性的考验，对于开发人员遇到的这种情况， ATW可能看起来很有吸引力， 如果达到90赫兹的频率，将使VR具有很好的舒适性，这是VR存在的真正魅力。