英伟达详细介绍可变速超级采样VRSS，大大提升VR体验

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来源：映维网作者吴羽桦

虚拟现实行业正在迎来新一轮的硬件迭代，更高分辨率的头显和更优性能的光学组建成为了厂商的重要关注点。软件方面同样出现了类似的情况，一波强调流畅 VR 体验的应用正在涌向终端消费者。

利用图灵架构，英伟达显卡能够以原生分辨率提供VR体验所需的性能。为了进一步提升图像清晰度，英伟达在CES 2020大会期间发布了“可变速率超级采样（Variable Rate Supersamplin；VRSS）功能。

日前，英伟达资深软件工程师DeepChand Palswamy和资深系统软件工程师Swaroop Bhonde撰文对其进行了介绍，下面是映维网的具体整理：

英伟达详细介绍可变速超级采样VRSS，大大提升VR体验

可变速率超级采样（VRSS）扩展了图灵架构的可变速率着色（Variable Rate Shading；VRS）功能，它可以通过执行选择性超级采样来改善图像质量。VRSS仅在GPU周期可用时开启，但你可以选择地进行启用。无需应用开发者集成，这项功能可完全在英伟达显示驱动中处理。

1. 背景

1.1 超级采样

SSAA（超级采样抗锯齿）是一种早期的抗锯齿方式。具体来说，先把图像映射到缓存并把它放大，再用超级采样对放大后的图像像素进行采样，一般选取2个或4个邻近像素，然后将采样混合起来，生成最终像素，令每个像素拥有邻近像素的特征，从而致使图形边缘的过渡趋于平滑。最后再把最终像素恢复至原来大小的图像，保存到帧缓存，并输出到显示器。

MSAA（多重采样抗锯齿）主要是通过专用的多重采样缓冲区（渲染目标）来实现。缓冲区的可用配置为2倍，4倍，8倍。MSAA发生在管道的光栅化阶段。你可以理解成是一种特殊的SSAA。MSAA只对Z缓存（Z-Buffer）和模板缓存（Stencil Buffer）中的数据进行超级采样抗锯齿的处理，亦即只对多边形的边缘进行抗锯齿处理。相比于对画面所有数据进行处理的SSAA。

尽管SSAA有利于提升视觉质量，但它存在自身的局限性：

SSAA是性能密集型功能：像素负载与样本数量成线性比例难以精细控制着色率：无法对4x MSAA缓冲区执行2x超级采样，同时无法根据渲染区域或任何其他条件选择性地对对象进行着色。

英伟达详细介绍可变速超级采样VRSS，大大提升VR体验

图1：MSAA和SSAA的像素着色器执行。MSAA为覆盖样本执行一次像素着色器并共享数值，SSAA为所有样本执行像素着色器。

1.1.1 MSAA和SSAA的示例

图2将每个像素显示为一个正方形，点表示一个像素内的样本位置。

英伟达详细介绍可变速超级采样VRSS，大大提升VR体验

在运行像素着色器之前，硬件会生成一个“覆盖遮罩”。它存储当前三角形所覆盖及未覆盖的样本。

在方框1中，覆盖所有4个样本。在方框2中，覆盖3个样本。

MSAA超级采样像素着色器为中心的像素执行一次，仅生成一个着色并将其复制到“覆盖”样本中。像素着色器为每个采样位置的样本执行一次，为每个覆盖样本生成唯一的着色。方框1：所有4个样本都包含完全相同的着色，所以将它们平均会产生相同的着色； 没有质量提升 方框1：所有4个样本均包含唯一的着色。所以，将它们平均会产生更为准确的着色； 提升质量+内部抗锯齿 方框2：3个样本包含完全相同的着色，第4个样本包含背景色，所以将它们平均会产生抗锯齿输出； 没有质量提升，但边缘抗锯齿 方框2：3个样本包含唯一的着色，第4个样本包含背景色，所以将它们平均会产生更正确的和抗锯齿的输出； 提升质量+边缘抗锯齿

1.2 超级分辨率

应用可以具有用于缩放渲染分辨率的动态缩放功能。这个方法涉及按比例缩放渲染目标。但这种缩放是整帧执行，甚至外围都是以更高的分辨率缩放和渲染，而VR并不真正需要这样。更好但更复杂的解决方案是仅缩放中心区域，并按比例缩小以提高质量。

1.3 目标区域

对于VR，渲染区域可分为中心区域或外围区域。用户一般是把注意力集中在VR屏幕的中心区域。透镜畸变会严重挤压图像的外围，但用户一般无法感知。仅在中心区域进行的任何优化都会改善最终用户的整体体验。

1.4 图灵可变速率着色（VRS）

图灵的VRS功能能够选择性地控制整个渲染表面的着色率。VRS可以使用以下两种方式之一来动态改变实际像素着色期间的着色率，而不是每个像素执行一次像素着色器：

粗略着色：每个多栅格像素执行一次像素着色器，然后将相同的着色复制到像素超级采样：每个单栅格像素执行多次像素着色器。

VRS功通过仅对注视区域进行超级采样来改善视觉质量。

2. 可变速率超级采样（VRSS）

2.1 介绍

VRSS的工作原理是选择性地对帧中心区域进行超采样：固定注视点超级采样。你可以使用VRS功能为渲染目标应用不同的着色率。在对中心区域进行超采样的同时，你不会触及外围区域。VRSS仅在空闲GPU周期可用时进行选择地启动。

图3：VRSS的示例。

根据应用程序选择的MSAA级别，中心区域可以进行多达8倍的超级采样。所有这一切都可以由英伟达显示驱动处理，无需任何应用集成。

用户可以通过NVIDIA Control（控制面板）->“Manage 3D Settings（管理3D设置）”页面->“Program Settings（程序设置）”标签启用VRSS。在开启时，你可以看到数个选项。

Adaptive（自适应）：将超级采样应用于帧的中心区域。中心区域的大小取决于可用的GPU余量Always On（始终开启）：将超级采样应用于固定大小的中心区域。这个模式不考虑GPU余量，并可能导致丢帧。

这项功能仅适用于满足以下条件并接受英伟达性能分析的应用：

DirectX 11 VR应用MSAA+正向渲染

2.2 幕后

VRSS不需要任何开发者集成，并且完全是由英伟达显示驱动实现和处理。

英伟达显示驱动处理多个功能板块，包括：

帧资源跟踪：驱动跟踪每帧遇到的资源，并构建启发式模型来标记可以调用VRS的情景。在配置VRS着色率时请注意MSAA级别：在图像中心使用的超级采样因子。提供用于配置VRS遮罩的渲染目标参数。帧渲染监视：这涉及测量跨帧的渲染负载，应用程序的当前帧速率，基于头显刷新率的目标帧速率等。这反过来会计算VRSS自适应模式所需的渲染统计信息。可变速率超级采样支持：如前所述，VRS允许你能整个渲染表面配置着色率。这是通过着色率遮罩和着色率查找表完成。有关所述技术的详细信息，请参见Turing Variable Rate Shading in VRWorks页面。VRS架构设置：处理VRS遮罩和VRS着色率查找表的配置。VRS框架根据性能统计信息配置，如下所示：

3.1：VRS遮罩：中心区域遮罩的大小与余量可用性成比例配置

3.2：根据检测到的MSAA缓冲区采样数配置VRS着色率

图4：VRS的帧周期表格

3.3 VRSS模式

Adaptive（自适应）：自适应模式将考虑性能限制，它会尝试最大化超级采样区域，同时不影响VR体验。在这里，中心区域的大小与可用的GPU余量成比例增大/缩小。

图5：自适应模式的中心区域动态变化。绿色遮罩描绘了超采样区域。基于GPU负载（场景复杂度），超采样区域会缩小并增长。

Always On（始终开启）：这个模式始终对固定注视点中心区域进行超级采样，从而最大程度地提高图像质量。中心区域的大小足以覆盖中心的用户视场。它可以帮助用户感知最大的质量增益。但是，这可能会导致性能密集型应用出现丢帧情况。

4. 开发者指南

这项功能面向接受英伟达性能分析的应用，而你可以将游戏和应用提交给英伟达审核。

VRSS的优势包括：

无需集成：不需要显式VRS API集成。完全封装在英伟达显示驱动之中。易用：可通过简单的开关（利用英伟达控制面板）打开/关闭超级采样。质量提升：超级采样可提供最高的渲染质量，并尽可能减轻锯齿。性能模式：自适应模式尝试在不减损性能的情况下提高图像质量。无需维护：因为整个技术是由驱动处理，所以无需开发者进行维护

对VRSS应用程序进行性能分析的标准如下：

DirectX 11 VR应用MSAA+正向渲染：超级采样需要使用MSAA缓冲区，所以它兼容使用MSAA的应用。所应用的超级采样因子级别基于MSAA缓冲区中使用的基础样本数量。对于MSAA-2倍，中心区域着色2倍；对于MSAA-4倍，着色4倍。MSAA级别越高，超级采样效果越强。

MSAA是一种与正向渲染相关的热门抗锯齿技术，非常适合VR。诸如Unreal和Unity之类的游戏引擎都支持在VR中进行正向渲染。如果已经启用正向渲染，则添加MSAA支持会相对容易。

受益于超级采样的内容同样会受益于VRSS。超级采样不仅可以减轻锯齿现象，而且可以显示图像中的细节。但需要注意的是，质量提高的程度因内容而异。