一個(gè)專門為MAR緩存設(shè)計(jì)的基于空間鄰近和關(guān)聯(lián)的預(yù)取策略

（中國(guó)AI網(wǎng) 2025年06月16日）移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（MAR）應(yīng)用由于其高計(jì)算需求和對(duì)低延遲響應(yīng)的需求而面臨性能挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的方法，如設(shè)備存儲(chǔ)或從云端獲取反應(yīng)性數(shù)據(jù)，通常會(huì)導(dǎo)致有限的AR體驗(yàn)或不可接受的延遲。

邊緣緩存將AR對(duì)象緩存到更靠近用戶的地方，提供了一個(gè)很有前途的解決方案。然而，現(xiàn)有的邊緣緩存方法沒(méi)有考慮AR特定的特性，如AR對(duì)象大小、用戶交互和物理位置。

在一項(xiàng)研究中，明尼蘇達(dá)大學(xué)團(tuán)隊(duì)探索了如何利用AR感知預(yù)取技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化邊緣緩存。他們提出了SPAARC，一個(gè)專門為MAR緩存設(shè)計(jì)的基于空間鄰近和關(guān)聯(lián)的預(yù)取策略。

根據(jù)虛擬對(duì)象與其他類似對(duì)象的關(guān)聯(lián)以及用戶與它們的接近程度，SPAARC智能地優(yōu)先緩存虛擬對(duì)象。它同時(shí)考慮了關(guān)聯(lián)的近因性，并使用延遲抓取策略來(lái)有效地管理邊緣資源并最大化體驗(yàn)質(zhì)量。

移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（MAR）是一項(xiàng)變革性技術(shù)，從游戲和教育到醫(yī)療保健和制造業(yè)，其應(yīng)用范圍涵蓋多個(gè)領(lǐng)域。然而，它對(duì)數(shù)據(jù)密集型計(jì)算的依賴和對(duì)低延遲的需求帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。

圖1展示了一個(gè)典型的MAR管道，包括MAR終端用戶設(shè)備和MAR任務(wù)（計(jì)算密集型任務(wù)及其相關(guān)資源）。相關(guān)任務(wù)可以根據(jù)資源可用性分布在用戶設(shè)備、邊緣和/或云端。流程的關(guān)鍵階段包括：

目標(biāo)檢測(cè)和特征提?。鹤R(shí)別camera幀中的潛在目標(biāo)物體并提取其獨(dú)特特征；

目標(biāo)識(shí)別和姿態(tài)估計(jì)：將提取的特征與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配，以識(shí)別目標(biāo)并估計(jì)其真實(shí)姿態(tài)，可能會(huì)輔以模板匹配；

目標(biāo)追蹤：跨幀連續(xù)監(jiān)控識(shí)別的目標(biāo)，優(yōu)化性能；

圖像渲染和虛擬內(nèi)容疊加：檢索并將相應(yīng)的虛擬內(nèi)容疊加到現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)象，實(shí)現(xiàn)AR的核心功能。

有效的數(shù)據(jù)管理，特別是虛擬對(duì)象內(nèi)容的存儲(chǔ)，對(duì)于管道的最佳性能至關(guān)重要。在MAR中管理虛擬對(duì)象數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方法，如設(shè)備端存儲(chǔ)或云端卸載，都面臨著局限性。越來(lái)越復(fù)雜和交互式的虛擬對(duì)象需要大量的存儲(chǔ)，使得設(shè)備端存儲(chǔ)對(duì)于輕量級(jí)移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)不切實(shí)際。

另一方面，從云端按需獲取會(huì)受到高延遲的困擾，阻礙了流暢的實(shí)時(shí)AR體驗(yàn)。邊緣計(jì)算為MAR應(yīng)用提供了一個(gè)有吸引力的替代方案。在更靠近用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣處理數(shù)據(jù)可以減少延遲，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互和更身臨其境的體驗(yàn)。

另外，邊緣計(jì)算通過(guò)減少向云的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)降低帶寬需求，從而提高效率并節(jié)省成本。將處理工作卸載到邊緣同時(shí)可以提高可靠性，使MAR應(yīng)用程序即使在間歇性網(wǎng)絡(luò)連接的情況下都能正常運(yùn)行。最后，邊緣基礎(chǔ)設(shè)施在本地存儲(chǔ)虛擬對(duì)象的能力進(jìn)一步提高了應(yīng)用程序的性能和響應(yīng)能力。

邊緣緩存是對(duì)延遲敏感的應(yīng)用程序的關(guān)鍵技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)沉浸式AR體驗(yàn)，需要在MAR處理管道的各個(gè)階段進(jìn)行緩存。現(xiàn)有的方法，如CARS[、Precog和SEAR，側(cè)重于在邊緣緩存圖像識(shí)別結(jié)果，而其他方法則主張直接在用戶設(shè)備端緩存虛擬對(duì)象。

預(yù)取AR數(shù)據(jù)以進(jìn)一步提高緩存命中率是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。當(dāng)前的預(yù)取技術(shù)主要針對(duì)基于位置的服務(wù)（LBS）和視頻內(nèi)容。在LBS中，預(yù)取通常涉及在設(shè)備或邊緣服務(wù)器[的用戶位置附近緩存對(duì)象。對(duì)于視頻內(nèi)容，預(yù)取利用用戶的興趣在附近的邊緣服務(wù)器緩存視頻片段，并通常與塊緩存等技術(shù)結(jié)合使用。

邊緣緩存資源雖然比移動(dòng)設(shè)備存儲(chǔ)更豐富，但依然是有限的和異構(gòu)的。所以，確保正確的虛擬對(duì)象集隨時(shí)可用于邊緣增強(qiáng)是具有挑戰(zhàn)性的。

在研究中，明尼蘇達(dá)大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析用戶-對(duì)象交互模式和AR特定屬性來(lái)研究?jī)?yōu)化AR應(yīng)用中的邊緣預(yù)取。

考慮到AR交互的上下文依賴特性，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為有效的預(yù)取策略應(yīng)該優(yōu)先考慮可能進(jìn)入用戶視場(chǎng)的對(duì)象。他們假設(shè)可以利用用戶訪問(wèn)行為的可預(yù)測(cè)模式來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的交互并在邊緣預(yù)取相關(guān)的虛擬對(duì)象，從而提高渲染性能并增強(qiáng)整體AR體驗(yàn)。

基于所述見解，他們提出了一個(gè)稱為SPAARC的AR邊緣緩存預(yù)取框架，利用了AR對(duì)象預(yù)取的兩個(gè)關(guān)鍵屬性：對(duì)象關(guān)聯(lián)（用戶一起訪問(wèn)多個(gè)對(duì)象的可能性），以及空間鄰近性（對(duì)象與用戶視場(chǎng)的距離）。

所述方法使用關(guān)聯(lián)挖掘來(lái)確定對(duì)象關(guān)聯(lián)，并使用距離閾值來(lái)識(shí)別空間接近度。它進(jìn)一步結(jié)合了關(guān)聯(lián)近時(shí)性和延遲預(yù)取等因素，以確保有效利用邊緣資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬。團(tuán)隊(duì)同時(shí)提出了一種自適應(yīng)調(diào)優(yōu)算法來(lái)自動(dòng)調(diào)整算法的參數(shù)。

他們注意到，SPAARC設(shè)計(jì)為對(duì)底層緩存策略的補(bǔ)充，它的預(yù)取可以在任何緩存算法之上使用，以進(jìn)一步提高緩存性能。

相關(guān)論文：SPAARC: Spatial Proximity and Association based prefetching for Augmented Reality in edge Cache

團(tuán)隊(duì)主要研究了預(yù)取在移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（MAR）應(yīng)用中通過(guò)減少延遲來(lái)改善用戶體驗(yàn)的潛力。為了解決AR的計(jì)算和數(shù)據(jù)密集型特性，他們提出了SPAARC。這種邊緣AR緩存的預(yù)取策略利用對(duì)象關(guān)聯(lián)和位置信息主動(dòng)從云中獲取虛擬對(duì)象。SPAARC包含可調(diào)參數(shù)，包括最小支持度和最小置信度，可以調(diào)整以滿足特定的應(yīng)用需求。

通過(guò)使用合成工作負(fù)載和實(shí)際工作負(fù)載進(jìn)行廣泛的評(píng)估，研究人員證明了與標(biāo)準(zhǔn)緩存算法相比，SPAARC顯著提高了緩存命中率，實(shí)現(xiàn)了3%到40%的增益，同時(shí)減少了從云端按需檢索數(shù)據(jù)的需求。

另外，他們進(jìn)一步提出了一種自適應(yīng)調(diào)優(yōu)算法，以自動(dòng)調(diào)優(yōu)SPAARC參數(shù)并獲得最佳性能。研究結(jié)果表明，通過(guò)確保虛擬對(duì)象的及時(shí)可用性，SPAARC可以大大增強(qiáng)MAR應(yīng)用程序中的用戶體驗(yàn)。未來(lái)的研究可以探索參數(shù)調(diào)優(yōu)過(guò)程的進(jìn)一步改進(jìn)，并研究減少通信開銷的方法。