研究背景

近年来，随着信息技术的不断发展，人们从PC互联网时代走到了移动互联网时代，时至今日，MR眼镜已经成为了一个备受关注的热门领域。然而，MR眼镜的发展却受到了移动设备的芯片算力和电池续航的双重制约，目前市场上的一些MR眼镜还存在很多问题，例如体积重量大，续航短，显示效果差，交互体验差等。为了解决这些问题，本文提出了一种基于实时云渲染的混合现实操作系统，旨在减轻MR眼镜的计算压力和续航压力，改善用户体验。

先行研究

• 操作系统领域：

1. Rcore OS是一个基于Rust编程语言开发的轻量级操作系统，它是由清华大学操作系统课程的实验项目发展而来。Rcore OS采用微内核设计，将内核的功能模块化，使得每个模块都可以独立运行和维护，从而提高系统的可靠性和安全性。另外，Rust编程语言被广泛认为是一种安全、并发和高性能的编程语言，Rcore OS充分利用了Rust语言的优势，构建了高效、安全、可靠的操作系统。总而言之，RCore OS旨在为学生和研究人员提供一个高效、安全、可扩展的操作系统，以帮助他们更好地了解和研究操作系统的内部工作原理，并学习操作系统的设计和实现技术。
2. MINIX是由荷兰计算机科学教授Andrew S. Tanenbaum开发的微内核操作系统，旨在为教学和研究提供便利。其内核设计简单，由多个相互独立的进程组成，并通过消息传递进行通信。为了使内核更小、更简单、更稳定，MINIX将许多操作系统功能移出内核，作为用户进程运行。在开发过程中，MINIX注重代码的可读性和可理解性，因此其源代码非常适合教学和研究。MINIX的设计使得它成为学习操作系统原理和内核设计的理想平台，同时也为研究者提供了研究微内核操作系统的良好基础。

• 图形渲染领域：

1. filament是由Google团队开发和维护的开源实时渲染引擎。它提供了基于物理的渲染、实时阴影、后期处理等高级渲染功能，并具有较高的性能和易用性。filament支持多个平台，可用于游戏、XR、工业、可视化等领域。目前，filament在GitHub上获得了15.4k个star，显示了该引擎在开源社区中的受欢迎程度。filament是一款功能强大、性能卓越、易于使用的实时渲染引擎，适用于各种应用场景，为用户提供了更好的渲染体验。
2. wgpu是一个新兴的开源图形渲染引擎，由Mozilla和Google共同发起，并由W3C社区维护。该引擎具有现代化的API设计和跨平台支持的特点，可以为新兴的硬件和API提供支持。在webgpu的标准化工作中，wgpu发挥了重要作用，被认为是webgpu生态系统中的一个重要组成部分。wgpu是一个功能强大的图形渲染引擎，具有重要的作用和地位，为图形渲染领域的发展和进步做出了重要的贡献。

• 实时通信领域：

1. RTC是一种实时通信协议，可以用于实现视频会议、音频聊天、屏幕共享等实时通信场景。RTC协议的特点是低延迟、高带宽、实时性强，因此非常适合实时通信。RTC协议的应用范围广泛，可以满足实时通信场景的要求，是实现实时通信功能的重要工具和基础。
2. VNC是一种远程桌面协议，可将远程计算机的屏幕输出传输到本地计算机，实现远程控制的功能。VNC协议的特点是支持多平台、低带宽、可靠性高，适合于远程控制场景。VNC协议是一种广泛应用的远程控制工具，可以帮助用户在远程操作计算机时提高效率和便利性，是实现远程控制的重要协议之一。

• 软件生态领域：

1. OpenXR是为AR/VR平台提供统一API接口的标准，由Khronos Group主导开发。它定义了一套跨平台、可扩展、灵活的API接口，可用于处理AR/VR设备的输入、输出、渲染等任务，使得开发者可以更轻松地开发和发布跨平台的AR/VR应用程序。

问题意识

混合现实技术是一种将虚拟世界与现实世界相结合的技术，MR眼镜是这种技术典型的一种实现方案。目前市场上的MR眼镜，如meta公司的quest系列、Magic Leap公司的产品和微软公司的hololens系列，都采用了一体机的设计，电池和图形处理单元都集成在眼镜内部，这导致了眼镜体积过大、性能较弱和佩戴体验不佳的问题。因此，本文提出了一种基于实时云渲染的混合现实操作系统，将消耗大量计算资源的图形处理单元部分放在云端，而眼镜本身只需要保留最基本的硬件模块，如中央处理单元、光学传感器和显示器等。同时，电池也可以采用分体式的设计附加在使用者的腰间，从而显著减轻眼镜的体积和重量，并提高图形渲染的性能。

研究内容

本文的研究内容包括四个部分，可运行在MR眼镜上的轻量级操作系统、实时云端图形渲染服务、MR眼镜和云端服务器的实时数据通信以及应用程序生态建设。

• 操作系统部分

操作系统部分基于先行研究的操作系统领域前辈们的研究成果，并拓展以下功能。

1. 传感器融合：将各种传感器集成到MR眼镜中，包括加速度计、陀螺仪、摄像头等，以便操作系统能够根据环境信息进行响应。
2. 视频流处理：接收云端推送的视频流，解析并显示到图形输出设备上。
3. 系统界面：设计一个基于摄像头的系统界面，该界面叠加了现实环境和虚拟内容，这是用户进入沉浸式互联网的关键。
4. 手势交互：预留出基于手势的人机交互API，通过第三方开发者的手势交互输入法，用户可以与操作系统发生交互。

• 云端服务部分

云端渲染部分基于先行研究的图形渲染领域前辈们的研究成果，并拓展以下功能。

1. 集群和负载均衡：为了提供更低的网络时延和更高的并发访问量，本文需要设计一套适用于实时云渲染的集群和负载均衡方案，保证服务的高可用性和可扩展性。

• 实时通信部分

实时通信部分基于先行研究的实时通信领域前辈们的研究成果，并拓展以下功能。

1. 数据传输和网络优化：研究并开发一种高效的数据传输协议和网络优化方案，提升操作系统和云端服务之间数据传输的实时性和稳定性。

• 软件生态部分

软件生态部分基于先行研究的软件生态领域的开放协议，并为以下开发工具作出适配。

1. Cocos CreatorXR：基于Cocos Creator 3D游戏引擎打造的一款开源的XR内容创作工具，底层通过支持 OpenXR标准协议来抹平不同XR设备之间的差异，可以一站式对创作内容进行开发并发布到不同的 XR 设备。

研究目的

降低MR眼镜的体积重量，提升MR眼镜的图形渲染质量，加速沉浸式互联网的到来。

研究方法

V字模型是一种软件开发流程模型，它强调在软件开发过程中测试与开发的相互协作，确保软件开发的每个阶段都有相应的测试活动与之对应。一个典型的V字模型包括以下流程。

• 要件定义

从用户的角度收集并明确混合现实操作系统的需求，包括功能性和非功能性需求。该阶段对应的文档有：

1. 用户需求文档：记录用户需求并确认需求的完整性和正确性。
2. 系统需求文档：把用户需求转换为系统需求，记录系统的基本要求和功能。

• 基本设计

将系统需求转换为软件设计，并确定混合现实操作系统的总体架构与模块划分，并包括系统流程图，系统时序图，数据库实体关系图等。该阶段对应的文档：

1. 概要设计文档：记录了混合现实操作系统的基本设计方案，包括系统的层次结构和模块之间的交互过程。

• 详细设计

将概要设计文档中的每个模块进行详细设计，包括数据结构和算法、接口协议、具体实现逻辑等，并根据实体关系图设计实体关系模型。该阶段对应的文档是：

1. 详细设计文档：使用伪代码把模块内的具体功能，输入输出，处理过程等描述出来。

• 代码生产

将详细设计文档中的伪代码转化为可执行代码，包括程序代码的编写和调试，数据库表的创建和录入等。

• 单体测试

对混合现实操作系统的单个模块进行测试，确保符合详细设计文档的要求，包括覆盖率测试、边界测试、异常测试等。该阶段对应的文档是：

1. 单体测试报告：记录单体测试结果，包括测试用例、测试结果、问题汇总等。

• 结合测试

对混合现实操作系统各个模块组合后的功能进行测试，以及模块间的接口和通信是否正常，数据传递的是否正确等，确保符合概要设计文档的要求，包括集成测试、回归测试、接口测试等。该阶段对应的文档是：

1. 结合测试报告：记录结合测试结果，包括测试用例、测试结果、问题汇总等。

• 系统测试

对混合现实操作系统的整个系统进行测试，确保符合用户需求文档和系统需求文档的要求，包括功能测试、性能测试、可靠性测试、安全性测试等。该阶段对应的文档是：

1. 系统测试报告：记录了系统测试的结果，包括测试用例、测试结果、问题汇总等。
2. 用户手册：记录了混合现实操作系统的功能和使用方法。

预期成果

• 制作出可以运行在较低配置MR眼镜硬件上的轻量化混合现实操作系统。
• MR眼镜通过接收实时云渲染服务，可以显示出较高质量的图形效果。

参考文献

• "Design and Implementation of Cloud-Based AR Operating System for Lightweight Smart Glasses" (基于云服务的轻量级智能眼镜AR操作系统的设计与实现) 该文提出了一种基于云服务的AR操作系统架构，可以在保证AR眼镜轻量化的同时提供强大的计算能力和交互体验。
• "Rust Programming Language" (Rust编程语言) Rust是一种系统级编程语言，具有内存安全、高效和并发性等特点，非常适合用于AR操作系统的开发。
• "The Metaverse Roadmap: Pathways to the 3D Web" (元宇宙路线图: 通往3D Web的路径) 该文提出了元宇宙的概念，并探讨了元宇宙与AR技术的结合，为我们研究元宇宙与AR眼镜的结合提供了启示。