【導讀】如果你經(jīng)常聽國內(nèi)一些技術(shù)流的VR創(chuàng)業(yè)公司的演講，那么你對“異步時間扭曲”（ATW）這個詞肯定不會陌生。例如自稱國內(nèi)第一家掌握ATW技術(shù)的焰火工坊，在他們的第一次發(fā)布會上CTO王明楊就提到了這項技術(shù)。
當時他嘗試了進行解釋，但后來放棄了，只說“你們知道這很牛逼就行了”。此后CEO婁池也在各種場合提起ATW，包括微信朋友圈。另外一家公司樂相也是。
“異步時間扭曲”這個名稱聽起來很牛逼，但了解它實際含義的人可能不多。
焰火工坊CEO婁池和樂相CEO陳朝陽的朋友圈
一種生成中間幀的技術(shù)
異步時間扭曲英文是Asynchronous Timewarp，簡稱ATW。簡單來說，這是一種生成中間幀的技術(shù)。當游戲畫面無法保持足夠的幀率時，它能產(chǎn)生中間幀進行彌補，從而維持較高的畫面刷新率。這項技術(shù)的提出者John Carmack目前是Oculus的CTO。
我們采訪了王明楊來解釋ATW，他是這樣說的：
正常情況下，我們的手機大部分是60hz刷新，也就是說，在理想情況下我們的手機大概要處理有60幀/秒。那么，從數(shù)據(jù)到渲染就有 1000 /60 ~= 16.6666ms的時延。
那么，如何抵消這個時延呢？卡馬克（John Carmack）提出一種方法，通過大量采集陀螺儀數(shù)據(jù)，在樣本足夠多的情況下，就可以預測出16.66ms后你頭部應有的旋轉(zhuǎn)和位置，按照這個預測的數(shù)據(jù)來渲染，他管這個技術(shù)叫Timewarp。
然而問題又來了，一般VR場景很復雜，我們很難保證每次都在16.66ms內(nèi)完成一次渲染，也就是我們很難保證每個應用都是60fps。那么卡神又提出一個ATW，就是異步的Timewarp。
他把VR應用的渲染管線設計成兩個線程，渲染線程（生產(chǎn)者）和Timewarp線程（消費者），兩者異步工作，生產(chǎn)者生產(chǎn)足夠多的Framebuffer，消費者把生產(chǎn)者生產(chǎn)的東西做Timewarp之后貼在屏幕上。也就是說，無論你當前游戲的fps是多少，Timewarp始終被設計成保持在60fps（視刷新率而定）。
這就是ATW的核心細節(jié)，把Timewarp和產(chǎn)生Framebuffer分離，用高刷新率的Timewarp來換取低時延。
ATW技術(shù)在VR中應用的先驅(qū)是Oculus，一年多以前他們就在Gear VR上應用了這項技術(shù)，3月25日宣布在PC端的SDK上加入ATW的支持。
具體怎么做？
圖片來源：Oculus博客（下同）
Oculus在博客里對ATW做了詳細的解釋。如上圖所示，GPU給左右眼的畫面分別進行渲染，然后在畫面顯示出來之前插入一個ATW的處理過程。在左邊這幀的處理中，畫面渲染及時完成，此時直接顯示就行了；中間的第二幀渲染未能及時完成，此時如果什么都不做就會出現(xiàn)畫面抖動，而有了ATW的話，它會將前面一幀調(diào)用出來重新顯示，同時加上頭盔運動變化，從而保持幀率。
這技術(shù)很難嗎？
據(jù)王明楊表示，ATW技術(shù)很簡單，核心代碼僅5行。但如果要達到最好的效果，還需要以下幾點：
1. GPU必須支持搶占式上下文（GPU preemption）。這個還好，大部分Mobile GPU都支持，但是桌面GPU大部分還不支持；
2. 系統(tǒng)最好支持主表面寫入，這個跟GPU有一定關(guān)系，但是跟操作系統(tǒng)關(guān)系比較大；
3. GPU必須有較高的性能，這個很好理解，Timewarp線程實際上加重了渲染負擔。
Oculus先在Gear VR上實現(xiàn)ATW，原因就是上面的第1點。他們將ATW帶到PC平臺上，是在微軟、英偉達和AMD支持的情況下實現(xiàn)的。英偉達開發(fā)了VRWorks，AMD則有Liquid VR。
國內(nèi)廠商中，樂相陳朝陽表示ARM對大朋VR提供了Front Buffer和Context Priority的支持，用以在移動VR上實現(xiàn)ATW。
沒有定制硬件的焰火工坊則在Oculus的基礎上修改了一部分Timewarp的實現(xiàn)。“我們在渲染線程那里會監(jiān)控Timewarp線程的工作情況，動態(tài)的平衡GPU附載，保證Timewarp線程工作在比較高的幀率下。”王明楊說。
有什么難點和局限？
聽起來ATW是項很棒的技術(shù)，但它也不是完美的。根據(jù)去年的一篇Oculus博文，ATW的一個難點是位置抖動（Positional Judder）。
位置抖動是基于方向的Timewarp帶來明顯瑕疵之一。在使用VR設備時，當頭部移動了， 如果在ATW產(chǎn)生圖像幀時只考慮了旋轉(zhuǎn)，而平移卻被忽略了。這意味著當你的頭從一邊移動到另一邊時，你看見的離你很近的物體會有多個圖像的抖動，這種效果在臨近場空間中是非常明顯的，比如下面的這個潛艇截圖。
Gear VR比較容易用上ATW，是因為它不支持位置追蹤，而PC平臺的Oculus Rift支持。Oculus最近宣布Rift支持ATW，應該是解決了位置抖動的問題。
另外一點是運動的物體和動畫。使用ATW時，動畫或者移動的物體會引起另外一個瑕疵， 因為它產(chǎn)生的新圖像只是根據(jù)前一幀圖像生成的，缺少了物體的運動信息，所有的中間幀都好像是被凍結(jié)了一樣，因而對于運動的物體容易產(chǎn)生抖動，見下圖。
不過王明楊倒是認為雖然近處物體是個局限，但影響并沒想像的那么大。
總結(jié)
總體來說ATW確實是一項很棒的技術(shù)，如果沒有它的話，開發(fā)者在游戲開發(fā)中為了保持畫面幀率只能非常保守地使用CPU和GPU性能，而ATW可以游戲更容易保持幀率穩(wěn)定，從而讓開發(fā)者在畫面設計上更加大膽。
實際運行中Oculus發(fā)現(xiàn)，沒有使用ATW的app在運行中丟失了約5%的幀。ATW可以將大部分丟失的幀補上，從而大幅減少畫面抖動。而這一切對app來說不需要消耗更多性能或更改代碼就能實現(xiàn)。Oculus還表示這一切只是開始，他們正與合作伙伴嘗試提高ATW的運行效率。
