酷炫 3D 效果在瘦设备上也能实现？｜HDC2021 技术分论坛

2021 年 12 月 21 日
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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。

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：

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。