一、前言
2023 年，蘋果推出了 Vision Pro 頭顯，把“空間計算”概念推向大眾。與以往的 XR 設備不同，Vision Pro 強調高分辨率、真實感與沉浸感。然而，這種體驗背后隱藏著一個巨大的技術挑戰：如何在有限的計算與能耗條件下，實時渲染出堪比 4K 顯示器的圖像？
答案之一就是 注視點渲染（Foveated Rendering）。這是一種結合人類視覺特性與硬件渲染管線優化的關鍵技術，已經成為 XR 設備尤其是 Vision Pro 的“生命線”。本文將深入剖析注視點渲染的原理、發展歷程，以及它為何對 Vision Pro 至關重要。
二、視覺科學與技術背景
1. 人眼的工作原理
人類眼睛的感光細胞分布極不均勻：
中央凹（Fovea） 區域：位于視網膜中央，密集分布著視錐細胞，負責清晰、彩色視覺，視力最高。
周邊視野（Peripheral Vision）：感光細胞密度較低，主要依靠視桿細胞，分辨率低但對運動和亮度變化敏感。
換句話說，我們只有在眼睛注視的點才能看清高分辨率細節，而周邊區域的畫質需求要低得多。
2. 圖形渲染的困境
傳統 3D 渲染管線會對整個畫面以相同分辨率、同樣精度進行繪制。對于一塊 4K 顯示屏來說，這意味著：
需要計算 約 800 萬像素 的光柵化與著色；
如果在 VR/AR 中要實現雙目立體顯示，則渲染工作量翻倍；
再加上 90Hz ~ 120Hz 的高刷新率要求，性能消耗極為驚人。
對于頭顯設備來說，這種算力需求幾乎不可承受。既然人眼本身不需要“全屏高分辨率”，那么是否可以“因人制宜”，只在注視點渲染最精細的內容？
三、什么是注視點渲染？
注視點渲染（Foveated Rendering） 就是基于眼動追蹤技術，在用戶注視的區域提供高分辨率渲染，而在周邊視野區域逐漸降低分辨率與渲染精度，從而大幅降低算力和能耗消耗。
簡單來說，它就是把 GPU 的“火力”集中在你眼睛正在看的地方。
1. 分類
注視點渲染大致可以分為兩種：
固定式注視點渲染（Fixed Foveated Rendering, FFR）
渲染區域固定在屏幕中心。
優點：實現簡單，不依賴眼動追蹤。
缺點：當用戶眼睛轉動時，注視點可能不在高分辨率區域，體驗受限。
動態注視點渲染（Dynamic Foveated Rendering, DFR）
借助眼動追蹤技術，實時檢測用戶注視點，動態調整高分辨率區域。
優點：視覺體驗最佳，可極大提升性能。
缺點：依賴精確、低延遲的眼動追蹤。
2. 渲染原理
分區渲染：將畫面劃分為中心區（高分辨率）、過渡區（中分辨率）、周邊區（低分辨率）。
著色優化：在周邊區域減少像素著色率、降低貼圖分辨率或簡化光照計算。
動態更新：隨著眼睛運動，高分辨率區域實時移動。
這種機制使得系統的渲染負擔可以降低 30% ~ 70%，同時幾乎不影響用戶主觀感受。
四、注視點渲染的發展歷程
早期實驗階段
1990 年代，研究人員在實驗室中首次提出利用人眼視覺特性減少圖像計算。受限于硬件，應用并不廣泛。VR 初期應用
2016 年起，隨著 Oculus Rift、HTC Vive 等設備普及，固定式注視點渲染開始被實驗性采用。但因為沒有高精度眼動追蹤，體驗效果有限。NVIDIA 與 Tobii 的推動
NVIDIA 在其 VRWorks 平臺引入 Variable Rate Shading（可變著色率），Tobii 則持續推進眼動追蹤技術。兩者結合，推動了動態注視點渲染的成熟。商用化落地
HTC Vive Pro Eye 搭載 Tobii 眼動追蹤模塊，支持 DFR。
PlayStation VR2 也采用眼動追蹤 + 注視點渲染。
Vision Pro 則將其推向極致，幾乎所有系統級渲染優化都依賴這一技術。
五、為什么 Vision Pro 離不開注視點渲染？
1. 硬件瓶頸
Vision Pro 使用的是 Micro-OLED 雙眼 4K 顯示：
單眼分辨率超過 2300 x 3000 像素，總像素接近 2300 萬；
如果以 90Hz 刷新率全分辨率渲染，每秒需要處理近 20 億像素。
即便是 M2 + R1 芯片的組合，在功耗與發熱限制下也難以應對。
注視點渲染的意義在于：
將絕大部分像素計算“省掉”；
在保持視覺真實感的同時，讓 GPU 負載降低到可承受范圍。
2. 用戶體驗要求
Vision Pro 主打“無縫沉浸”的空間計算：
需要在近眼距離顯示文本、UI，要求極高的清晰度；
用戶隨時可能快速轉動視線，渲染必須毫無延遲跟隨；
如果沒有 DFR，全屏高分辨率渲染不僅會掉幀，還會增加暈動癥風險。
3. 系統級整合
蘋果在 Vision Pro 中的做法是：
通過 高精度眼動追蹤 捕捉注視點，延遲低至 12ms 以下；
利用 Metal 渲染框架和硬件加速實現分區渲染；
與 R1 芯片的傳感器融合處理配合，保證渲染區切換時無跳變感。
可以說，沒有注視點渲染，Vision Pro 無法在“高分辨率 + 高刷新率 + 可穿戴功耗”之間找到平衡點。
六、技術挑戰與未來趨勢
1. 技術挑戰
眼動追蹤精度：需要亞度量級的精度，否則注視點定位不準會導致畫面模糊。
延遲問題：從眼動檢測到渲染更新必須小于 20ms，否則用戶能感知到畫質滯后。
過渡區優化：如何讓高低分辨率區域之間無明顯分界，是算法的難點。
應用適配：游戲、視頻、桌面應用需要針對性優化。
2. 未來趨勢
硬件原生支持：GPU 廠商（如 NVIDIA、AMD、Apple）將更多支持可變著色率（VRS）。
AI 輔助：利用深度學習推測注視點區域，提高渲染分區的自然度。
云渲染 + Foveated Streaming：在云端進行分區渲染，再傳輸到終端，節省帶寬。
全鏈路優化：未來 XR 操作系統會在渲染、傳輸、編碼等環節全程采用注視點感知機制。
七、結語
注視點渲染（Foveated Rendering）不是一個“錦上添花”的小優化，而是 XR 設備走向高分辨率與高沉浸的必經之路。尤其對于 Vision Pro 這樣強調“空間計算”的設備，它更像是一種 決定生死的核心技術。
從視覺科學到 GPU 渲染管線，再到蘋果在 Vision Pro 的系統級集成，我們可以看到：未來 XR 的體驗突破，已經不單純依賴算力堆疊，而是依靠“人類視覺模型 + 計算機圖形學”的深度融合。
可以預見，隨著眼動追蹤精度提升、算法優化與硬件加速的完善，注視點渲染將在未來 5~10 年成為 XR 領域的標準配置。到那時，我們或許會忘記它的存在，但它將一直在幕后默默支撐著我們眼中的“真實世界”。
