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[原创]优画质低功耗，空域GPU超分技术引领图像渲染新体验
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发表于: 2024-7-10 13:51
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随着大数据时代的发展，虚拟现实、增强现实等需要实时图像处理和计算的应用，对GPU加速引擎服务提出了新的挑战和机遇。
HarmonyOS SDK GPU加速引擎服务（XEngine Kit）提供的空域GPU超分能力，基于单帧输入图像，使用空间邻域信息实现超采样。当GPU性能不足以支持渲染高分辨率场景时，为了提高用户体验，可以使用空域GPU超分能力，将较低分辨率图像通过超分重建为高分辨率图像。相较于直接渲染高分辨率图像，使用超分能力能够降低GPU渲染负载，降低功耗。
功能演示
下面是空域GPU超分（GLES）功能演示，如果开发者对实现方式感兴趣，可以下载GLES Demo或Vulkan Demo体验，基于具体的应用场景优化。
空域GPU超分开发步骤
一、API介绍
1.OpenGL ES API
HMS_XEG_SpatialUpscaleParameter用于输入超分的参数，根据头文件提供的枚举可知，一共需要输入两个参数：
•XEG_SPATIAL_UPSCALE_SCISSOR 用于设置超分的采样区域，值为格式为长度为4的int型数组的地址。
•XEG_SPATIAL_UPSCALE_SHARPNESS用于设置锐化度，值为float类型数的地址。
HMS_XEG_RenderSpatialUpscale用于执行超分渲染，输入为待超分的纹理id。
伪代码为：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | float m_sharpness = 0.3;int upscaleScissor[4] = {0, 0, 720, 540};HMS_XEG_SpatialUpscaleParameter(XEG_SPATIAL_UPSCALE_SHARPNESS, &m_sharpness);HMS_XEG_SpatialUpscaleParameter(XEG_SPATIAL_UPSCALE_SCISSOR, upscaleScissor);...glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, framebufferID);glViewport(0, 0, 1080, 720);glScissor(0, 0, 1080, 720);HMS_XEG_RenderSpatialUpscale(textureID); |
当输入枚举XEG_SPATIAL_UPSCALE_SCISSOR为{0，0，textureWidth，textureHeight}，调整sharpness值所对应的图像如下：
Sharpness=0：
Sharpness = 0.3：
将sharpness继续调高，sharpness = 1：
当输入枚举XEG_SPATIAL_UPSCALE_SCISSOR为{ textureWidth/4，textureHeight /4, textureWidth/2，textureHeight/2}时，即：输入纹理从四分之一的宽高处开始，宽高长度为纹理的一半。超分效果如图：
原始图与超分1.5倍后图片对比如下：
2.Vulkan API
HMS_XEG_CreateSpatialUpscale用于创建一个超分实例，构造参数是一个struct，具体参数说明如下：
在创建时指定图像尺寸好处在于当一个实例创建完成后，后续使用过程中只需要传递超分的输入和输出图片即可。由于超分需要使用的Vulkan资源在此接口创建完成，在超分过程中仅进行绘制，开销很小。缺点是由于实例创建后输入输出的尺寸、锐化值等被固定，当有参数变化时，都需要重新创建实例，所以使用此接口时，最好先明确超分的尺寸，避免运行时进行超分实例的创建、销毁。
XEG_SpatialUpscaleDescription用于执行超分，和一般Vulkan命令一样，此接口仅用于Vulkan的录制，录制完成后需要submit接口输入的commandbuffer。
1 | VKAPI_ATTR void VKAPI_CALL HMS_XEG_CmdRenderSpatialUpscale (VkCommandBuffer commandBuffer, XEG_SpatialUpscale xegSpatialUpscale, XEG_SpatialUpscaleDescription *pXegSpatialUpscaleDescription) |
此接口的入参包括一个vkcommandbuffe、创建完成的超分实例xegSpatialUpscale，超分的输入输出结构体。XEG_SpatialUpscaleDescription包括两个vkiamgeview，分别是超分输入纹理和输出纹理的vkimageview。
HMS_XEG_DestroySpatialUpscale：用于销毁超分实例xegSpatialUpscale。
1)在Vulkan初始化时创建xegSpatialUpscale。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 | XEG_SpatialUpscale xegSpatialUpscale;VkRect2D srcRect2D;srcRect2D.offset.x = 0;srcRect2D.offset.y = 0;srcRect2D.extent.width = 960;srcRect2D.extent.height = 540VkRect2D dstRect2D;dstRect2D.offset.x = 0;dstRect2D.offset.y = 0;dstRect2D.extent.width = 1440;dstRect2D.extent.height = 810;XEG_SpatialUpscaleCreateInfo createInfo;createInfo.format = VK_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM;createInfo.sharpness = 0.2f;createInfo.outputSize = dstRect2D.extent;createInfo.inputRegion = srcRect2D;createInfo.inputSize = srcRect2D.extent;createInfo.outputRegion = dstRect2D;HMS_XEG_CreateSpatialUpscale(device, &createInfo, &xegSpatialUpscale); |
2)执行超分命令，超分命令录制需要在renderpass外进行。
正常的vk命令录制，首先begincommandbuffer。
1 2 3 4 5 | vkBeginCommandBuffer(cmdbuffer, &cmdBufInfo))(beginerenderpassinfo省略)Begine一个renderpass：vkCmdBeginRenderPass(cmdbuffer, &renderPassBeginInfo, VK_SUBPASS_CONTENTS_INLINE);(renderpass内录制命令，如vkCmdSetScissor、vkCmdBindPipeline等等) |
结束一个renderpass。
1 | vkCmdEndRenderPass(cmdbuffer); |
一个renderpass结束后，可以进行超分。
1 2 3 4 | XEG_SpatialUpscaleDescription xegDescription{0};xegDescription.inputImage = inputTextureImageView;xegDescription.outputImage = outputTextureImageView;HMS_XEG_CmdRenderSpatialUpscale(cmdbuffer, xegSpatialUpscale, &xegDescription); |
超分完成后，进行下一个renderpass命令的录制，直到全部的命令录制完成。
1 2 | vkCmdBeginRenderPass(cmdbuffer, &renderPassBeginInfo, VK_SUBPASS_CONTENTS_INLINE);VK_CHECK_RESULT(vkEndCommandBuffer(cmdbuffer)); |
3)当进程准备销毁时，需要销毁超分实例。
1 | HMS_XEG_DestroySpatialUpscale(xegSpatialUpscale); |
超分效果图：
当inputRegion是输入纹理的全部区域，outputRegin是输出纹理的全部区域，sharpness = 0：
提高锐化度Sharpness = 0.3：
继续提高锐化度sharnpness =1.1 此时已经出现锐化过度的现象：
当修改inputregion为输入纹理的中间区域，如{ inputTextureWidth/4, inputTextureHeight/4，inputTextureWidth/2, inputTextureHeight/2 }, 即：输入纹理从四分之一的宽高处开始，宽高长度为纹理的一半。超分结果效果如图：
继续调整输出区域outputRegion，如：{outputTextureWidth/3, outputTextureHeight/3, outputTextureWidth/2, outputTextureHeight/2}，即从宽高的三分之一开启，宽高长度为纹理宽高的一半，效果如图：
上述例子通过修改inputRegion和outputRegion可以控制超分区域和采样区域。
原始图与超分1.5倍后图片对比如下：
注：本文演示图片部分素材来源于Frank Meinl制作的Crytek Sponza，Crytek已根据CC BY 3.0获得授权许可。
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