LWN: VR和AR的开源方案

Free software support for virtual and augmented reality

By Jake Edge

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XDC

在加拿大蒙特利尔近期举行的X.Org Developers Conference会议上，有一个话题介绍了自由软件中的XR解决方案。XR就是指VR（虚拟现实）和AR（增强现实）。Joey Ferwerda和Christoph Haag来自Collabora，他们共同介绍了XR的概况，以及能支持两种应用的Monado项目。

Ferwerda先定义了一下HMD，这是指head-mounted display，头戴式显示。简单来说就是在脸上贴上一个屏幕以及一些传感器。HMD是实现XR必不可少的设备。它通常包含一个跟踪系统用来确认HMD的位置和朝向。有很多种设备用来实现这个跟踪系统，包括IMU（inertial measurement unit），光敏器件，激光，摄像头等。

AR用来给现实世界增加一些额外信息。用户看到他们周围的真实世界的时候，可以看到各个物体上显示出状态信息或者标签。AR近来有些过热了。简单来说用户带上眼镜就能看到一些额外信息，不过目前大家一提到AR就想到Pokemon Go这个游戏。

VR会用到两个显示屏，每只眼睛一个，这样仿佛用户就看到身边是一个3D世界，也能与之进行交互。所以用户看到的不是真实世界，而是一个完全独立创建出来的世界。通常描述VR的感受有两个词：presence存在感和immersion沉浸感。这就意味着用户感觉好像真得存在于VR创建出来的环境中。

XR包含了VR和AR。Ferwerda也不是很确认X怎么来的。甚至大家对XR的念法都不一样，既有cross reality，也有mixed reality。Haag还听到第三种，extended reality。

Monado and OpenXR

他们在开发的项目名为Monado，是Linux下的OpenXR runtime方案，属于自由软件（free-software）。OpenXR是Khronos Group定义的标准，Khronos也是定义OpenGL, Vulkan等其他图形相关标准的组织。

Haag在介绍OpenXR之前提道，每个XR engine引擎都应该支持一个不同的XR runtime。XR runtime通常是设备相关的。这样就会导致出现无数种device -> engine的组合。利用OpenXR的话，device runtime就提供了一个应用程序接口，允许使用任意的XR engine来和任意符合标准的device runtime配合在一起。OpenXR标准效果上来说，就是在device runtime和硬件之间增加了一个device layer。

XR处理栈中，包含了3层。首先有个程序基于某个软件平台(负责渲染以及处理输入设备)来做VR或者AR的工作。这个平台会跟硬件（包括传感器以及输入设备，以及显示设备）交互。

Haag简要介绍了一下应用程序API，基本上有点类似3D graphics里的Vulkan API，详情参见他的ppt，或者查找OpenXR网站。这个标准还在制定中，所以还缺不少功能，例如尚未支持AR。

应用程序可以先创建一个XR实例，它的句柄后面会一直用到。根据所用到的设备类型不同，例如智能手机，HMD，或者单眼还是双眼显示设备，这些信息都可以被设定到这个实例上。针对某个特定的渲染类型还会创建Session，这里有多种渲染类型，例如OpenGL, OpenGL ES, Vulkan，几种不同版本的DirectED。目前还不能同时支持多个session，所以无法让两个应用程序的输出显示叠加在一起，后续会能够支持。VR桌面就需要这个功能。

渲染是经过三个函数调用来完成的：先等前一帧完成渲染，开始渲染下一帧，然后完成end操作。下一帧的位置信息会由OpenXR来预测，这样渲染场景的时候会针对下一帧显示时的预期方向以及位置。控制手柄的输入信息是由action相关的API来处理的。也很类似Valve在SteamVR平台上定义的OpenVR API。

Ferwerda接着演讲，他认为过去一两年在Linux里面对XR图形支持方面有了不少进展。kernel和显示驱动里面都有一些功能加进来。还有近来支持的Extended mode，在这个模式下，VR显示就作为第二显示器一样，windows都可以显示内容。虽然能工作，不过还是依赖很多手动配置才行，并且这也会引入更多的响应延迟。

VR图形的Direct mode近来也加进来了。主要靠Keith Packard的工作来支持了KMS驱动进行渲染，而不依赖X或者Wayland。在生成帧率低于设备支持的帧率时，很容易出现恶心头晕现象，为了能减轻这个问题，利用了reprojection来复制一帧，或者对现有的帧根据预计的移动方向来做一点点改变。

VR硬件目前多数是基于Vulkan的，所以目前主要用Vulkan来做渲染。如果应用程序是基于OpenGL的，那么就可以利用Vulkan-OpenGL interoperability mode。不过只有部分硬件能支持这个功能。显示纠正（Display correction）是另一个问题，镜头通常都不是完美的，会有扭曲和色差，需要纠正。

Hardware support

Monado仅支持作者们能找到的硬件设备。包括Open Source Virtual Reality (OSVR) Hacker Developer Kit (HDK)，目前没有得卖了，不过仍然可以支持。Monado也做了很多反向工程的工作来支持更多设备。除此之外，在OpenHMD项目中还有一个C library，能够部分支持非常多的硬件。

此项目也支持了Razer Hydra游戏手柄的一些基本功能。PlayStation VR和PlayStation Move手柄的支持和刚刚合入。这是首次能完整支持一个人们能轻易买到（不多于300欧元）的设备。

还有其他一些值得注意的自由软件或开源软件项目。首先是libsurvive，可以支持HTC Vive HMD使用的lighthouse tracking（灯塔式跟踪定位机制）。还有一个maplab，能支持SLAM定位方式（simultaneous mapping and tracking）。在使用SLAM tracking的时候，头戴设备能够把当前所在的房间对应起来，这是XR中今后非常重要的一点。

尽快XR还是很年轻的技术，现在相应的开源社区已经存在不少时间了。人们拿到硬件设备之后看到没有对应的驱动，会觉得非常烦恼，然后开始反向工程进行分析。他从2013年开始就加入相应的开源社区，参加了FOSDEM等集会，跟很多志同道合者一起来让硬件能支持各种不同操作系统。还有一位OpenBSD开发者也花了很多时间来支持VR，目前进展比Linux这边还要领先。

反向工程在硬件支持方面是很重要的工作，不过大家都希望今后情况能得以改变。有很多人在做open platform（开源硬件平台），不过都还没有非常成功的。不同设备中用到了很多相同模块，因此开发过程中会容易一点，不过还是会经常需要分析Wireshark数据来试图从IMU里面找到重力传感器和陀螺仪等信息。还有需要搞清楚如何拿到camera的数据，以及怎么使用各种显示模式，这些对他们来说都是很有趣的事。

接下来是演示了，上面的图片中可以看到，这是经典的glxgears在VR环境下运行的样子。显示内容是由Vulkan渲染生成的，按照VR头戴式设备的燕子来展示出来，其中图像都针对VR设备进行了旋转和校准。

Ferwerda认为开发Monado的过程中非常又去，目前这个项目可以同时发布specification（规格书）以及OpenXR的实现代码。目前只有Monado和微软能够发布一个可用的版本，这个感觉很酷。他们希望能继续在Monado里面增加更多OpenXR和XR硬件，希望在座诸位有兴趣的话能参与进来。

[I would like to thank the X.Org Foundation and LWN's travel sponsor, the Linux Foundation, for travel assistance to Montréal for XDC.]

全文完

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