[文章]HDC2021技术分论坛：酷炫3D效果在瘦设备上也能实现？
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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。
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：
图3 性能测试结果
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：
Qmoji（相机趣味变装）：
3D壁纸：
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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