为什么许多国产VR头显用4K而Oculus、Hypereal、Vive却坚持2K屏幕?

aaron chen 2017-07-14 12:11:39
原标题:为什么许多国产VR头显用4K而Oculus、Hypereal、Vive却坚持2K屏幕?​

首先:计算能力满足的条件下,越高的VR HMD刷新率越高的分辨率带来的用户体验越好,沉浸感越强。这也是为什么Oculus,HTC和Sony头显都采用了至少90HZ刷新率的原因(其中Oculus和HTC是2160×1200@90hz,而Sony是1080p@120hz)。

当然,分辨率,刷新率和计算能力以及显示带宽是一组矛盾,受如下公式的限制:

分辨率×刷新率×像素比特 = 要求的显示带宽

以上几项有时不可兼得,而国内的多数VR厂商不明就里,一味追求高分辨率,以双眼3k/4k等参数博取眼球,配合很低的刷新率比如30HZ或者60HZ,往往是本末倒置,只会带给用户糟糕的VR体验。

下文将从如下五个方面阐述为什么当今主流的VR头显,为什么2160×1200@90hz是比所谓的3K/4K@30/60hz更好的选择

  • 显卡的计算能力
  • HDMI 协议本身的带宽(或者说头盔中桥接芯片本身的带宽)
  • AMOLED屏和LCD屏的显示特点
  • Motion-To-Phaton延时
  • Tracking预测技术

先看计算能力(为了简单起见,单从Pixel FillRate一个指标来看)。现在的VR游戏或者应用,分辨率一般在1080p以上,为了更逼真的效果,在VR SDK中一般会做超采样。如果做1.4倍超采样,按照90hz算,每秒要处理的像素点为1920*1080*1.4*1.4*90 = 365m。 而这个级别的像素处理能力,一般的显卡(nVidia 9x系列以上都是动辄几十G以上的fill rate en.wikipedia.org/wiki/G) 都可以轻松应付。

接着看显示带宽。Hypereal头盔分辨率是2160×1200,按照90hz的刷新率,每个像素4个byte计算,需要的带宽是2160×1200*90*4 *8 大约等于7.46Gbps,HDMI 1.4的10.2Gbps带宽可以支持。另外,VR头盔中的显示桥接芯片带宽也是限制分辨率和刷新率的因素。主流VR头显(Oculus和HTC Vive)用的桥接芯片都是Toshiba 358870,最高支持4k×2k@30hz(24bit每像素),最大带宽为7.5Gbps。

当然,如果要达到3k@90hz,很明显Toshiba 358870的带宽就不够,HDMI 1.4 的10.2Gbps带宽也不够,需要寻找新的接口比如DP1.2或者HDMI2.0等,这也是为什么3k@90hz在当今主流VR头显中还不支持的主要原因。而据相关信息,Toshiba的下一代支持3k@90hz的桥接芯片要到2018年才上市......

再谈一下关于AMOLED屏和LCD屏的选择。相比LCD,AMOLED屏有相应速度快,功耗小的特点,应用到VR 头盔中,能省电,能有效避免屏幕拖影。不过,由于工艺的限制,AMOLED屏现在的PPI难以提升,不大容易做出高分辨率的屏,所以现在主流的AMOLED屏也就是2160×1200的分辨率。

在AMOLED领域最牛的Samsung,也要到明年才能做出可量产的3K分辨率的AMOLED。相比之下,LCD屏的技术比较成熟,能做到很高的分辨率,但是响应速度只有AMOLED的1/100-1/1000,当用户戴上头盔有比较大的头部转动时,将会出现无法弥补的拖影,有点像在一台破旧的老电视上看星球大战中宇宙飞船爆炸场面:满屏的运动残影和抖动。在这种限制下,动辄4K分辨率的LCD VR屏,也不过是缘木求鱼。

然后是motion-to-phanton延时。这是VR中非常关键的一个指标,指的是从采集到用户的头部运动(motion)渲染(Render)最后显示的全部系统延时。从下图可以清楚的看到,HMD头显刷新率影响的主要是write display这一部分,90HZ的头显对应11ms的write display时间,而60HZ的头显对应16.6ms的write display时间,在GPU/CPU计算能力满足的情况下,刷新率越高的系统中,motion-to-phanton越短,用户体验也越好。

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最后来看相关的Tracking预测技术

我们渲染每一帧的时候,需要知道当前图像在头显中显示时刻的相关姿态和位置,而不是渲染时的姿态和位置。这是一个关于未来时间的姿态和位置,需要预测。尽管通过ATW(asynchronous timewarp) 和ASW(asynchronous spacewarp) 等技术,可以在图像上屏之前对姿态和位置再做一次校准,但如果和渲染时预测的数据相差太大,也会产生比较大的问题。

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可以比较的是,对于60HZ的刷新率,满帧情况下(60fps)需要预测16ms后的姿态,而对于90hz的刷新率只需要预测11ms后的姿态,而更准确的预测带来更好的用户体验。

如果系统不能跑满帧,差别会更大。对于90hz刷新率的系统来讲,如果系统性能不够,游戏运行在45fps,则渲染时需要预测2个Vsync(2*11 = 22ms)之后的姿态。而一个60HZ的系统,则需要预测 2*16.6 = 33.2ms之后的姿态,预测难度加大,用户体验会更差!

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综上所述,用户体验为王,当多数PC系统的计算能力可以支持的情况下,2160×1200@90HZ VR头显明显是比3k/4k@30/60HZ更好的一个选择。  

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