CG Kit探索移动端高性能渲染

浅沫记忆

内容来源：华为开发者大会2021 HMS Core 6 Graphics技术论坛，主题演讲《CG Kit探索移动端高性能渲染》
演讲嘉宾：华为海思麒麟GPU团队工程师
大家好，我来自华为海思麒麟团队的一名GPU研发工程师，今天给大家带来的主题是“CG Kit探索移动端高性能渲染”。

华为图形计算服务（Computer Graphics Kit，简称“CG Kit”）提供最前沿计算机图形学领域的渲染框架、插件SDK与GPU扩展接口，协助开发者挖掘硬件极限性能，大幅降低开发难度，帮助开发者创造出体验更佳的产品。
那么，CG Kit能提供哪些解决方案呢？
一、Vulkan渲染框架实践
Vulkan是最新的图形标准API，相较于OpenGL具备一定的优势，并且OpenGL这个标准已经停止演进，未来图形学基本上以Vulkan向前演进。举个例子，移动端的光线追踪就是在Vulkan中描述，并且在OpenGL中是没有的。但问题在于，Vulkan非常灵活，它相较OpenGL有一定的使用门槛，所以就需要有基于Vulkan高性能的渲染框架，以此提供实践架构和方案，充分发挥出硬件性能。
二、高性能渲染插件
CG Kit提供多线程渲染、拍照超分、体积云、遮挡剔除等一系列渲染能力的插件，以便于三方合作的顺利进行，比如去年的网易《天谕》手游就集成了拍照超分的算法。
三、开发者工具链
CG Kit也提供了完整的开发者工具链，我们可以帮助开发者迅速定位解决渲染功能和性能问题。大家可以想象一下，如果未来工具可以自动识别游戏场景中的一些功能/性能问题并反馈给开发者，这将极大提升我们的开发效率。
四、前沿图形技术探索
一直以来CG Kit团队都在对前沿图形技术进行探索，比如，我们如何把AI的技术应用到图形渲染中，目前我们已在AI超分、自动3D人脸建模，AI协同动画生成等方面有所研究成果。

Vulkan渲染框架实践
Vulkan渲染框架实践，为开发者提供Vulkan渲染解决方案优化、渲染增强插件和渲染技术文档，比如，文档中会介绍一些API使用策略、资源缓存使用优化、Vulkan的兼容性问题等等。
前面提到Vulkan是比较新的API，它的Command Buffer机制可以天然支持多线程渲染。由于Vulkan比较灵活，CG Kit就会针对Vulkan的API做了简化封装，使用起来更便利。
其次， CG Kit也支持基于物理的渲染，PBR可以真实地反映物体表面光照的属性，通过PBR我们渲染出来的物体会更加的真实。
同时，CG Kit提供了资源管理器，可以将所用到的大量管线资源尽可能地进行复用，从而降低开销，提高渲染性能。
最后，CG Kit同样支持提供HDR10的显示能力，配合HDR屏幕的显示优化，最终出图会有更好的动态范围。
静态超分组件
下面介绍一下游戏拍照超分的插件，游戏是具有社交属性的，分享就是社交里非常重要的一个环节。在游戏过程中经常会遇到一些非常值得分享的精彩时刻，比如完成了一个里程碑的任务，获取了一个限量款精美的皮肤，或者已经完成了一个虚拟人物形象定制……在这些时刻，游戏玩家非常迫切地想把这些精彩的瞬间分享给自己的朋友，那就需要用到拍照的功能，但是如何让拍照的效果更好呢？
针对拍照效果，CG Kit提供了两种解决方案。
第一种解决方案就是针对具有独立NPU的高端手机，例如麒麟980、990和麒麟9000芯片对应的手机，这些具有独立高端NPU的手机可以直接调用AI超分接口，这样画面细节得以显著增加，画面风格更加清晰自然，从下面的对比图可以看出，处理后的图片人物面部细节明显有提升。

而针对那些没有独立NPU芯片的手机，我们也提供了一种通用的解决方案，叫作FilterSR，这是基于通用GPU的一种算法，应用这种算法后，没有NPU的手机也可以大幅提升画面效果，并且相较于传统的方法它的锯齿感和画面清晰度也有很大的提升。值得一提的是，《天谕》就集成了我们拍照超分的算法。

体积云组件
CG Kit也提供了移动端高性能的体积云插件，体积云技术可以实时动态地渲染出高度真实云海中全局光照场景，并且支持玩家在云中任意地穿梭，画面可以真实还原云朵的物理特性。比如，玩家在穿梭过程中扑面而来的粒子感，还有真实的光照效果，包括云朵边缘的细节等等，都会有非常好的呈现。从下图可以看出，这个云朵的颜色是随着时间的变化在逐步变化的，就是因为我们对光照做了24小时的适配。

在体积云的形态方面，我们支持真实和卡通两个风格，还支持任意形状的Mash转换成体积云，这样可以满足开发者不同的定制需求。
从性能角度看，在麒麟980这个平台上，我们可以做到4毫秒以内渲染1帧，插件显示上，同时提供了PC端和移动端的插件，一般来说开发者是在移动端上进行编辑调试，并在移动端上以SO的方式集成，而它的包体大小只有400K左右。
体积雾组件
下面介绍一下体积雾组件，在一些特定游戏风格的游戏中，具有高度真实的光和雾的效果会给大家带来非常好的体验，比如去年有一款非常火的游戏，叫《赛博朋克2077》，它里面就有很多雾效。
主机3A大作中，体积雾一般是通过体渲染来实现的，不同于表面渲染只需要渲染物体表面，体渲染要渲染物体内部，渲染工作量可能是表面渲染的几十倍上百倍，体渲染对硬件的性能要求非常高，这也是一直没有在移动端落地的原因。
而CG Kit体积雾的组件对传统的体渲染做了很多优化，我简单介绍两种优化。
第一种优化是针对多光源场景下的优化。多光源的时候，渲染的工作量是成几十倍的增加，针对这个问题我们引入了光源剔除技术，让光照计算只发生在光源所影响的局部范围内，这样就可以大幅地降低渲染的工作量。
第二种优化是，为了提升渲染的效率，我们采用了降低采样率的方式，但是降低采样率以后会存在画面细节不足的问题，为了解决这个问题，我们引入了时域滤波技术，把当前帧和上一帧的结果融合，这样也会得到一个非常不错的结果。数据结构也针对这些优化做了相对性的适配。
经过前面一系列的优化之后，我们可以在移动端进行实时高性能的体积雾渲染，从性能角度来看，在麒麟980平台上，可以做到4毫秒一帧渲染；在集成形式上，可以同时提供PC端和移动端插件，支持PC端对编辑调试，移动端以SO方式集成，移动端插件包体小于500KB。

AI捏脸
最后介绍一下AI捏脸，在游戏场景中如果能够做到虚拟形象千人千面，而且它的虚拟形象能够有游戏玩家一部分的脸部特征，就会提升用户的代入感。AI捏脸以正面自拍照的方式输入，在调用我们的AI接口以后，会生成一组高度还原用户脸部特征的捏脸参数，基于捏脸参数自动生成3D模型，同时我们在追求几何相似的同时，还将真实纹理、模型纹理相融合，使得它的纹理能提现玩家的一些面部特征，还原性更高。我们在集成上提供了非常简单的接口，开发者可以便利地进行适配，也可以大幅地提升他的开发效果。

因为我们是纯端侧运行，在中高端机型AI捏脸时间小于4s，稳定性很高。同时我们的捏脸范围不但支持面部，而且还支持五官、发型、眼镜等；我们还融入了高度还原的真实纹理，有更好的还原度，并提供美观度调整功能，可以控制最终的输出图美观度。在开发效率上，开发者只需要两步就可以调用我们的功能，第一步PC端进行模型自由适配，第二步在移动端以用户的自拍照为输入就可以调用我们的接口，整个过程非常简单便捷。
希望大家可以进行深度的合作，谢谢！
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