在移动VR中加速修正GPU桶形失真

在上一篇文章中，我讨论了一个解决方案，即通过使用单个缓冲带渲染减少VR中的延迟。我提到，VR对图像质量的要求相当高，因为GPU相比传统的移动应用程序需要做更多的工作。

工作负载增加的其中一个原因是对象内容需要进行两次渲染（每单位矩阵渲染一次）。另一个原因是GPU最后一次渲染使用了桶形失真过滤（每单位矩阵再渲染一次）。这使得图像处理器的工作负荷特别大，因此我们需要思考良策以降低负荷。

为何使用透镜？

您可能会有疑惑：当今的移动设备功能已十分强大，为什么我们还需要这些学校里习得的老旧的光学技巧？

VR耳机使用透镜有两大主要原因：
1. 透镜可以拓宽视野
2. 透镜可以使屏幕与你的眼睛离得更近

例如，如果您的手机屏幕是11.5cm x 6.5cm，那么每只眼睛水平位置可视的屏幕宽度为5.75cm。由于屏幕与人脸非常靠近，因此相比人眼实际可视的宽度，这个宽度还远远不够。在两个屏幕之间放置一块透镜，那么不管是水平视角还是垂直视角，可视范围均会增加。

使用透镜，我们可以使虚拟世界比实际世界看起来大很多。

其次，有了透镜，即使用户的眼睛与屏幕非常接近，但其看到的屏幕效果比实际上的却远很多，这样使得用户体验更为轻松。

显然，也存在一些缺陷。由于失真，图像的某些部分将被压缩，从而将失去一些信息；而剩下的部分则意味着要用更高的分辨率进行填充。同时，透镜导致的一些色差也需要被修正。

桶形失真

由于存在桶形失真，我们需要应用反向转换，这样屏幕发出的光线才比较适宜。而这种转换的完成主要取决于物理透镜的设计。

在VR中，透镜设计相当复杂。Oculus Rift CV1是一款做的非常好的VR案例。显然，所有这些设计的决策都会影响到修正图像所需的算法。

桶形失真最常见的方法是使用。当然，还有很多其他可用的失真模型——如使用多项式函数或曲线。一个常见的问题是创建的是非零逆函数（non-trival）。为简单起见，我们将使用以下模型用于桶形失真，其逆函数可以进行计算：

α定义了我们想要应用的失真量，而α由理论透镜设计进行界定。p中的输入值x和y在[-1, +1]之间是标准化的。

p(x, 0)的正向和反向失真函数，α=0.3

α呈增长态势的桶形失真图

基于像素的修正 VS 基于网格的修正

一个方法便是，在显示最后图像之前，在后期处理片段着色器中进行最后渲染的修正。假设将VR内容渲染至每矩阵的帧缓冲对象（FBO）中。使用OpenGL ES 3.0，顶点着色器和片段着色器便如下所示：

#version 300 es
in highp vec4 posVtx;
uniform mat4 mvpM;

void main(void)
{
gl_Position = mvpM * posVtx;
}
#version 300 es
in highp vec2 texFrg;
out highp vec4 frgCol;
uniform highp vec2 centre;
uniform highp sampler2D texSampler;

void main(void)
{
highp vec4 col = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); /* base colour */
highp float alpha = 0.2; /* lens parameter */
/* Left/Right eye are slightly off centre */
/* Normalize to [-1, 1] and put the centre to "centre" */
highp vec2 p1 = vec2(2.0 * texFrg - 1.0) - centre;
/* Transform */
highp vec2 p2 = p1 / (1.0 - alpha * length(p1));
/* Back to [0, 1] */
p2 = (p2 + centre + 1.0) * 0.5;
if (all(greaterThanEqual(p2, vec2(0.0))) &&
all(lessThanEqual(p2, vec2(1.0))))
{
col = texture(texSampler, p2);
}
frgCol = col;
}

centre 允许将失真集中的部分稍微移出FBO的中间位置，通常透镜并不完全集中到屏幕的左边或右边。

这是我们可以使用的用来计算失真的最准确的方法。不过就GPU的使用而言，这种方法的成本也非常高。由于我们仅处理6个点（两个三角形到输出一个矩形），因此顶点着色器运行很快。另外，片段着色器需要在屏幕上为每个像素进行转换。所以对于1920 x 1080像素的显示，要进行2073600次运算及纹理查找。

当然，我们可以做得更好!每个程序员都知道，良好性能的关键在于预计算和近似值。如果观察游戏的对象内容，可以看到这些对象中有很多近似值。像级联阴影贴图那样进行阴影计算。不过在未来有了光线追踪，这将得到极大的改善。