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：A：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。1VR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。2VR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，Exynos8890VR，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（SystemonChip）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。3VR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。4VR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...