一文读懂Cloud XR（上）

作者：Dell EMC中国研发集团 沙丹青

 

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR）, 传统实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。相比传统视频，VR带来了前所未有的沉浸式的体验。增强现实（Augmented Reality，简称 AR）是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的技术。混合现实(Mixed Reality, 简称MR) 是VR 和 AR 的结合，将虚拟现实和增强现实完美地结合起来，提供一个新的可视化环境。VR 侧重于游戏、视频、直播、培训与社交等大众市场，AR/MR 侧重于工业、军事等垂直应用。本文将AR/VR/MR统称为XR （Extended reality）。

 

Cloud XR（云化XR）是一种全新的模式： 智终端、宽管道、云应用。受益于5G网络，Cloud XR将物理硬件迁移至云端/边缘端，使得 “轻量级终端” （thin client）只保留呈现XR最基本的功能，提高其移动性和灵活性，大大降低终端成本，为AR/VR/MR打开更广阔的市场。

 

当前AR/VR/MR技术存在的问题

AR/VR/MR技术出现已经有好多年，但至今还没有成为主流，主要是因为目前存在如下问题：

• 技术成熟度还不够：受限于技术壁垒，当前市场上的AR/VR/MR产品的质量参差不齐，用户体验有待提高，如画面真实率，视场角，眩晕和迟滞感等问题，都会影响用户的体验，相关技术有待提升；
• 价格贵：当前主流的AR/VR/MR头显价格偏贵且以商用为主；
• 内容源还不够好，高品质内容依然稀缺且缺乏“杀手级”的应用；
• 头显的问题：头显通常需要GPU产生高质量的图形。如果GPU存储在头显上则会产生热量并消耗大量电能。如若使用PC的GPU（如Oculus Rift, HTC VIVE），则需要保持头盔与PC线缆的连接，会大大限制用户的移动性。即使已经有可移动的独立头显问世（如Oculus Quest和HTC Vive Focus Plus），使用的高通芯片组依然无法与显卡的渲染能力相抗衡。对于移动设备来说，计算能力不足造成的画面粗糙和交互体验不足也常常被诟病；
• 延迟要求：AR/VR/MR的时延又称为运动到成像时延（Motion-to-Photon（MTP） Latency），是指从IMU或视觉传感器检测头部/手部的运动，到图像引擎渲染出对应的新画面并显示到屏幕的时延。AR/VR/MR的应用，对实时性和计算的要求很高，比如语音识别，视线跟踪，手势感应，摄像头和传感套件等等都需要低延时处理。VR对MTP时延要求通常以不高于20毫秒为目标，更强调实时互动的AR 对MTP延迟要求则更为严格，通常以不高于5毫秒为目标。如果MTP 时延无法满足，用户会产生眩晕感 (motion sickness), 严重影响用户体验。

AR/VR/MR在充分发挥其潜力方面仍面临许多障碍。随着5G的出现，当前AR/VR/MR设备的许多固有限制可以被消除。

 

5G 赋能Cloud XR

2020年，5G商用建设已然开启。

5G是第五代移动网络或者继4G之后的下一个主要蜂窝网络演进。5G会有更高的频谱效率，支持更多用户，提供更高的数据速率并保证更加稳定一致的用户体验。随着物联网设备和连接的增长，5G还有望去支持更高的设备连接密度，延长设备电池寿命，扩大网络覆盖范围并提高信令效率。

5G具有高速率、广联接、低时延的特点:

• 5G 网络 频率更高，带宽更大，峰值速率可达20Gbps，是4G的20倍；用户体验速率可达1Gbps以上，是4G的100倍；
• 延迟缩小，降低5-10倍；
• 设备连接密度提升10-100倍，支持每平方公里100万台设备的连接；
• 流量密度提升100-1000倍，达到每平方公里每秒数十太比特；
• 移动性、稳定性、网络均匀性等其他性能均有所提高。

高盛的预测报告显示，2025年AR/VR的硬件市场规模可达1100亿美元。而要提供极致的AR和VR体验（12000p*7800p），需要至少1Gbps的传输速率，而5G能满足这个需求。

AR/VR普遍认为是 5G 的杀手级应用，5G将为AR/VR产业插上腾飞的翅膀。5G的三大场景eMBB，mMTC和URLLC对应5G的AR/VR、车联网、大规模物联网、高清视频等等各种应用（图1） [1] 。

 

图1 5G的三大场景和它们的应用

 

5G技术的高带宽、低时延特性将极大改善XR体验：

• 带来更轻的头显、更好的电池续航时间和更低的延迟。用户还可以通过高速的5G技术享受到快速的图像识别计算、实时跟踪和动态渲染，把现实世界和物理世界无缝的链接在一起，促进 XR的蓬勃发展。
• 5G可以使得多用户共享AR/VR体验，从而解决单一用户的限制。这种多用户同时使用的功能只有在5G环境下才能更好地实现
• 5G的网络切片技术可以确保应用程序的部分带宽得到保证，而不管其他应用程序/用户在这个保证切片之外做什么
• 5G的移动边缘计算（MEC）可以减少内容汇聚、节省带宽，同时降低时延

RTT延迟（Round the trip latency）是指由网络传输带来的延迟。网络延迟，是导致眩晕的一大原因。5G标准的低延迟特点，也对VR这个对延迟极其敏感的技术提供了巨大支持，将有效解决VR头显时间延迟的技术问题。表 1列举了不同的XR沉浸度所需要的带宽和延迟的参数要求。如果5G网络能够达到理想的速率，那么最理想的全沉浸式XR是完全可以满足的。

 

由于智能手机的普及，除了专业头显，未来智能手机也将是很好的承载Cloud XR体验的终端设备。只要通过与5G技术相结合，将解决头显设备的移动问题，真正实现低延迟的无线高速通道化体验。

 

Cloud XR 解决方案

Cloud VR解决方案的基本准则是，将消耗资源的计算转移到云或边缘端，并将内容通过低延迟高带宽的5G网络传输到轻量级客户端。 带来的好处是:

1. 使得轻量级客户端（Thin client）成为可能和发展趋势。轻量级客户端是Cloud XR出现后的XR终端设备的趋势 - 终端设备仅提供呈现XR体验所需的最少功能，而其他所有功能均移至云端或边缘端。这些设备将比当前的相对 “笨重” 的XR头显或头盔便宜得多，并且移动性更强，电池寿命更长。

2. 将GPU计算需求转移到云端时，渲染内容在通过5G网络传输到终端前，可以先优化内容的分辨率，提供更优质的体验

3. 低时延：5G通过云/边缘技术方案提高画质并降低网络时延

图2是Cloud XR的基础架构图[2]。Cloud XR比较消耗计算资源的部分如渲染、感知、编解码等都从终端转移到云或边缘端进行处理，而视觉体验则通过5G网络传递到用户终端。5G网络还将传感器信息从终端传输到远程应用程序处理。由于云/边缘端与用户终端之间存在大量数据交换，因此需要使用低延迟编码技术。

 

图2 Cloud XR 整体架构图

 

根据云/边缘计算的需要，不同的Cloud XR服务和应用程序部署在不同的网络位置。总体网络延迟与信号路径的长度，以及中间路由/交换元件的数量有直接关系。图3显示了端到端延迟 (End to end latency) 随着网络传输距离的的影响 [2] 。如图所示云架构分为两层：

• 中心节点主要负责5G网络的控制面(control plane)功能和管理平面(management plane)功能：具体来说，控制面信令，业务流处理，策略调度，网络运维，节点管理和分片管理等等。
• 边缘节点主要负责用户平面功能和边缘计算平台功能，边缘计算平台负责提供与XR相关的服务的部署和治理。 为了更好地实施边缘服务和应用程序的部署和治理，可以将边缘侧节点划分为边缘硬件，IaaS，PaaS， Cloud XR的启用和应用程序。

 

图3 Cloud XR 网络架构和延迟

 

Wireless X Labs提出了五个阶段来定义Cloud XR的演进过程 [3] 如图4所示。第2阶段代表Cloud XR的开始，延伸到2022年，标志着关键的5-10年窗口期的开始。

以Cloud VR为例，表格2列举了强交互Cloud VR和弱交互Cloud VR在不同阶段的指标和要求[3]。

 

图4 Cloud XR 的不同阶段

 

表格2 Cloud VR在不同阶段的指标和要求

 

Cloud AR和Cloud VR技术有很多相似点，也有很多不同的点。

在下一期的文章里，我们将分开讨论它们的具体实施方案和应用场景。