三重壓縮技術(shù)應(yīng)對(duì)PowerVR圖片方案

作者：Robin Britton

由于屏幕分辨率的提高以及越來越復(fù)雜的渲染管道，使得游戲和其他應(yīng)用對(duì)于帶寬的要求也越來越高，大量的數(shù)據(jù)需要從內(nèi)存拷貝或者寫入。現(xiàn)在用戶普遍認(rèn)為在無其他特殊情況下設(shè)備應(yīng)該能夠支持2K的屏幕分辨率，高端游戲則具有更大的幾何復(fù)雜性，真正在屏幕上顯示圖像之前渲染管道通常要涉及多個(gè)中間渲染目標(biāo)。即使一些休閑類游戲也可能具有一些全屏后的處理效果，需要幀緩存數(shù)據(jù)從片外存儲(chǔ)器中讀取和寫入。內(nèi)存訪問是非常消耗功率的，占用帶寬越大功耗則越高，這對(duì)于功率預(yù)算緊張的嵌入式系統(tǒng)尤其是個(gè)棘手的問題。

PowerVR GPU采用 PVR3C三重壓縮技術(shù)來解決這個(gè)問題，這三重壓縮解決方案包括紋理壓縮（涉及PVRTC和ASTC）、幾何壓縮（PVRGC）和本文的主題圖像壓縮（PVRIC）。

PowerVR圖片壓縮（PVRIC）

如上文所說，在現(xiàn)代實(shí)時(shí)圖形應(yīng)用中內(nèi)存帶寬的最大壓力之一就是生成高質(zhì)量圖像所需的大量中間渲染對(duì)象。一個(gè)明顯的例子就是創(chuàng)建立方體環(huán)境貼圖（ cube maps），通常用于反射效果。這包括從一個(gè)不動(dòng)點(diǎn)向六個(gè)方向渲染一個(gè)場景，最后結(jié)果會(huì)形成一個(gè)立方體的貼圖紋理，然后對(duì)場景中的對(duì)象進(jìn)行類似反射的采樣。其他示例包括分辨率縮放、渲染小地圖或其他場景視點(diǎn)、渲染平面反射貼圖，更不用說無盡的屏幕空間和后期處理效果了，比如可分離模糊處理、 SSAO、 景深效果以及色調(diào)映射等。

一個(gè)立方體貼圖的六個(gè)面可用于汽車上的近似反射，在汽車的窗戶上可以看到天空的倒影。

PVRIC通過高效、無損的壓縮方案大大降低了內(nèi)存帶寬成本，這種壓縮方案通常會(huì)使得圖像大小減少50%（依賴于很多元素）。前文提到的目標(biāo)渲染在寫入GPU之前就進(jìn)行了壓縮，然后從內(nèi)存中讀取時(shí)會(huì)被解壓，因?yàn)檫@種壓縮是無損的，所以可以從解壓數(shù)據(jù)中重構(gòu)得到完美的原始圖像，這也意味著圖像的質(zhì)量不會(huì)降低。

上圖展示了與GPU的所有交互，但更有利的是這有可能會(huì)將PVRIC技術(shù)集成到SoC級(jí)別的顯示管道中，使得最終的渲染圖像在寫入內(nèi)存之前會(huì)進(jìn)行壓縮，然后在顯示控制器中進(jìn)行解壓，這將更有效地節(jié)省總體帶寬。

在許多移動(dòng)游戲和App中，紋理資源通常都會(huì)采用眾所周知的格式進(jìn)行壓縮，比如 ETC、PVRTC等，但是開發(fā)者會(huì)選擇保留一部分未經(jīng)壓縮的紋理資源，比如字體或UI紋理，這些紋理在縮放時(shí)需要保持清晰和不失真。PVRIC方案的另一個(gè)好處是它允許將相同的無損壓縮應(yīng)用到任何未經(jīng)壓縮的紋理上，然后上傳給GPU（如果紋理使用的是多種被支持的格式之一），根據(jù)不同的應(yīng)用，這可能會(huì)帶來更大幅度的帶寬減少。

應(yīng)用帶寬分析

我們?cè)赟ynaptics BG5CT板卡（集成 PowerVR Series8XE GE8310 GPU，它采用了最新一代的PVRIC技術(shù)——PVRICv3）上運(yùn)行API trace測(cè)試了多款流行的應(yīng)用，我們看到了這種壓縮方案所帶來的性能提升，尤其是帶寬消耗的顯著降低。

下面的表格展示了不同應(yīng)用的測(cè)試結(jié)果，需要注意的是，在這款器件上PVRIC并沒有集成到SoC的顯示管道中，如果集成了那么我們將會(huì)看到最后的幀緩存圖像會(huì)有更好的壓縮效果，正如前文所述。因?yàn)槲覀兪褂玫氖前沧科脚_(tái)，幀緩存壓縮會(huì)應(yīng)用到最終的渲染操作，Android SurfaceFlinger會(huì)將這些壓縮幀寫入內(nèi)存，讀取到GPU中。如果是這樣，那么SoC顯示管道也將受益于SurfaceFlinger的最終合成結(jié)果，。

那么這些結(jié)果到底意味著什么？這些數(shù)字可能有點(diǎn)兒誤導(dǎo)人。我們可以清楚的看到所有應(yīng)用占用的總帶寬都有所減少，但有些應(yīng)用比其他應(yīng)用帶寬的降低程度要大得多，正如上文所提到的PVRIC技術(shù)涵蓋了紋理的渲染和解壓縮，但這只是總帶寬的一部分，幾何圖形、著色器等等也會(huì)占用一定的帶寬，但是它們并不會(huì)受PVRIC操作的影響，所以對(duì)于整體帶寬的占用情況我們能做的只是降低，雖然系統(tǒng)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)保持在較高的水平，但是我們想隔離受PVRIC影響的相關(guān)帶寬參數(shù)，借助我們的內(nèi)部分析工具可以讓我們更精確的完成這些操作（雖然我們不能消除一切——比如紋理壓縮）。

在這里，我們隔離的只是GPU在執(zhí)行渲染操作時(shí)占用的帶寬，而忽略了貼圖操作所需要的幾何處理。為了簡化這一過程，測(cè)試平臺(tái)上已經(jīng)禁止了這些任務(wù)的重復(fù)。我們還能夠識(shí)別和忽略其他進(jìn)程的任務(wù)，現(xiàn)在我們需要分析為什么有些app會(huì)那樣運(yùn)行，這需要我們了解app是如何在圖形API層工作的，不妨深入了解一下PVRTrace。

《minecraft》（《我的世界》）

我們使用PVRTrace對(duì)Minecraft這款應(yīng)用進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)總體帶寬節(jié)省率比較低（大約2.42%），但是隔離圖片/紋理帶寬方面顯示帶寬節(jié)省率則更高（大約17.76%）。Minecraft采用的是完全未壓縮的紋理技術(shù)，因此PVRIC的效果比較顯著，盡管這與典型場景中幾何圖形的數(shù)量（大約13萬4千個(gè)三角形）相比非常的少，更不用說很多紋理的尺寸非常的小，PVRIC只是完成了它所能實(shí)現(xiàn)的，但是對(duì)于Minecraft并沒有太多的事情可以做。請(qǐng)記?。和ㄟ^集成到顯示管道中，我們可以看到發(fā)送給顯示控制器的幀緩存更好的優(yōu)化效果。

《憤怒的小鳥 2》

在憤怒的小鳥 2這款應(yīng)用中，幾何圖形（1萬6千個(gè)三角形）和紋理內(nèi)容各自占用的帶寬比例則更協(xié)調(diào)一些，因此我們能夠更加清晰的看到PVRIC所帶來的好處，系統(tǒng)整體帶寬節(jié)省43%，隔離帶寬節(jié)省56%。這款游戲既采用了壓縮的紋理格式也采用了一些未壓縮的紋理格式，因此PVRIC非常起作用。此外，整個(gè)場景在進(jìn)行最終的展示之前會(huì)采用渲染中間件的形式（很多應(yīng)用都使用這種技術(shù)來處理分辨率縮放或后續(xù)處理操作），這兩種因素的結(jié)合對(duì)于PVRIC技術(shù)是很好的展示。

《真實(shí)賽車 3》

真實(shí)賽車3是另一款使用大量幾何圖形（測(cè)試時(shí)顯示16萬個(gè)三角形）的應(yīng)用，而且紋理/曲面也占用了相當(dāng)一部分的帶寬。紋理壓縮技術(shù)（PowerVR的PVRTC技術(shù)）在這款應(yīng)用中被廣泛采用，這非常棒，但是還有很多未壓縮的紋理需要借助PVRIC技術(shù)來處理，此外還涉及一組512 x 512的立方體環(huán)境貼圖和全屏幕紋理渲染。最后的百分比可能不太明顯，但是這很好的展示了PVRIC與PVRTC相結(jié)合所帶來的好處，PVRTC可用于處理大部分的紋理，PVRIC則用于處理其他內(nèi)容。

從這些工作負(fù)載中可以看出，無論圖像數(shù)據(jù)是否占用應(yīng)用程序的大部分帶寬，采用PVRIC技術(shù)后都會(huì)帶來顯著的影響，在很大程度上減少了圖像占用的帶寬。

功耗分析

為了能夠更清楚的了解PVRIC技術(shù)和降低帶寬對(duì)于功耗的影響，我們修改了平臺(tái)，使其支持功耗分析并連接了數(shù)據(jù)采集設(shè)備從而可以收集一些功耗數(shù)據(jù)，下面的圖表就是我們的發(fā)現(xiàn)：

在憤怒的小鳥2同一段5秒的運(yùn)行過程中，我們發(fā)現(xiàn)：使用PVRIC時(shí)內(nèi)存的功耗會(huì)更低一些，采用兩組數(shù)據(jù)之間的差值并進(jìn)行平滑處理，我們發(fā)現(xiàn)內(nèi)存功耗降低了18%。這個(gè)效果非常的顯著，對(duì)于采用電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備比如移動(dòng)手機(jī)可以在充電之前使用更長的時(shí)間，當(dāng)然對(duì)于功耗和電池壽命的影響還有很多其他因素，而且不同設(shè)備之間也會(huì)有所差別。

總結(jié)

總而言之，PVRIC技術(shù)是PVR3C壓縮策略關(guān)鍵的組成部分，對(duì)于使用的帶寬來說其壓縮比可高達(dá)（有時(shí)甚至超過）2:1。這會(huì)對(duì)設(shè)備存儲(chǔ)器的功耗產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，通過對(duì)我們紋理和幾何壓縮方案的測(cè)試，很明顯可以得出PVR3C是全面的帶寬效率方案，能夠從整體上提高系統(tǒng)的效率，從而讓我們能夠?qū)崿F(xiàn)更加全面的低功耗解決方案。