HDC2021技术分论坛:酷炫3D效果在瘦设备上也能实现? 原创 精华

发布于 2021-12-21 10:30
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作者:zhuhuanhuan,图形技术专家

 

随着3D技术的应用普及,越来越多的场景都能看到3D的身影,比如充电动效、3D壁纸、游戏等等,给用户带来了更有趣、更丰富的体验。要满足用户的3D体验需求,离不开3D渲染引擎。本期,我们就和大家聊一聊HarmonyOS的3D渲染引擎。

 

一、产生背景


现有的商业3D引擎,在游戏、工业设计、影视等领域发挥了至关重要的作用。为了兼顾跨平台的一致性、降低开发者的使用门槛,这些引擎往往会对不同的硬件平台做抽象,提供一站式的统一开发框架,让开发者在开发应用时无需关注硬件平台的差异性。这虽然给开发者带来了便利,但在一些轻量级3D场景下却存在应用架构庞大的问题,并且会消耗过多的内存和功耗。

 

以3D壁纸为例,如果使用现在流行的商业渲染引擎来实现,其内存占用和功耗都很大。下面的图1展示了一款典型的2D静态壁纸与其3D版本之间的资源消耗对比。可以看出,内存和功耗都大大增加了,这会大幅降低设备的待机时间。

 

HDC2021技术分论坛:酷炫3D效果在瘦设备上也能实现?-开源基础软件社区图1 静态壁纸与动态壁纸的资源消耗对比

 

为了解决当前主流渲染引擎资源占用过高的问题,服务“1+8+N”众多设备的轻3D需求,华为自主研发了全新的轻量级HarmonyOS 3D渲染引擎

 

二、HarmonyOS 3D渲染引擎介绍


HarmonyOS 3D渲染引擎采用了业界最先进的ECS(Entity-Component-System,实体-组件-系统)渲染引擎架构。 ECS架构的数据和方法分离,按照组合的方式将组件及其行为拼装成对象,对cache命中更加友好,并且更加易于实现多线程并行。

 

那么基于ECS架构的HarmonyOS 3D渲染引擎到底是怎样的?下面我们从典型特征、特性列表、性能表现三个方面,带大家了解HarmonyOS 3D渲染引擎。

 

1. 典型特征


HarmonyOS 3D渲染引擎具有以下典型特征:

 

  • 数据驱动

为了最大限度减轻迭代开发的工作量,采用了数据驱动的设计思想,使得大量配置和修改都无需重新编译代码。例如render node graph、shader pipeline、renderpass layout、vertex data declaration和post-processing等内容都可以通过json等文本文件指定,开发者可以通过修改这些配置文件实现改变渲染流程、增加后处理效果、修改模型形状等操作。

 

  • 插件机制

在保持引擎核心代码尽可能少的同时,提供了极为方便的架构级插件扩展支持。比如,在低端设备上,可以只提供引擎的核心部件,这样编译出来的二进制文件规模非常小。而在高端设备上,可以根据需要添加扩展功能插件,例如碰撞功能、粒子效果等。这样,既可以降低应用的资源消耗,也可以让开发者轻松构建自定义渲染管线。

 

  • 高度并行

自动支持渲染并行化。GPU资源可以按照lock-free的方式访问,开发者无需使用锁,也不用担心资源访问的多线程竞争问题。

 

  • 软硬结合

HarmonyOS与HISI芯片的软硬件联合优化,以及华为在GPU Turbo技术的长期沉淀,为3D应用能效比的提升作出了重要贡献。

 

  • 现代图形API

图形API充分借鉴了Vulkan API的设计思想,能够有效利用Vulkan的大量创新特性,例如multi-queue、indirect rendering、stateless rendering、descriptor sets等。


2. 特性列表


相比当前业界常用的渲染引擎,HarmonyOS 3D渲染引擎已经支持所有核心功能和常用特性,可以满足绝大部分3D应用的开发需求。下面我们就来看看HarmonyOS 3D渲染引擎支持哪些特性吧:

 

HDC2021技术分论坛:酷炫3D效果在瘦设备上也能实现?-开源基础软件社区图2 支持的特性列表

 

说明:图2中的“插件系统”是可以根据需要进行扩展的特性,其他特性则是系统默认支持的特性。

 

如图2所示,HarmonyOS 3D渲染引擎除了支持Java/C++ API以外,还将在2022年支持HarmonyOS的JS开发框架和声明式UI。后处理方面,目前支持FXAA抗锯齿技术,后续还将支持基于时域的TAA(Temporal Anti-Aliasing)抗锯齿技术,以达到更好的显示效果。

 

3. 性能表现


HarmonyOS 3D渲染引擎主打轻量级,其性能表现尤为重要。

 

我们从开源项目获取了一些标准模型,这些模型经常用于图形领域的各种demo测试。基于麒麟990平台评估这些模型在多个引擎中的性能表现,测试结果如下图所示:

 

HDC2021技术分论坛:酷炫3D效果在瘦设备上也能实现?-开源基础软件社区图3 性能测试结果

 

开源项目:https://github.com/KhronosGroup/glTF-Sample-Models

 

从以上测试结果可以看出,HarmonyOS 3D渲染引擎在内存和功耗上表现都非常出色。

 

三、应用示例


HarmonyOS 3D渲染引擎当前主要面向普通的应用开发者,典型应用场景是在以2D为主的应用中嵌入少量的3D元素。

 

目前3D渲染引擎已经内置到HarmonyOS中了,下面我们来看看HarmonyOS 3D渲染引擎的几个典型应用示例:

 

UX 3D动效:

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Qmoji(相机趣味变装):

HDC2021技术分论坛:酷炫3D效果在瘦设备上也能实现?-开源基础软件社区

 

3D壁纸:

HDC2021技术分论坛:酷炫3D效果在瘦设备上也能实现?-开源基础软件社区

 

四、未来展望


虽然HarmonyOS 3D渲染引擎当前主要面向轻量级的3D应用场景,但其同样支持复杂3D场景的开发,例如3D游戏、车控界面等。为了协作开发者更好地完成3D场景开发,HarmonyOS将在2022年推出3D场景配套的开发工具,敬请期待!

 

未来,HarmonyOS 3D渲染引擎以及配套的3D开发工具链将随着HarmonyOS持续演进,不断拓宽应用场景,持续推动3D应用在各种智能设备上的广泛落地,打造更加绚丽的数字世界!

 

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已于2021-12-21 10:58:12修改
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