VR 应用的云渲染解决方案

林墨耘 马媛 房林

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610000）

云渲染(cloud render)是基于云计算和流媒体技术的概念，借助云计算超强的计算能力及高速稳定的网络，采用视频码流作为“云端”向“终端”呈现处理结果的一种方案。VR 终端收集用户的显示内容需求，将对计算能力要求最严苛的渲染部分传输至云渲染服务器，完成渲染、编码后，经过高带宽、低时延反馈至VR 终端进行解码显示，从而降低VR 终端的性能要求，大幅度降低终端的成本。云渲染涵盖范围较为广泛，利用云端GPU 资源进行运算并将结果传送至终端的方式均可以称之为云渲染。

在云渲染技术的支持下，普通用户无需购买昂贵的VR 设备，仅需要低成本的VR一体机或机顶盒或手机VR 盒子，就可以实现大规模的交互式VR 业务体验，为VR 业务的普及提供了新的发展机遇。

一、云渲染解决方案

（一）云渲染方案架

云渲染解决方案体系结构由终端层、网络层、平台层和内容层组成。终端层为虚拟现实终端主要实现虚拟现实内容渲染、家庭网络访问和用户认证等功能，通过千兆光纤、5G 网络等高速通道与平台层连接。网络层包括骨干网络、城域网、接入网络和家庭网络，负责为虚拟现实云渲染服务提供大带宽、低延迟的稳定传输。平台层为VR特定应用提供云渲染、流媒体、转码、存储、编码等功能。内容层主要负责向平台层提供应用程序内容，包括内容提供商和内容聚合商、包括视频服务在内的虚拟现实内容和强大的互动服务。

（二）渲染业务平台

云渲染平台由VR 中心管理系统和多个VR 云渲染系统组成。

1.中心管理系统。

VR 中心管理系统是云渲染平台的核心控制部分，集中接收用户VR 终端发起的视频处理请求，调度云计算资源，存储关键的系统配置、用户权限等数据，其内部主要分为业务系统、存储管理和统一会话调度管理三大功能区域。

2.云渲染系统。

云渲染系统是云渲染平台的核心部件，主要负责VR 应用的逻辑计算、实时渲染、编码、推流等处理，云端处理的高并发、低时延需要云渲染系统来保障。云渲染方案将硬件资源池化，行程GPU 渲染、CPU 计算资源池，在此基础上构建多个虚拟机作为VR业务的运行环境，根据用户需求及应用环境对CPU 计算资源和GPU 渲染资源进行动态分配。云渲染通用方案由基础计算资源、虚拟服务资源、服务应用层组成，部署在边缘侧，通过调用与用户最近的资源提高效率。

3.云渲染平台建设。

云渲染平台的建设一般分为两个阶段，第一阶段采用集中式部署，快速形成运算能力平台，快速上线云渲染服务，第二阶段采用分布式部署，以确保系统的高并发性和高可用性。

分布式部署通过边缘节点服务（Edge Node Service，ENS），降低响应时延和带宽成本、减轻中心集群压力，适用于“中心+边缘”架构模型下的各类业务。

集中式部署方案已具有较多成熟、可借鉴案例，本文主要介绍分布式部署方案。平台将云VR 平台管理和业务管理放在了核心网一端；将具备渲染能力及编解码能力的应用服务器放在了边缘节点一端更贴近用户侧，目的是降低时延，给用户带来低时延的VR 体验。

分布式部署是将云服务平台的中心系统部署在总前端机房，将分前端系统部署在分前端机房，分布式的部署方式能够减轻视音频流给骨干网带来的压力，同时降低了视音频传输的网络时延，提供给用户更加优异的体验，适合系统扩容及后期较大规模的云服务平台。

目前平台支持基于5G 架构的MEC 服务器形式部署，并进行落地环境测试验证。云VR 平台基于云端能力建设，支持弹性、灵活、平滑的扩容方案。云VR 渲染系统支持部署在云计算的虚拟机上，也支持部署在有GPU 能力的硬件服务器上。

虚拟化与物理服务器结合部署模式的主要思路是将中心管理系统、分前端管理系统及业务管理系统部署在虚拟服务器，由于中心、分前端、业务管理对于服务器性能需求相对较低，在虚拟服务器中能够进行正常的操作运行，降低物理服务器部署成本；将应用平台部署在物理服务器，应用平台中安装应用，主要负责应用的运行和结果回传，对于显卡等硬件要求较高，通过部署在物理服务器，可以直接调用强大的服务器硬件资源，使得应用运行更加流畅，提升用户体验感

全虚拟化部署模式的主要思路是将所有运算功能模块全部部署在虚拟服务器上，相比于虚拟化与物理服务器结合部署模式，全虚拟化部署可更加充分利用服务器硬件性能，适合于大批量用户应用场景，由于应用平台也部署在虚拟服务器，在部署大批量场景时硬件成本更低，管理也更加便利。

二、云渲染终端

（一）终端接入

云XR 终端系统实现与云端的协议交互、操作指令等数据回传以及音视频流解码播放等能力，终端设备需要集成云VR 平台的终端系统软件。

云XR 平台要求终端具备视频解码能力、VR 显示能力和交互能力，因此终端只需要满足以上功能，要达到更好的效果，需要终端基于以上功能做相应的优化，以达到终端最优效果。目前云VR 平台已经支持VR 一体机、手机和云VR 机顶盒这三种形式的客户端作为终端设备。

终端系统软件支持VR终端进行集成，集成后终端可以经过IP网络、光纤入户网络、家庭wifi 以及5G 网络接入云VR 平台。

在Cloud XR 解决方案中，Cloud XR 终端需要与视频业务平台、强交互业务平台、投屏系统、机顶盒对接。需要通过增加Laucher、视频业务APK、强交互业务APK、登录鉴权、投屏服务等功能，从业务平台服务器获取编排后的视频和强交互内容。终端将内容投屏共享给机顶盒，机顶盒通过播放器播放XR 投屏内容。Cloud XR 终端主要通过无线WI-FI 接入，终端特点是无线、可移动、舒适度相对高、交互自由、配置安装简单，更容易大规模用户的普及。

视频业务APK：为了能访问、对接XR 视频业务平台，终端需要继承视频业务，与云端进行业务的交互及服务状态的监控。

强交互业务APK：终端需要集成强交互业务的APK，包含门户及交互协议库。云XR协议库负责与云渲染平台进行交互、操作数据回传提供基础SDK；门户用于为用户提供操作入口，内容展示、聚合。

用户鉴权：用户鉴权可以通过手机验证和APP 登录鉴权，对Cloud XR 进行授权和解除授权。也可通过终端登录方式进行鉴权，不过此方案教手机鉴权操作较复杂。

投屏服务：投屏功能，可将XR 终端显示的内容同步投屏到电视上。用户在终端发出投屏指令，通过用户登录鉴权实现Cloud XR 终端与机顶盒配对绑定并借助投屏信息通道进行投屏控制。

通信能力：Cloud XR 终端通过WI-FI 或者5G 通信模块与业务平台对接，结合业务的带宽及时延要求，终端需要支持5G 或者WI-FI。

（二）终端接入形式

VR 终端设备主要分为VR 一体机和VR 头显两种形式，云VR 能够同时支持以VR 机顶盒、VR 一体机、手机+VR 眼镜盒子作为云VR 终端，形成云VR 平台+云VR 机顶盒+VR 头显和云VR 平台+VR 一体机两种接入方式。

另外，为了VR 业务适用于家庭VR 应用场景，云VR 平台支持将VR 设备中的展示画面实时同步到其他VR 设备，以及非VR 设备，包括：TV、手机、PAD 等屏幕，实现VR内容的同屏分享。

自身具备一定的VR 应用的运行能力，使得用户不需要通过线缆连接计算设备，用户使用起来更为方便。但是由于VR 一体机计算性能相对高性能计算机来说还是太弱了，炫酷的VR 内容无法流畅运行，因此，利用VR 一体机的便利性，通过云VR 支撑其运行复杂的VR 应用也是一个不错的组合。优势：1.自带一定的解码和VR 显示能力，没有线缆的束缚，用户使用更方便；2.只要在网络可达支持，VR 一体机都可以方便的访问云VR的内容，更加灵活。

手机+VR 眼镜是VR 设备中重要的一个类型，VR 眼镜本身具有良好的镜片显示效果，将运算能力迁移至手机端进行处理，也进一步降低了VR 设备的重量。但是由于手机计算性能相对高性能计算机来说还是太弱了，炫酷的VR 内容无法流畅运行，因此，利用手机+VR 眼镜的便利性，通过云VR 支撑其运行复杂的VR 应用也是一个不错的组合。优势：1.VR 眼镜具备一定的VR 显示能力，重量进一步减轻，用户使用更方便。2.利用手机作为运算终端，更加便利，也节省了大部分终端成本，只要网络带宽允许即可支持，可以方便的访问云VR的内容，更加灵活。

三、渲染技术指标

云渲染的一个重要的技术指标是时延，时延分为云端时延、终端时延、网络时延三部分。

云端处理时延：云端时延包含逻辑计算、内容渲染、编码和数据发送等，根据当前行业发展建议：逻辑计算、内容渲染、编码并行处理大约需要10～15ms，数据传送时延约10-15ms，云端处理总的时延应≤30ms。

网络传输时延：根据实验室多人测试数据，当前网络对体验影响的拐点出现在网络时延在15～20ms；时延>19ms，操作传轻微迟滞；时延>23ms，转头体验劣化，出现明显黑边。所以网络传输的时延应≤20ms。

终端处理时延：数据流传输到终端后，终端需要对数据流进行解码、同步，再经过异步扭曲、反畸变等处理后，显示应用内容。采用90FPS的解码能力，解码时延约11ms，云平台和终端异步时间一般为0～1 个周期，所以终端解码和同步时延应≤20ms。

四、结语

基于云渲染的虚拟现实服务可以并行访问多种类型的虚拟现实终端、外围设备和用户，以及提供2d 视频、3d 视频、虚拟全景视频、虚拟现实游戏和其他很酷的服务，还有门户、游戏教育娱乐特效和其他很酷的商业展览，以及门户游戏教育娱乐特效和其他很酷的商业展览，以及门户、游戏教育娱乐、广告、电子商务和其他应用程序下载操作，提供一个用户友好的终端体验大大提高了体验效果，并大大丰富了虚拟现实终端可以承载的服务类型。它将有力地推动运营商网络服务的发展，为全媒体云服务提供一种新的模式。