科技猎VR测试：8K、移动工作站和极端挑战
目 录：
- 8K VR 带来的挑战
- 来自VR引擎的Unigine Superposition
- 丰富的测试选项、视觉对比和量化分析
- 移动工作站上Quadro P4200显卡能跑多快？
- 主流及4K、8K VR测试结果
8K VR带来的挑战
由于工作的原因，最近一年半我接触VR（虚拟现实）行业多了一些，到今天也算是有点小心得可以跟大家分享。
上图就是流行的HTC Vive Pro HMD（VR头显/头盔），它的整体分辨率为2880x1600，也就是左/右眼各1440x1600。
来源：根据中国信通院《虚拟(增强)现实白皮书(2017年)》
修订 图10 虚拟现实近眼显示技术路标
上图引用自不久前刚公布的，中国信通院《虚拟（增强）现实白皮书（2018年）》，其中提到了VR分辨率的发展趋势。如果按照这个行业预期，今明两年单眼分辨率2K的VR有望进入主流，2021-2025年估计是单眼4K（双眼分辨率加起来就是8K）的时代，而2025年之后可能会流行单眼8K分辨率。
显然对于分体式头戴VR来说，分辨率和画质效果的提升，将会提高对PC/图形工作站主机硬件的需求。一年多以前我曾与国内一家做VR外设的朋友聊过，他们试验8K（单眼4K）头显使用的主机配置就相当高，甚至尝试拿2台GeForce GTX 1080级别显卡的主机各自输出一个4K屏幕来解决。
而我这次测试也是想验证几个问题：
a. 当前主流的PC/工作站硬件配置，是否有可能支持8K（单眼4K）VR？
b. 如果是4K（单眼2K）VR能支持到什么程度？
c. GeForce 游戏 显卡和Quadro专业显卡哪个更适合VR？
d. 笔记本（移动工作站）能否比较理想地跑动VR？
测试软件选择：来自 VR引擎公司的Unigine Superposition
接下来，第一步是选择测试软件。关注游戏显卡测试的朋友估计对FurtureMark的3DMark都不陌生了，使用过VRMark的人应该也有一些。
如上图，VRMark 3个子测试场景中的Blue Room属于有些“变态”的，默认分辨率为5120x2880（也就是单眼2560x2880），说白了就是超前设计而不想让现有硬件跑流畅的。
而这次我却没有选用VRMark，如果只是站在游戏的角度似乎挺合适，VRMark也是那种CG动画感比较明显的内容制作风格。而我觉得不应该忘了VR（Virtual Reality）本来的定义——虚拟现实和视觉仿真（我是2002年最早听到这个词）。包括VRMark中提供的运行选项，对于我们评估 商业 VR应用性能的需求来看，可能不算一个比较理想的选择。
一次偶然我了解到Unigine Superposition BenchMark这款测试软件。可能有些朋友还记得Unigine Heaven这个比较老的测试Demo；另外值得一提的是，Unigine是一家做VR引擎的公司。
上图来自国内VR领域老牌企业中视典的ppt。除了右边的Unigine之外，我最早了解到的Vega和OpenGVS用在军事模拟方面多一些，那年头VR还是阳春白雪阶段，民用的比较少；Unity3D和Unreal Engine（虚幻）是现在最流行的VR引擎，其中Unreal也因为在游戏制作中的优秀表现早已声名在外，Unity相对轻量级和易上手而更为普及。对于国产的VRP，我10年前就听说过，但毕竟我不是做开发的，在这方面还没有太多评价的发言权。
除了VR测试之外，Unigine Superposition也能支持常规3D测试，就是在普通显示器上输出单屏画面。虽然这次我们不是要测这个，但也可以简单看下——因为跑的是同一个场景。
Unigine Superposition会计算出当前测试设置所需的显存容量。从上图可以看出，“非VR”的Performance测试模式下，单个8K屏没有8GB显存几乎是玩不动的。另外根据我之前在《玩转专业8K显示器：你需要知道的事》中做过的3DMark测试，GTX 1080等级的显卡基本上跑不流畅。
丰富的测试选项、视觉对比和量化分析
在上面的界面选择VR Ready，就可以进行VR测试了。
请大家留意下VR Minimum测试选项的画面效果（第17个场景）
如果没有连接VR头显，VR Ready测试就会在显示器上以左右分屏模拟运行。在屏幕右上角，Unigine Superposition会显示一些有价值实时信息，稍后我会具体讲。
默认设置的VR Minimum测试只需要1GB多一点的显存
除了VR Minimum之外，Unigine Superposition还提供了VR Optimum、VR Maximum和VR Future一共4个预置测试选项，具体对应不同Shaders Quality（着色器质量）和Textures Quality（材质/纹理质量）。下图就是我在运行VR Future测试时拍摄的照片：
虽然与前面的测试照片同为第17个场景，但明显
VR Future比VR Minimum测试的光照效果改善了很多
（后面还有量化分析）
Unigine Superposition VR测试默认的单眼分辨率为1332x1586
在VR Future测试设置下，显存容量需求上升到了3610MB，这时如果用3GB或以下的显卡就不太合适了。以流行的VR Ready显卡GTX 1060为例，我们知道3GB显存的性能比6GB有一点差距，但是性价比更好些。对于VR内容制作者来说可以考虑优化场景来节省硬件资源，比如下面这个和思易的“铝热实验”。
“铝热实验”属于中小学物理/化学/生物VR实验中的一个代表作，能够在GTX 1060 3GB显卡上流畅运行到90FPS帧率。这个Demo我比较熟悉，画质和整体体验都是比较优秀的。
VR Minimum和VR Future（第17个场景）测试中
屏幕右上角显示的实时信息
从上面的几个数值中，很容易判断出Unigine Superposition测试场景的复杂度，也就是画质差别。
——Triangles（三角形，或称多边形“面”）：VR Minimum为330万个，而VR Future达到1000万出头；
——Light source光源数量：VR Minimum为36个，VR Future则多达70个；
——Material材质数量：VR Minimum为596，VR Future增加到694；
——Surface表面数量：VR Minimum为1904，VR Future多达4949；
虽然我们在测试中可以不用真的连接VR头显，但Unigine Superposition还是提供了一个Headset的选项：包括HTC Vive、Oculus Rift和自定义，其中前2者分别对应1512x1680和1332x1586单眼分辨率。不知这里是否有读者朋友产生和我同样的疑问：我在本文开头提到HTC Vive和Oculus Rift的单眼分辨率都是1080x1200，为什么测试（也就是显卡输出）会有更高一些且不同的分辨率呢？
我在网上找到一篇文章《深度对比分析VR头显Vive、Rift的分辨率：渲染、失真与校正》（链接：https://yivian.com/news/45299.html），里面对这个问题解释的比较专业。尽管VR头显的液晶屏分辨率没有那么大，但主机显卡渲染输出时需要有一些“超标”。至于这个超标的比例范围应该没有一定之规，有些选择余地取决于内容开发者。
下面我总结了Unigine Superposition不同测试设置下需要的显存容量，为了考察4K（单眼2K）和8K（单眼4K）性能，我特别增加了2个自定义测试项目，还有2种“非VR”测试设置用于参考对比。
注：对于4K和8K VR整体分辨率，由于还无法准确预知
未来流行头显的参数水平，我只是选个数值来做大致的性能评估
通过对比不难发现，材质（纹理）质量和分辨率对显存需求都有直接的影响。比如VR Minimum在单眼4K（整体8K）分辨率下显存容量需要3152MB；而分辨率和材质质量都很高的“非VR” 8K Optimized测试则达到6214MB。
另一方面，如果您真的以为Shader Quality影响不大那就错了，着色器质量决定着特效水平（包括上文中的光照等），也是最吃显卡性能资源的。具体关系到GPU处理能力还是显存带宽这里暂不展开分析，咱们还是先看本次测试的硬件配置和结果。
测试平台：Quadro P4200硬件规格与GeForce GTX 1070相当
本次测试使用了一台配置较高的Dell Precision 7730移动工作站
显卡为专业级NVIDIA Quadro P4200 8GB。
相比上面的P4200，用于桌面工作站的Quadro P4000规格为：CUDA核心1792、图形时钟（GPU频率）1202MHz、内存带宽243GB/s。作为升级型号的移动Quadro P4200反而领先。
如果只看硬件指标，定位桌面的游戏显卡GeForce GTX 1070（也可以跑VR）CUDA核心1920、图形时钟（GPU频率）1531MHz、内存带宽256GB/s。整体上看移动版Quadro P4200也算是旗鼓相当。当然专业显卡还有完整OpenGL支持、CAD/DCC等多种工作站应用软件的优化认证，贵有贵的道理。
测试结果：主流及4K VR通过，8K、极端画质未达标
我们先测了VR Minimum选项，这台移动工作站跑到10000分以上（实际超过标尺右端都会显示10000）。具体来说，平均FPS帧速度192.44，最大336.81，最小FPS 111.40也超过了90FPS，这种完全的VR Ready不会有任何不流畅的感觉。
Unigine Superposition的VR Future设置确实是硬件杀手，我这台的测试机得分为2714，已经达不到Capable的水平。具体到平均FPS只是30刚出头，这一点对于贴近眼睛观看的VR来说无法达标。看来画质和特效不能搞的太“变态”。
我还注意到无论VR Minimum还是VR Future测试GPU最大占用率都接近100%，这表明系统其它部分不存在明显的瓶颈。45W TDP功耗的Intel Xeon E-2176M CPU还是很给力的，别看6核12线程的它基础频率只有2.7GHz，而最大Turbo频率可到4.4GHz。再加上超过100W功耗的显卡，本本的散热要设计好哦，在这一点上面向商业用途的移动工作站，通常要比游戏本的标准要高。
Unigine Superposition Benchmark默认使用的单眼渲染分辨率——1332x1586就是Oculus Rift的标准。我除了在测试中加入自定义分辨率之外，还简单对比了一下HTC Vive的渲染分辨率，以及OpenGL和DirectX的差别。
首先，在VR Minimum和Optimum设置下，这台配置Quadro P4200显卡的Dell 7730移动工作站都达到10000的满分。接着我选择将VR Optimum的分辨率提高到单眼2048x2048（整体4K），8860得分仍在VR Ready的范围内。
当我将VR Maximum的默认单眼分辨率从1332x1586提高到1512x1680，这时测试得分从8290下降到7329。如果是对应Windows MR或者HTC Vive Pro头显，估计VR渲染分辨率还要再提高一些，同时画面精细度也会有些改善。
即使在VR Minimum这样的基本设置下，将单眼分辨率提高到4096x4096（即8K VR）性能也无法达标了。这个在意料当中，在笔记本上100W出头功耗的显卡已经属于发烧了。上文中我也提到GTX 1080显卡的台式机都搞不定8K。如果换成新一代的GeForce RTX 2080或者2080Ti呢？
注：至本文截稿之时，我已经测得了部分2080Ti的性能数据，如果大家感兴趣稍后可以再撰文分享。
在资源消耗最大的VR Future设置下，OpenGL图形接口的测试结果要比DirectX（D3D）稍低一些，这也符合人们通常的认识——在Unreal、Unity这几个引擎制作的沉浸式VR头戴显示应用中，Quadro显卡的性能与同等硬件规格的GeForce大致相同，因为大家都用DirectX。不过，有的图形工作站在VR内容创作中还可以有别的附加值，比如Dell Precision Optimizer（DPO）优化软件最新版本5.0就加入了对Unreal Engine 4的性能优化选项。
另外，如果用户在VR制作的前期，还会使用到3dsmax、Maya等动画类软件，专业显卡提供了全面ISV认证也就是兼容性的保障。对于制造业VR就更不用说了，Quadro和Radeon Pro在Siemens NX、CATIA、SolidWorks、PTC Creo等CAD类软件中，显著的性能和兼容性优势都是GeForce之类望尘莫及的。这方面有些大厂的工作站同样会提供ISV认证和性能调优工具支持。
最后我们再来看下帧速度，这可以说是上面那个测试得分的原始数据。
首先，前面4种设置的测试平均FPS都达到90，证明配置Quadro P4200显卡的Dell 7730移动工作站可以较好地胜任当今主流VR应用，包括4K（单眼分辨率2K）在内。
60FPS基本是VR显示可以接受的基本要求（视频除外），那么这款主机除了比4K更高的分辨率和极高质量的“Future”测试设置几乎都可以达标。
总 结
大家还记得我在开头提出的几个问题吗？现在有结论了：
a. 无论笔记本/移动工作站，还是台式机，在GTX 1070/1080、Quadro P系列显卡这一代还不能胜任8K（单眼4K）VR。
b. 4K（单眼2K）VR支持的难度不大，显卡建议配置GTX 1080、Quadro P4200或者更高。
c. 如果是几大流行引擎制作的VR内容（特指头戴沉浸式），Quadro专业显卡和GeForce游戏显卡的表现，基本上只看硬件规格就好，因为在这个领域DirectX的效率已经比较高了。制造业VR可视化则是另一种情况，跑OpenGL基本上只能选专业显卡，不然很容易自找麻烦。
d. 笔记本和移动工作站在合理配置下跑VR没问题，要注意的同样是显卡应以GTX 1060起步，比如Dell另一款VR Ready的Precision 7530配置的Quadro P3200专业显卡硬件规格就明显高于1060了。
补充：VR的性能不只取决于显卡，比如我看到在Unreal的最终生成阶段（有点类似于动画场景渲染），多核CPU是可以跑满的，而显卡负担相对不大。这一点与内容制作公司的朋友反馈信息一致，所以VR设计人员和使用/观看者对硬件的需求又各有侧重点。
