VR杀手锏：异步时间扭曲技术的真相是什么？

　　如果你经常听国内一些技术流的VR创业公司的演讲，那么你对“异步时间扭曲”（ATW）这个词肯定不会陌生。例如自称国内第一家掌握ATW技术的焰火工坊，在他们的第一次发布会上CTO王明杨就提到了这项技术。

　　当时他尝试了进行解释，但后来放弃了，只说“你们知道这很牛逼就行了”。此后CEO娄池也在各种场合提起ATW，包括微信朋友圈。另外一家公司乐相也是。

　　“异步时间扭曲”这个名称听起来很牛逼，但了解它实际含义的人可能不多。

　　

　　焰火工坊CEO娄池和乐相CEO陈朝阳的朋友圈

　　一种生成中间帧的技术

　　异步时间扭曲英文是Asynchronous Timewarp，简称ATW。简单来说，这是一种生成中间帧的技术。当游戏画面无法保持足够的帧率时，它能产生中间帧进行弥补，从而维持较高的画面刷新率。这项技术的提出者John Carmack目前是Oculus的CTO。

　　我们采访了王明杨来解释ATW，他是这样说的：

　　正常情况下，我们的手机大部分是60hz刷新，也就是说，在理想情况下我们的手机大概要处理有60帧/秒。那么，从数据到渲染就有 1000 /60 ~= 16.6666ms的时延。

　　那么，如何抵消这个时延呢？卡马克（John Carmack）提出一种方法，通过大量采集陀螺仪数据，在样本足够多的情况下，就可以预测出16.66ms后你头部应有的旋转和位置，按照这个预测的数据来渲染，他管这个技术叫Timewarp。

　　然而问题又来了，一般VR场景很复杂，我们很难保证每次都在16.66ms内完成一次渲染，也就是我们很难保证每个应用都是60fps。那么卡神又提出一个ATW，就是异步的Timewarp。

　　他把VR应用的渲染管线设计成两个线程，渲染线程（生产者）和Timewarp线程（消费者），两者异步工作，生产者生产足够多的Framebuffer，消费者把生产者生产的东西做Timewarp之后贴在屏幕上。也就是说，无论你当前游戏的fps是多少，Timewarp始终被设计成保持在60fps（视刷新率而定）。

　　这就是ATW的核心细节，把Timewarp和产生Framebuffer分离，用高刷新率的Timewarp来换取低时延。

　　ATW技术在VR中应用的先驱是Oculus，一年多以前他们就在Gear VR上应用了这项技术，3月25日宣布在PC端的SDK上加入ATW的支持。

　　具体怎么做？

　　

　　图片来源：Oculus博客（下同）

　　Oculus在博客里对ATW做了详细的解释。如上图所示，GPU给左右眼的画面分别进行渲染，然后在画面显示出来之前插入一个ATW的处理过程。在左边这帧的处理中，画面渲染及时完成，此时直接显示就行了；中间的第二帧渲染未能及时完成，此时如果什么都不做就会出现画面抖动，而有了ATW的话，它会将前面一帧调用出来重新显示，同时加上头盔运动变化，从而保持帧率。

　　这技术很难吗？

　　据王明杨表示，ATW技术很简单，核心代码仅5行。但如果要达到最好的效果，还需要以下几点：

　　1. GPU必须支持抢占式上下文（GPU preemption）。这个还好，大部分Mobile GPU都支持，但是桌面GPU大部分还不支持；

　　2. 系统最好支持主表面写入，这个跟GPU有一定关系，但是跟操作系统关系比较大；

　　3. GPU必须有较高的性能，这个很好理解，Timewarp线程实际上加重了渲染负担。

　　Oculus先在Gear VR上实现ATW，原因就是上面的第1点。他们将ATW带到PC平台上，是在微软、英伟达和AMD支持的情况下实现的。英伟达开发了VRWorks，AMD则有Liquid VR。

　　国内厂商中，乐相陈朝阳表示ARM对大朋VR提供了Front Buffer和Context Priority的支持，用以在移动VR上实现ATW。

　　没有定制硬件的焰火工坊则在Oculus的基础上修改了一部分Timewarp的实现。“我们在渲染线程那里会监控Timewarp线程的工作情况，动态的平衡GPU附载，保证Timewarp线程工作在比较高的帧率下。”王明杨说。

　　有什么难点和局限？

　　听起来ATW是项很棒的技术，但它也不是完美的。根据去年的一篇Oculus博文，ATW的一个难点是位置抖动（Positional Judder）。

　　位置抖动是基于方向的Timewarp带来明显瑕疵之一。在使用VR设备时，当头部移动了， 如果在ATW产生图像帧时只考虑了旋转，而平移却被忽略了。这意味着当你的头从一边移动到另一边时，你看见的离你很近的物体会有多个图像的抖动，这种效果在临近场空间中是非常明显的，比如下面的这个潜艇截图。

　　

　　Gear VR比较容易用上ATW，是因为它不支持位置追踪，而PC平台的Oculus Rift支持。Oculus最近宣布Rift支持ATW，应该是解决了位置抖动的问题。

　　另外一点是运动的物体和动画。使用ATW时，动画或者移动的物体会引起另外一个瑕疵， 因为它产生的新图像只是根据前一帧图像生成的，缺少了物体的运动信息，所有的中间帧都好像是被冻结了一样，因而对于运动的物体容易产生抖动，见下图。

　　

　　不过王明杨倒是认为虽然近处物体是个局限，但影响并没想像的那么大。

　　总结

　　总体来说ATW确实是一项很棒的技术，如果没有它的话，开发者在游戏开发中为了保持画面帧率只能非常保守地使用CPU和GPU性能，而ATW可以游戏更容易保持帧率稳定，从而让开发者在画面设计上更加大胆。

　　实际运行中Oculus发现，没有使用ATW的app在运行中丢失了约5%的帧。ATW可以将大部分丢失的帧补上，从而大幅减少画面抖动。而这一切对app来说不需要消耗更多性能或更改代码就能实现。Oculus还表示这一切只是开始，他们正与合作伙伴尝试提高ATW的运行效率。