RenderScript使用指南

作者: 捡之 | 来源:发表于2017-01-08 16:07 被阅读0次

一、入口

https://developer.android.google.cn -> API指南 -> 库 -> 功能 ->
v8 支持库 -> RenderScript 开发者指南
本文章是对上面内容的翻译

二、RenderScript介绍

RenderScript是一个框架，这个框架是为了可以在性能好的android机器上执行密集计算的任务。RenderScript是以并行的数据计算为设计原则，尽管对串行的工作也有益。RenderScript在机器的可用处理器上并行运行，例如多核的cpu和GPU。这个允许你更多的关注算法而不是更多的关注安排工作的执行顺序。
RenderScript特别擅长执行图像处理，计算摄影以及计算机视觉。

使用RenderScript之前，要明白下面几个理念：

使用c99-derived language来完成性能更好的运算代码。下面的章节Writing a RenderSctipt Kernel描述了怎么使用它来写一个运算内核。
控制API用于组织RenderScript资源和控制内核执行器的生命周期。运行在三种不同的语言下：Java,android NDK中的C++和c99派生出的内核语言。下面的章节分别描述了第一种在Java中使用RenderScript（Using RenderScript from Java Code）和第三种单一来源的RenderScript(Single-Source renderScript)。

三、Writing a RenderScript Kernel

渲染脚本的内核通常会在<project_root>/src/文件加下的.rs文件中，每个.rs被称为一个脚本。每个脚本包含它自己的一组内核，函数，和变量。一个脚本包含：

pragma声明（#pragme version(1)）:脚本中使用渲染脚本内核使用的语言版本，而且只能是1
pragma声明（#pragma rs java_package_name(com.example.app)）：定义从这个脚本中映射出对应Java类的包名。要切记，.rs文件必须是应用包里的代码的一部分，而不是位于依赖库工程中。
0或更多个执行函数：执行函数是单线程的渲染脚本函数，可以在Java代码中通过任意参数调用这个函数。执行函数通常用于在较大的进程管线内的初始化安装和串行计算。
0或更多个脚本全局：每个脚本全局等同于c中的一个全局变量。可以在Java中访问脚本全局，脚本全局经常作为参数传给渲染脚本内核。
0或更多个计算内核：计算内核是单个函数或函数集合，计算内核可以穿过数据集合在渲染脚本运行时并行执行，有两种计算内核：映射内核（也被成为foreach 内核）和减少内核。
 映射内核是一个并行的函数，它运行于相同维度的Allocation的集合中。默认的，这些维度中的每一个坐标上的元素执行这个函数一次。它通常（不一定）用于将输入Allocation的集合转换为输出Allocation的集合。
- 下面是一个简单映射内核的例子：
 uchar4 RS_KERNEL invert(uchar4 in, uint32_t x, uint32_t y) {
 uchar4 out = in;
 out.r = 255 - in.r;
 out.g = 255 - in.g;
 out.b = 255 - in.b;
 return out;
 }
 在很多层面，这与标准的c函数相同。在函数原型中使用的RS_KERNEL指明这个函数是一个渲染脚本映射内核而不是一个可执行函数。基于启动内核时的输入Allocation，in参数被自动填充，x和y参数会在下面讨论。内核的返回值会被写入到输出Allocation的对应位置。内核运行在整个的输入Allocation上，在Allocation的每一个元素上执行这个内核函数一次。
 映射内核可能有一个或更多的输入Allocation，单个或两个输出Allocation。渲染脚本运行的时候会检查并确保所有的输入Allocation和输出Allocation有相同的维度，而且每个元素的类型也要与内核的原型(uchar4 in)匹配；如果不匹配，会抛出异常。注意：在Android6.0（API level 23）之前，映射内核只具有不高于一个的输入Allocation。
 如果你需要更多的输入 Allocation 和输出 Allocation ，这些对象要和名字为rs_allocation的脚本全局绑定，并且在内核或者可执行函数中，只能通过rsGetElementAt_type()或者rsSetElementAt_type()来访问。注意：**为了方便，RS_KERNEL是渲染脚本自动产生的宏定义。
 #define RS_KERNEL attribute((kernel))
减少内核是一组函数，它运行在相同维度的输入Allocation上。默认的，累加器函数会在Allocation中的每一个坐标的元素上执行一次。这个内核一般用来减少输入Allocation的集合将之变成一个。
- 下面是一个简单地减少内核的例子，功能是将输入的元素加起来。
 #pragma rs reduce(addint) accumulator(addintAccum)
```
static void addintAccum(int *accum, int val) {
 *accum += val;
} 
```

减少内核包含一个或更多用户写的函数。#pragma rs reduce通过指定它的名字（例如，addint），组成内核的函数的名字和角色（例如，一个accumulator函数addintAccum）来定义内核。函数必须是静态的。减少内核需要累加器函数；它或许还有别的函数，取决于你想让他干什么。
 减少内核的累加器函数必须返回void，必须具有最少两个参数。第一个参数（例如 accum）是累加数据项的指针，第二个参数（例如 val）会基于内核启动时传进来的输入Allocation参数自动填充。累加数据项是在渲染脚本运行时产生的；默认值为0。默认的，这个内核运行于整个输入Allocation上，分配内存中的每个元素执行累加器函数一次。默认的，累加数据项的最终的值被视为减少内核的结果，返回到Java中。渲染脚本运行时会检查并确保输入Allocation中的元素和累加器函数的原型匹配，如果不匹配，渲染脚本会抛出异常。
 减少内核拥有一个以上的输入Allocation，但是没有输出Allocation。
想了解减少内核更多信息，查看下面的部分Reduction Kernels in Depth。
减少内核的支持版本是Android7.0或以上。

映射内核的函数或者减少内核的累加器函数会获取当前执行到哪个坐标（Allocaiton的坐标），通过传入int/uint32_t类型的参数x,y,和z，这些参数是可选的。
 映射内核的函数或者减少内核的累加器函数也可以采用可选的rs_kernel_context类型的上下文作为参数。一些运行时API需要这个参数来查询当前执行器的属性--例如，rsGetDimX。（上下文参数在Android6.0（API level 23）或以上才可用）。

可选的init()函数。init()函数是一种特殊的可执行函数，渲染脚本会在脚本第一次初始化的时候调用它。这样可以在脚本创建的时候自动进行一些运算。
0或更多个静态脚本全局和静态函数。静态的脚本全局和普通的脚本全局一样，但是它不能从java中访问。静态的函数是一个标准的c函数，它可以被脚本中的任何内核和可执行函数调用，但是不暴露给Java的API。如果脚本全局或者函数不需要再java代码中调用，强烈建议将其声明为静态的。

设置浮点指针的精度

在脚本中你可以控制浮点类型的精度，如果不需要使用IEEE 754-2008标准（default），这点就很有用了。下面的pragma可以被设置为不同的浮点指针精度。

#pragma rs_fp_full(不指定时的默认值)：对于需要浮点精度的应用程序，如IEEE 754-2008标准所述
#pragma rs_fp_relaxed:对于不需要严格的IEEE 754-2008标准的应用程序，可以使用更低的精度,这种模式可以使用刷新到零或者四舍五入到零。
#pragma rs_fp_imprecise:对于不需要严格精度的应用。这种模式使得rs_fp_relaxed模式下的所有东西遵循下面的规则：
- 结果是-0.0的可以用+0.0代替
- INF（无穷大）和NAN（无效数字）没有被定义

许多应用使用 rs_fp-relaxed 也不会有什么副作用。对于仅需要放松进度就可以优化的架构非常有用（就像SIMD CPU instructions）

四、获取RenderScript APIs

开发android应用时，你可以有两种方法获取到RenderScript API：
1、当你开发的app最低版本是Android3.0（API level 11）时，你可以直接使用android.renderscript
2、在support library里面，有android.support.v8.renderscript，最低支持到Android2.3（API level 9）。

下面是你要考虑的点：

如果你使用Support Library APIs，无论你想使用是RenderScript的什么功能，都会兼容到android2.3版本。这样可以允许你的应用运行在更多的设备上。
部分RenderScript特性将会无效
如果你使用 Support Library APIs，与使用 native APIs 相比，你的apk可能会更大

使用RenderScript Support Library APIS

你必须配置你的开发环境才可以获取到支持库。下面这些是必须的：

Android SDK Tools version >= 22.2
Android SDK Build-tools version >= 18.1.0

你可以通过Android SDK Manager来检查和更新这些工具的版本
 如何使用支持库

确认上面工具的版本满足

更新android构建指引的设置

打开你的应用的module的build.gradle

将下面的RenderScript的设置添加进去

   android {
       compileSdkVersion 23
       buildToolsVersion "23.0.3"
   
       defaultConfig {
           minSdkVersion 9
           targetSdkVersion 19
   
           renderscriptTargetApi 18
           renderscriptSupportModeEnabled true
   
       }
   }

上面的设置控制了构建过程的下列行为
- renderscriptTargetApi-会产生指定的字节码版本。在保证功能的前提下，我们建议将这个值设置为需要支持库（需要将renderscriptSupportModeEnabled 设置为 true）的最低版本。这个设置的有效值是大于Android3.0（API level 11）的整型值，小于最新发布的API的正式版。如果app中manifest指定的最低sdk版本与这个值不同（我认为意思是小于这个值），build.gradle中设置的值会被忽略，并且被设置为manifest中的最低sdk版本。
- renderscriptSupportModeEnabled-如果应用所运行的设备不支持目标版本，回馈到兼容版本产生特定的字节码。
- buildToolsVersion-构建工具的版本。这个版本需要>=18.1.0。如果这个选项没有指定，会使用安装的构建工具的最高版本。你应该指定这个选项来确保在不同的开发机器上能有一致的配置。

如果你的app要使用RenderScript，导入下面的类：
import android.support.v8.renderscript.*;

五、在Java中使用（Using RenderScript from Java Code

在Java使用RenderScript需要依赖android.renderscript或者android.support.v8.renderscript包里面的API。下面是基本的使用模式：

Initialize a RenderScript context：这个RenderScript对象通过RenderScript.create(Context)方法创建，确保RenderScript对象可以被使用而且会提供一个对象来控制后续的RenderScript的对象的生命周期。你应该将context的创建视为一个潜在的长时间运行的操作，因为他会在不同的硬件上创建资源；如果可能的话，初始化操作不应该在app的关键路径（我猜是不是说要延迟初始化）。通常，一个应用在一个阶段只会有一个RenderScript Context实例。
Create at least one Allocation to be passed to a script：Allocation是RenderScript用到的对象，它用来给定量的数据提供存储空间。脚本中的内核将Allocation对象作为它的输出和输入。可以内核中通过rsGetElementAt_type()和rsSetElementAt_type()来访问这个对象。Allocation允许将数组从Java代码传递到RenderScript代码，反之亦然。Allocation对象通常使用createTyped()或者createFromBitmap()方法来创建。
Create whatever scripts are necessary：当使用RenderScript的时候，有两种类型的脚本：
- ScriptC：这是一个用户定义的脚本，在上面Writing a RenderScript Kernel有描述过如何写一个脚本。为了在Java代码中方便的获取这个脚本，每个脚本都有一个通过RenderScript编译器映射出来的Java类；这个类的名字是ScriptC_filename。例如，如果上面的内核位于invert。rs和RenderScript context**也已经在mRenderScript中创建，初始化脚本的代码是：
  Script_invert invert = new Script_invert(mRenderScript)
- ScriptIntrinsic：这个脚本创建于RenderScript内核，为了一般的操作，就像Gaussian blur（高斯模糊），convolution(卷积)和 image blending（图像混合）。想了解更多的信息，看一下ScriptIntrinsic的子类。
Populate Allocations with data：除了通过createFromBitmap()方法创建的对象，Allocation被创建时也可以通过空数据来填充。通过Allocation的copy方法来填充，这个copy方法是同步的。
Set any necessary script globals：在Script_filename类中，你可以使用set_globalname方法来设置。你的脚本中有一个脚本全局名字是threshold，可以通过set_threshold(int)方法来设置；通过set_lookup(Allocation)方法设置一个 as_allocation 类型的脚本全局变量lookup。这些set方法是异步的**。
Launch the appropriate kernels and invokable functions ：
通过ScriptC_filename类中的方法forEach_mappingKernelName()或reduce_reductionKernelName()来启动给定内核。这个启动时异步的。根据内核中设定的参数，这个方法采用一个或更多的Allocation，所有的Allocation都必须设定相同的维度。默认的，内核在这些维度的每个坐标上执行；想在这些坐标的子集上运行内核，需要传递合适的参数Script.LaunchOptions作为forEach和reduce方法的最后一个参数。使用ScriptC_filename类中方法invoke_functionName**来启动时，这些启动是异步的。
Retrieve data from Allocation objects and javaFuturetype objects。为了在Java代码中从Allocation获得数据，你要使用Allocation中的'copy'方法将数据copy到java中。想要从减少内核中获取结果，必须使用javaFutureType.get()方法。上面说的'copy'和get()方法是同步的。
Tear down the RenderScript context。你可以通过下面的方法销毁RenderScript context，destroy()或者允许RenderScript context对象进行垃圾收集。之后，你使用任何属于这个context的对象都会抛出异常。

异步执行模式 Asynchronous execution model

方法forEach,invoke,reduce,and set都是异步的，每个方法都有可能在完成目标操作之前返回（返回是不是在说结束）。但是，单个操作是串行的，依照他们启动的顺序。
 Allocation类提供'copy'方法copy数据给Alloction对象，或者从Allocation对象中copy出数据。'copy'方法是同步的，是串行的（相对于上述的异步操作方法操作相同Allocation）。
 映射的javaFutureType类提供一个get()方法从reduction中获取结果，get()方法是同步的，是串行的（相对于异步的reduction）。

六、单一来源的渲染脚本（Single-Source RenderScript）

Android 7.0 (API 24) 介绍了一种新的编程特性-Single-Source RenderScript,新的特性中，在script定义的时候，kernels从script中产生而不是从Java中产生。现在这种方式局限于映射内核中，在这个部分中简称为"kernels"。这种新的特征也支持在script中创建rs_allocation类型的Allocation。现在可以在单独的脚本中实现整个算法，即使需要启动多个kernels。优点是双重的：1.更多的可读代码，因为他用一种语言来实现算法；2.潜在的，存在实现更快的代码的可能，因为在多个kernels启动时，Java和RenderScript之间的转换变少了。
 在Single-Source RenderScript中，你写一个Writing a RenderScript Kernel部分中描述的kernels。写一个叫做 rsForEach() 可执行的功能来启动kernels。这个方法采用一个内核函数作为其第一个参数，接下来是输入Allocation和输出Allocation。里一个相似的方法 reForEachWithOptions() 采用一个额外的参数 rs_script_call_it，这个参数指定一个输入Allocation和输出Allocation的元素子集作为内核函数执行的空间。
 按照 Using RenderScript from Java Code 部分中的步骤，可以调用Java中特定执行函数来开启RenderScript 运算。在 launch the appropriate kernels 这一步中，调用一个可执行函数 invoke_function_name()** 来开启整个运算，包括启动kernels。
 从一个内核启动到另一个内核启动，经常需要使用 Allocation 保存和及时传递结果。你可以通过 rsCreateAllocation() 来创建他们。这个API的一种方便使用的方式是reCreateAllocation_<T><W>(...),T是元素的数据类型，W是这个元素的矢量宽度。这个函数采用X,Y和Z这三个维度作为参数，对于1D和2D的allocation,Y或Z维度的尺寸会被忽略。例如，reCreateAllocation_uchar4(16384)创建了一个含有16384个一维元素的分配空间，每一个元素都是uchar4类型的。
 分配的空间由系统自动管理，你不必特地的去释放他们。但是，你可以调用 rsClearObject(rs_allocation* alloc) 来表明你不再需要这块内存，这样系统能尽快的将这块资源释放掉。
 Writing a RenderScript Kernel部分有一个转换图片简单例子。下面使用 Single-Source RenderScript 拓展这个例子，对这个图片做更多的操作，它包含另外一个内核，greyscale,用来将一个彩色的图片转换为黑白的。process()方法将两个内核连续的应用于输入的图片（输入的图片Allocation），产生一个输出图片。输入 Allocation 和输出 Allocation 作为 rs_allocation 的参数传入。

// File:singleSource.rs

#pragma version(1)
#pragma rs java_package_name(com.android.rssample)

static const float4 weight = {0.299f, 0.587f, 0.114f, 0.0f};

uchar4 RS_KERNEL invert(uchar4 in, uint32_t x, uint32_t y) {
  uchar4 out = in;
  out.r = 255 - in.r;
  out.g = 255 - in.g;
  out.b = 255 - in.b;
  return out;
}

uchar4 RS_KERNEL greyscale(uchar4 in) {
  const float4 inF = rsUnpackColor8888(in);
  const float4 outF = (float4){ dot(inF, weight) };
  return rsPackColorTo8888(outF);
}

void process(rs_allocation inputImage, rs_allocation outputImage) {
  const uint32_t imageWidth = rsAllocationGetDimX(inputImage);
  const uint32_t imageHeight = rsAllocationGetDimY(inputImage);
  rs_allocation tmp = rsCreateAllocation_uchar4(imageWidth, imageHeight);
  rsForEach(invert, inputImage, tmp);
  rsForEach(greyscale, tmp, outputImage);
}

你可以像下面一样在Java中调用process()函数：

// File SingleSource.java

RenderScript RS = RenderScript.create(context);
ScriptC_singlesource script = new ScriptC_singlesource(RS);
Allocation inputAllocation = Allocation.createFromBitmapResource(
    RS, getResources(), R.drawable.image);
Allocation outputAllocation = Allocation.createTyped(
    RS, inputAllocation.getType(),
    Allocation.USAGE_SCRIPT | Allocation.USAGE_IO_OUTPUT);
script.invoke_process(inputAllocation, outputAllocation);

这个例子展示了完全通过RenderScript语言来实现一个涉及到两个内核的算法。没有 Single-Source RenderScript ，你必须在Java中启动两个内核，分别启动两个内核会使整个算法变得难以理解。Single-Source RenderScript 特性不单使代码更容易看懂，它还消除了内核启动期间 Java 和 script 之间的过渡。一些迭代算法会启动内核上百次，使得这种转换的开销相当的大。

七、Reduction Kernels in Depth

...

将会在下面的章节中讲述一个使用 RenderScript 进行高斯模糊的例子，敬请期待

RenderScript使用指南

一、入口

二、RenderScript介绍

三、Writing a RenderScript Kernel

设置浮点指针的精度

四、获取RenderScript APIs

使用RenderScript Support Library APIS

五、在Java中使用（Using RenderScript from Java Code

异步执行模式 Asynchronous execution model

六、单一来源的渲染脚本（Single-Source RenderScript）

七、Reduction Kernels in Depth

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