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以更少的處理能力在注視點區域提供更高的清晰度。
（映維網 2020年01月28日）虛擬現實行業正在迎來新一輪的硬體疊代，更高解析度的頭顯和更優性能的光學組建成為了廠商的重要關注點。軟體方面同樣出現了類似的情況，一波強調流暢VR體驗的應用正在湧向終端消費者。
利用圖靈架構，英偉達顯卡能夠以原生解析度提供VR體驗所需的性能。為了進一步提升圖像清晰度，英偉達在CES 2020大會期間發布了「可變速率超級採樣（Variable Rate Supersamplin；VRSS）功能。
日前，英偉達資深軟體工程師DeepChand Palswamy和資深系統軟體工程師Swaroop Bhonde撰文對其進行了介紹，下面是映維網的具體整理：
可變速率超級採樣（VRSS）擴展了圖靈架構的可變速率著色（Variable Rate Shading；VRS）功能，它可以通過執行選擇性超級採樣來改善圖像質量。VRSS僅在GPU周期可用時開啟，但你可以選擇地進行啟用。無需應用開發者集成，這項功能可完全在英偉達顯示驅動中處理。
1. 背景
1.1 超級採樣
SSAA（超級採樣抗鋸齒）是一種早期的抗鋸齒方式。具體來說，先把圖像映射到緩存並把它放大，再用超級採樣對放大後的圖像像素進行採樣，一般選取2個或4個鄰近像素，然後將採樣混合起來，生成最終像素，令每個像素擁有鄰近像素的特徵，從而致使圖形邊緣的過渡趨於平滑。最後再把最終像素恢復至原來大小的圖像，保存到幀緩存，並輸出到顯示器。
MSAA（多重採樣抗鋸齒）主要是通過專用的多重採樣緩衝區（渲染目標）來實現。緩衝區的可用配置為2倍，4倍，8倍。MSAA發生在管道的光柵化階段。你可以理解成是一種特殊的SSAA。MSAA只對Z緩存（Z-Buffer）和模板緩存（Stencil Buffer）中的數據進行超級採樣抗鋸齒的處理，亦即只對多邊形的邊緣進行抗鋸齒處理。相比於對畫面所有數據進行處理的SSAA。
儘管SSAA有利於提升視覺質量，但它存在自身的局限性：
- SSAA是性能密集型功能：像素負載與樣本數量成線性比例
- 難以精細控制著色率：無法對4x MSAA緩衝區執行2x超級採樣，同時無法根據渲染區域或任何其他條件選擇性地對對象進行著色。
圖1：MSAA和SSAA的像素著色器執行。MSAA為覆蓋樣本執行一次像素著色器並共享數值，SSAA為所有樣本執行像素著色器。
1.1.1 MSAA和SSAA的示例
圖2將每個像素顯示為一個正方形，點表示一個像素內的樣本位置。
在運行像素著色器之前，硬體會生成一個「覆蓋遮罩」。它存儲當前三角形所覆蓋及未覆蓋的樣本。
在方框1中，覆蓋所有4個樣本。在方框2中，覆蓋3個樣本。
MSAA超級採樣像素著色器為中心的像素執行一次，僅生成一個著色並將其複製到「覆蓋」樣本中。像素著色器為每個採樣位置的樣本執行一次，為每個覆蓋樣本生成唯一的著色。方框1：所有4個樣本都包含完全相同的著色，所以將它們平均會產生相同的著色；沒有質量提升方框1：所有4個樣本均包含唯一的著色。所以，將它們平均會產生更為準確的著色；提升質量+內部抗鋸齒方框2：3個樣本包含完全相同的著色，第4個樣本包含背景色，所以將它們平均會產生抗鋸齒輸出；沒有質量提升，但邊緣抗鋸齒方框2：3個樣本包含唯一的著色，第4個樣本包含背景色，所以將它們平均會產生更正確的和抗鋸齒的輸出；提升質量+邊緣抗鋸齒
1.2 超級解析度
應用可以具有用於縮放渲染解析度的動態縮放功能。這個方法涉及按比例縮放渲染目標。但這種縮放是整幀執行，甚至外圍都是以更高的解析度縮放和渲染，而VR並不真正需要這樣。更好但更複雜的解決方案是僅縮放中心區域，並按比例縮小以提高質量。
1.3 目標區域
對於VR，渲染區域可分為中心區域或外圍區域。用戶一般是把注意力集中在VR螢幕的中心區域。透鏡畸變會嚴重擠壓圖像的外圍，但用戶一般無法感知。僅在中心區域進行的任何優化都會改善最終用戶的整體體驗。
1.4 圖靈可變速率著色（VRS）
圖靈的VRS功能能夠選擇性地控制整個渲染表面的著色率。VRS可以使用以下兩種方式之一來動態改變實際像素著色期間的著色率，而不是每個像素執行一次像素著色器：
- 粗略著色：每個多柵格像素執行一次像素著色器，然後將相同的著色複製到像素
- 超級採樣：每個單柵格像素執行多次像素著色器。
VRS功通過僅對注視區域進行超級採樣來改善視覺質量。
2. 可變速率超級採樣（VRSS）
2.1 介紹
VRSS的工作原理是選擇性地對幀中心區域進行超採樣：固定注視點超級採樣。你可以使用VRS功能為渲染目標應用不同的著色率。在對中心區域進行超採樣的同時，你不會觸及外圍區域。VRSS僅在空閒GPU周期可用時進行選擇地啟動。
圖3：VRSS的示例。
根據應用程式選擇的MSAA級別，中心區域可以進行多達8倍的超級採樣。所有這一切都可以由英偉達顯示驅動處理，無需任何應用集成。
用戶可以通過NVIDIA Control（控制面板）->「Manage 3D Settings（管理3D設置）」頁面->「Program Settings（程序設置）」標籤啟用VRSS。在開啟時，你可以看到數個選項。
- Adaptive（自適應）：將超級採樣應用於幀的中心區域。中心區域的大小取決於可用的GPU餘量
- Always On（始終開啟）：將超級採樣應用於固定大小的中心區域。這個模式不考慮GPU餘量，並可能導致丟幀。
這項功能僅適用於滿足以下條件並接受英偉達性能分析的應用：
- DirectX 11 VR應用
- MSAA+正向渲染
2.2 幕後
VRSS不需要任何開發者集成，並且完全是由英偉達顯示驅動實現和處理。
英偉達顯示驅動處理多個功能板塊，包括：
- 幀資源跟蹤：驅動跟蹤每幀遇到的資源，並構建啟發式模型來標記可以調用VRS的情景。在配置VRS著色率時請注意MSAA級別：在圖像中心使用的超級採樣因子。提供用於配置VRS遮罩的渲染目標參數。
- 幀渲染監視：這涉及測量跨幀的渲染負載，應用程式的當前幀速率，基於頭顯刷新率的目標幀速率等。這反過來會計算VRSS自適應模式所需的渲染統計信息。
- 可變速率超級採樣支持：如前所述，VRS允許你能整個渲染表面配置著色率。這是通過著色率遮罩和著色率查找表完成。有關所述技術的詳細信息，請參見Turing Variable Rate Shading in VRWorks頁面。VRS架構設置：處理VRS遮罩和VRS著色率查找表的配置。VRS框架根據性能統計信息配置，如下所示：3.1：VRS遮罩：中心區域遮罩的大小與餘量可用性成比例配置3.2：根據檢測到的MSAA緩衝區採樣數配置VRS著色率
圖4：VRS的幀周期表格
3.3 VRSS模式
- Adaptive（自適應）：自適應模式將考慮性能限制，它會嘗試最大化超級採樣區域，同時不影響VR體驗。在這裡，中心區域的大小與可用的GPU餘量成比例增大/縮小。
圖5：自適應模式的中心區域動態變化。綠色遮罩描繪了超採樣區域。 基於GPU負載（場景複雜度），超採樣區域會縮小並增長。
- Always On（始終開啟）：這個模式始終對固定注視點中心區域進行超級採樣，從而最大程度地提高圖像質量。中心區域的大小足以覆蓋中心的用戶視場。它可以幫助用戶感知最大的質量增益。但是，這可能會導致性能密集型應用出現丟幀情況。
4. 開發者指南
這項功能面向接受英偉達性能分析的應用，而你可以將遊戲和應用提交給英偉達審核。
VRSS的優勢包括：
- 無需集成：不需要顯式VRS API集成。完全封裝在英偉達顯示驅動之中。
- 易用：可通過簡單的開關（利用英偉達控制面板）打開/關閉超級採樣。
- 質量提升：超級採樣可提供最高的渲染質量，並儘可能減輕鋸齒。
- 性能模式：自適應模式嘗試在不減損性能的情況下提高圖像質量。
- 無需維護：因為整個技術是由驅動處理，所以無需開發者進行維護
對VRSS應用程式進行性能分析的標準如下：
- DirectX 11 VR應用
- MSAA+正向渲染：超級採樣需要使用MSAA緩衝區，所以它兼容使用MSAA的應用。所應用的超級採樣因子級別基於MSAA緩衝區中使用的基礎樣本數量。對於MSAA-2倍，中心區域著色2倍；對於MSAA-4倍，著色4倍。MSAA級別越高，超級採樣效果越強。
MSAA是一種與正向渲染相關的熱門抗鋸齒技術，非常適合VR。諸如Unreal和Unity之類的遊戲引擎都支持在VR中進行正向渲染。如果已經啟用正向渲染，則添加MSAA支持會相對容易。
受益於超級採樣的內容同樣會受益於VRSS。超級採樣不僅可以減輕鋸齒現象，而且可以顯示圖像中的細節。但需要注意的是，質量提高的程度因內容而異。
圖6：受益於VRSS的示例。
遇到以下類型的內容時，超級採樣的效果將會非常明顯：
- 高解析度紋理
- 高頻內容
- 具有Alpha通道的紋理，如柵欄，樹葉，菜單圖標和文本等。
但下面情況則沒有太大的質量提升：
- 平面陰影幾何
- 低細節層次的紋理
5. 已兼容的遊戲和應用
VRS技術已經作為顯式編程API提供，並提供用於應用集成的精細控制。開發者同時可以利用VRS進行透鏡匹配著色（lens matched shading），內容自適應著色，注視追蹤著色等。
VRSS開箱即用，無需為基於DirectX 11 MSAA的應用進行任何應用集成。
下面24款遊戲已通過英偉達驅動441.87支持VRSS。
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