NanoVG 优化笔记:性能提高5倍的秘密

原创
2019/08/06 10:56
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NanoVG 优化笔记

nanovg正如其名称所示的那样,是一个非常小巧的矢量绘图函数库。相比cairo和skia的数十万行代码,nanovg不足5000行的C语言代码,称为nano也是名副其实了。nanovg的设计、接口和代码质量都堪称典范,唯一美中不足的就是性能不太理想。特别是在Android的低端机型和大屏幕的机型上,一个简单的界面每秒只能画十几帧。最近我把AWTK移植到Android上时,就碰到了这个尴尬的问题。

经过优化之后,AWTK在低端机型上,整体渲染性能有了3到5倍的提升。这里做个笔记,供有需要的朋友参考。

nanovg的性能瓶颈在于片段着色器(fragment shader),片段着色器可以认为是为GPU提供的一个回调函数,该回调函数在处理每个像素时被调用,在每一帧绘制时都会执行数百万次,可见该函数的对性能的影响是很大的。

我们先看看nanovg的片段着色器(fragment shader)代码:

	static const char* fillFragShader =
		"#ifdef GL_ES\n"
		"#if defined(GL_FRAGMENT_PRECISION_HIGH) || defined(NANOVG_GL3)\n"
		" precision highp float;\n"
		"#else\n"
		" precision mediump float;\n"
		"#endif\n"
		"#endif\n"
		"#ifdef NANOVG_GL3\n"
		"#ifdef USE_UNIFORMBUFFER\n"
		"	layout(std140) uniform frag {\n"
		"		mat3 scissorMat;\n"
		"		mat3 paintMat;\n"
		"		vec4 innerCol;\n"
		"		vec4 outerCol;\n"
		"		vec2 scissorExt;\n"
		"		vec2 scissorScale;\n"
		"		vec2 extent;\n"
		"		float radius;\n"
		"		float feather;\n"
		"		float strokeMult;\n"
		"		float strokeThr;\n"
		"		int texType;\n"
		"		int type;\n"
		"	};\n"
		"#else\n" // NANOVG_GL3 && !USE_UNIFORMBUFFER
		"	uniform vec4 frag[UNIFORMARRAY_SIZE];\n"
		"#endif\n"
		"	uniform sampler2D tex;\n"
		"	in vec2 ftcoord;\n"
		"	in vec2 fpos;\n"
		"	out vec4 outColor;\n"
		"#else\n" // !NANOVG_GL3
		"	uniform vec4 frag[UNIFORMARRAY_SIZE];\n"
		"	uniform sampler2D tex;\n"
		"	varying vec2 ftcoord;\n"
		"	varying vec2 fpos;\n"
		"#endif\n"
		"#ifndef USE_UNIFORMBUFFER\n"
		"	#define scissorMat mat3(frag[0].xyz, frag[1].xyz, frag[2].xyz)\n"
		"	#define paintMat mat3(frag[3].xyz, frag[4].xyz, frag[5].xyz)\n"
		"	#define innerCol frag[6]\n"
		"	#define outerCol frag[7]\n"
		"	#define scissorExt frag[8].xy\n"
		"	#define scissorScale frag[8].zw\n"
		"	#define extent frag[9].xy\n"
		"	#define radius frag[9].z\n"
		"	#define feather frag[9].w\n"
		"	#define strokeMult frag[10].x\n"
		"	#define strokeThr frag[10].y\n"
		"	#define texType int(frag[10].z)\n"
		"	#define type int(frag[10].w)\n"
		"#endif\n"
		"\n"
		"float sdroundrect(vec2 pt, vec2 ext, float rad) {\n"
		"	vec2 ext2 = ext - vec2(rad,rad);\n"
		"	vec2 d = abs(pt) - ext2;\n"
		"	return min(max(d.x,d.y),0.0) + length(max(d,0.0)) - rad;\n"
		"}\n"
		"\n"
		"// Scissoring\n"
		"float scissorMask(vec2 p) {\n"
		"	vec2 sc = (abs((scissorMat * vec3(p,1.0)).xy) - scissorExt);\n"
		"	sc = vec2(0.5,0.5) - sc * scissorScale;\n"
		"	return clamp(sc.x,0.0,1.0) * clamp(sc.y,0.0,1.0);\n"
		"}\n"
		"#ifdef EDGE_AA\n"
		"// Stroke - from [0..1] to clipped pyramid, where the slope is 1px.\n"
		"float strokeMask() {\n"
		"	return min(1.0, (1.0-abs(ftcoord.x*2.0-1.0))*strokeMult) * min(1.0, ftcoord.y);\n"
		"}\n"
		"#endif\n"
		"\n"
		"void main(void) {\n"
		"   vec4 result;\n"
		"	float scissor = scissorMask(fpos);\n"
		"#ifdef EDGE_AA\n"
		"	float strokeAlpha = strokeMask();\n"
		"	if (strokeAlpha < strokeThr) discard;\n"
		"#else\n"
		"	float strokeAlpha = 1.0;\n"
		"#endif\n"
		"	if (type == 0) {			// Gradient\n"
		"		// Calculate gradient color using box gradient\n"
		"		vec2 pt = (paintMat * vec3(fpos,1.0)).xy;\n"
		"		float d = clamp((sdroundrect(pt, extent, radius) + feather*0.5) / feather, 0.0, 1.0);\n"
		"		vec4 color = mix(innerCol,outerCol,d);\n"
		"		// Combine alpha\n"
		"		color *= strokeAlpha * scissor;\n"
		"		result = color;\n"
		"	} else if (type == 1) {		// Image\n"
		"		// Calculate color fron texture\n"
		"		vec2 pt = (paintMat * vec3(fpos,1.0)).xy / extent;\n"
		"#ifdef NANOVG_GL3\n"
		"		vec4 color = texture(tex, pt);\n"
		"#else\n"
		"		vec4 color = texture2D(tex, pt);\n"
		"#endif\n"
		"		if (texType == 1) color = vec4(color.xyz*color.w,color.w);"
		"		if (texType == 2) color = vec4(color.x);"
		"		// Apply color tint and alpha.\n"
		"		color *= innerCol;\n"
		"		// Combine alpha\n"
		"		color *= strokeAlpha * scissor;\n"
		"		result = color;\n"
		"	} else if (type == 2) {		// Stencil fill\n"
		"		result = vec4(1,1,1,1);\n"
		"	} else if (type == 3) {		// Textured tris\n"
		"#ifdef NANOVG_GL3\n"
		"		vec4 color = texture(tex, ftcoord);\n"
		"#else\n"
		"		vec4 color = texture2D(tex, ftcoord);\n"
		"#endif\n"
		"		if (texType == 1) color = vec4(color.xyz*color.w,color.w);"
		"		if (texType == 2) color = vec4(color.x);"
		"		color *= scissor;\n"
		"		result = color * innerCol;\n"
		"	}\n"
		"#ifdef NANOVG_GL3\n"
		"	outColor = result;\n"
		"#else\n"
		"	gl_FragColor = result;\n"
		"#endif\n"
		"}\n";

它的功能很完整也很复杂,裁剪和反走样都做了处理。仔细分析之后,我发现了几个性能问题:

一、颜色填充的问题

简单颜色填充和渐变颜色填充使用了相同的代码:

		"	if (type == 0) {			// Gradient\n"
		"		// Calculate gradient color using box gradient\n"
		"		vec2 pt = (paintMat * vec3(fpos,1.0)).xy;\n"
		"		float d = clamp((sdroundrect(pt, extent, radius) + feather*0.5) / feather, 0.0, 1.0);\n"
		"		vec4 color = mix(innerCol,outerCol,d);\n"
		"		// Combine alpha\n"
		"		color *= strokeAlpha * scissor;\n"
		"		result = color;\n"

问题

简单颜色填充只需一条指令,而渐变颜色填充则需要数十条指令。这两种情况重用一段代码,会让简单颜色填充慢10倍以上。

方案

把颜色填充分成以下几种情况,分别进行优化:

  • 矩形简单颜色填充。

对于无需裁剪的矩形(这是最常见的情况),直接赋值即可,性能提高20倍以上。

      " if (type == 5) {    //fast fill color\n"
      "   result = innerCol;\n"
  • 通用多边形简单颜色填充。

去掉渐变的采样函数,性能会提高一倍以上:

    " } else if(type == 7) {      // fill color\n"
      "   strokeAlpha = strokeMask();\n"
      "   if (strokeAlpha < strokeThr) discard;\n"
      "   float scissor = scissorMask(fpos);\n"
      "   vec4 color = innerCol;\n"
      "   color *= strokeAlpha * scissor;\n"
      "   result = color;\n"

  • 渐变颜色填充(只占极小的部分)。

这种情况非常少见,还是使用之前的代码。

效果:

平均情况,填充性能提高10倍以上!

二、字体的问题

对于文字而言,需要显示的像素和不显示的像素,平均算下来在1:1左右。

		"	} else if (type == 3) {		// Textured tris\n"
		"#ifdef NANOVG_GL3\n"
		"		vec4 color = texture(tex, ftcoord);\n"
		"#else\n"
		"		vec4 color = texture2D(tex, ftcoord);\n"
		"#endif\n"
		"		if (texType == 1) color = vec4(color.xyz*color.w,color.w);"
		"		if (texType == 2) color = vec4(color.x);"
		"		color *= scissor;\n"
		"		result = color * innerCol;\n"
		"	}\n"

问题:

如果显示的像素和不显示的像素都走完整的流程,会浪费调一半的时间。

方案:

  • 当color.x < 0.02时直接跳过。
  • 裁剪和反走样放到判断语句之后。
      " } else if (type == 3) {   // Textured tris\n"
      "#ifdef NANOVG_GL3\n"
      "   vec4 color = texture(tex, ftcoord);\n"
      "#else\n"
      "   vec4 color = texture2D(tex, ftcoord);\n"
      "#endif\n"
      "   if(color.x < 0.02) discard;\n"
      "   strokeAlpha = strokeMask();\n"
      "   if (strokeAlpha < strokeThr) discard;\n"
      "   float scissor = scissorMask(fpos);\n"
      "   color = vec4(color.x);"
      "   color *= scissor;\n"
      "   result = color * innerCol;\n"
      " }\n"

效果:

字体渲染性能提高一倍!

三、反走样的问题

反走样的实现函数如下(其实我也不懂):

		"float strokeMask() {\n"
		"	return min(1.0, (1.0-abs(ftcoord.x*2.0-1.0))*strokeMult) * min(1.0, ftcoord.y);\n"
		"}\n"

问题:

与简单的赋值操作相比,加上反走样功能,性能会下降5-10倍。但是不加反走样功能,绘制多边形时边缘效果比较差。不加不好看,加了又太慢,看起来是个两难的选择。

方案:

矩形填充是可以不用反走样功能的。而90%以上的情况都是矩形填充。矩形填充单独处理,一条指令搞定,性能提高20倍以上:

      " if (type == 5) {    //fast fill color\n"
      "   result = innerCol;\n"

效果:

配合裁剪和矩形的优化,性能提高10倍以上。

四、裁剪的问题

裁剪放到Shader中虽然合理,但是性能就要大大折扣了。

		"// Scissoring\n"
		"float scissorMask(vec2 p) {\n"
		"	vec2 sc = (abs((scissorMat * vec3(p,1.0)).xy) - scissorExt);\n"
		"	sc = vec2(0.5,0.5) - sc * scissorScale;\n"
		"	return clamp(sc.x,0.0,1.0) * clamp(sc.y,0.0,1.0);\n"
		"}\n"

问题:

与简单的赋值操作相比,加上裁剪功能,性能会下降10以上倍。但是不加裁剪功能,像滚动视图这样的控件就没法实现,这看起来也是个两难的选择。

方案:

而90%以上的填充都是在裁剪区域的内部的,没有必要每个像素都去判断,放在Shader之外进行判断即可。

static int glnvg__pathInScissor(const NVGpath* path, NVGscissor* scissor) {
  int32_t i = 0;
  float cx = scissor->xform[4];
  float cy = scissor->xform[5];
  float hw = scissor->extent[0];
  float hh = scissor->extent[1];

  float l = cx - hw;
  float t = cy - hh;
  float r = l + 2 * hw - 1;
  float b = t + 2 * hh - 1;

  const NVGvertex* verts = path->fill;
  for (i = 0; i < path->nfill; i++) {
    const NVGvertex* iter = verts + i;
    int x = iter->x;
    int y = iter->y;
    if (x < l || x > r || y < t || y > b) {
      return 0;
    }
  }

  return 1;
}

效果:

配合裁剪和矩形的优化,性能提高10倍以上。

五、综合

综合裁剪、反走样和矩形,新增3个类型,进行特殊处理:

  • 快速填充无需裁剪的矩形:NSVG_SHADER_FAST_FILLCOLOR
  • 快速填充无需裁剪的图片:NSVG_SHADER_FAST_FILLIMG
  • 快速用简单颜色填充多边形:NSVG_SHADER_FILLCOLOR

裁剪、反走样和矩形可以组合更多类型,进行更精细的优化。但即使只作这三种情况处理,AWTK在Android平台的整体性能已经有了3-5倍的提高,demoui在我们测试的机型上,都稳稳的保持在60FPS,没有必要为了性能增加它的复杂度了。

详细情况和完整代码请参考AWTK

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大哥威武
2019/10/28 18:45
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