HarmonyOS 自适应 VRS：用 Vulkan 降低 GPU 渲染负载

什么是 VRS

你玩 3D 游戏的时候有没有注意到，画面中间你盯着看的地方特别清晰，但边缘部分其实没那么精细？人眼就是这样，对中心区域的细节更敏感，对边缘区域不太在意。

VRS（Variable Rate Shading，可变速率着色）就是利用了这个原理。它允许 GPU 对画面的不同区域使用不同的渲染精度：重要的区域（比如你盯着看的地方）用高精度渲染，不重要的区域（比如边缘、背景）用低精度渲染。

自适应 VRS 更进一步：它会自动分析画面内容，智能决定哪些区域需要高精度渲染，哪些可以降低精度。这样既保证了视觉效果，又降低了 GPU 的负载，提高了帧率。

环境搭建

硬件要求

• 设备类型：请参考 XEngine 开发指南的硬件要求

软件要求

• DevEco Studio 版本：DevEco Studio 6.0.0 Release 及以上
• HarmonyOS SDK 版本：HarmonyOS 6.0.0 Release SDK 及以上

搭建步骤

1. 安装 DevEco Studio：去华为开发者官网下载安装
2. 配置开发环境：确保网络环境正常
3. 设备调试：使用真机进行调试

项目结构

├── entry/src/main	         // 代码区
│  ├── cpp
│  │  ├── types
│  │  │  ├── libnativerender
│  │  │     └── index.d.ts      // native层接口注册文件 
│  │  │── napi_init.cpp          // native api层接口的具体实现函数
│  │  │── CMakeLists.txt         // native层编译配置
│  │  │── 3rdParty               // 三方件
│  │  │── common                 // 通用接口  
│  │  │── file                   // 文件管理
│  │  │── libs                   // 三方动态库
│  │  │── manager                // native&arkts交互
│  │  │── render                 // 渲染
│  │  │── vulkanbase             // vulkan基础能力封装
│  ├── ets	
│  │  ├── entryability 
│  │  │    └── EntryAbility.ts   // 程序入口类
│  │  ├── pages 
│  │  │    └── index.ets         // 主界面展示类
│  ├── resources                 // 资源文件目录
│  │  ├── base
│  │  │  ├── media
│  │  │     └── icon.png         // 图片资源
│  │  ├── rawfile 
│  │  │  ├── Sponza             
│  │  │      └── sponza.obj      // 模型资源

这个项目使用 Vulkan 图形 API，代码主要在 C++ 层。vulkanbase 目录里封装了 Vulkan 的基础能力，render 目录里是渲染相关的代码。

第一步：引入头文件

#include <string>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <xengine/xeg_vulkan_extension.h>
#include <xengine/xeg_vulkan_adaptive_vrs.h>

这些头文件的作用：

• string、vector、algorithm：C++ 标准库，处理字符串、数组、查找等
• xeg_vulkan_extension.h：XEngine 的 Vulkan 扩展接口，用来查询设备支持哪些扩展
• xeg_vulkan_adaptive_vrs.h：自适应 VRS 的核心接口，创建实例、生成着色率纹理等

第二步：配置 CMakeLists.txt

find_library(
    xengine-lib
    xengine
)
find_library(
    EGL-lib
    EGL
)
find_library(
    Vulkan-lib
    vulkan
)

target_link_libraries(nativerender PUBLIC
${EGL-lib} ${Vulkan-lib} ${xengine-lib})

这里链接了三个库：

• xengine：XEngine 的核心库，自适应 VRS 的功能就在这个库里
• EGL：OpenGL ES 的窗口系统接口
• vulkan：Vulkan 图形 API 的库

第三步：查询设备是否支持自适应 VRS

在使用自适应 VRS 之前，必须先检查设备是否支持这个功能。就像你买电器之前要先看看家里有没有对应的插座。

VkPhysicalDevice physicalDevice;
std::vector<std::string> supportedExtensions;
uint32_t pPropertyCount;

先定义几个变量：

• physicalDevice：Vulkan 物理设备，代表你的 GPU
• supportedExtensions：存储支持的扩展名称
• pPropertyCount：扩展的数量

HMS_XEG_EnumerateDeviceExtensionProperties(physicalDevice, &pPropertyCount, nullptr);
if (pPropertyCount > 0) {
    std::vector<XEG_ExtensionProperties> pProperties(pPropertyCount);
    if (HMS_XEG_EnumerateDeviceExtensionProperties(physicalDevice, &pPropertyCount, &pProperties.front()) == VK_SUCCESS) {
        for (auto ext : pProperties) {
            supportedExtensions.push_back(ext.extensionName);
        }
    }
}

调用 HMS_XEG_EnumerateDeviceExtensionProperties 查询设备支持的扩展。这个函数调用两次：

1. 第一次传 nullptr，只获取扩展数量（pPropertyCount）
2. 第二次传入数组，获取所有扩展的详细信息

这是 Vulkan 的标准用法，很多 Vulkan API 都是这种"先问数量，再取数据"的模式。

if (std::find(supportedExtensions.begin(), supportedExtensions.end(), XEG_ADAPTIVE_VRS_EXTENSION_NAME) == supportedExtensions.end()) {
    exit(1); // return error
}

用 std::find 在支持的扩展列表里查找自适应 VRS 的扩展名。如果找不到，说明设备不支持，直接退出程序。

第四步：创建自适应 VRS 实例

XEG_AdaptiveVRS xeg_adaptiveVRS;

先声明一个实例句柄。这个句柄就像一个"遥控器"，后面所有的 VRS 操作都要通过它。

int m_renderWidth;
int m_renderHeight;
int VRS_TILE_SIZE;
VkDevice device;
XEG_AdaptiveVRSCreateInfo xeg_createInfo;
XEG_AdaptiveVRSDescription xeg_description;

定义一些变量：

• m_renderWidth、m_renderHeight：渲染的宽高
• VRS_TILE_SIZE：VRS 的分片大小。画面会被分成很多小块，每块独立决定渲染精度
• device：Vulkan 逻辑设备
• xeg_createInfo：创建 VRS 实例所需的参数
• xeg_description：下发着色率纹理命令所需的参数

VkExtent2D inputSize;
inputSize.width = m_renderWidth;
inputSize.height = m_renderHeight;

VkRect2D inputRegion {};
inputRegion.extent.width = m_renderWidth;
inputRegion.extent.height = m_renderHeight;
inputRegion.offset.x = 0;
inputRegion.offset.y = 0;

设置输入尺寸和区域：

• inputSize：上一帧渲染结果的图像尺寸
• inputRegion：输入纹理的区域，从 (0,0) 开始，大小等于渲染宽高

xeg_createInfo.inputSize = inputSize;
xeg_createInfo.inputRegion = inputRegion;
xeg_createInfo.adaptiveTileSize = VRS_TILE_SIZE;
xeg_createInfo.errorSensitivity = 0.5;
xeg_createInfo.flip = false;

配置创建参数：

• inputSize：输入图像的尺寸
• inputRegion：输入图像的区域
• adaptiveTileSize：分片大小，越小精度越高，但计算量也越大
• errorSensitivity：误差敏感度，0.5 是一个平衡点。值越小，越倾向于高精度渲染；值越大，越倾向于低精度渲染
• flip：是否翻转图像。false 表示不翻转

HMS_XEG_CreateAdaptiveVRS(device, &xeg_createInfo, &xeg_adaptiveVRS);

最后调用 HMS_XEG_CreateAdaptiveVRS 创建实例。如果创建成功，xeg_adaptiveVRS 就被初始化了。

第五步：生成着色率纹理

这是自适应 VRS 的核心步骤：根据上一帧的渲染结果，生成一个"着色率纹理"，告诉 GPU 每个区域应该用什么精度渲染。

VkImageView inputColorImageView = VK_NULL_HANDLE;
VkImageView inputDepthImageView = VK_NULL_HANDLE;
VkImageView outputShadingRateImage = VK_NULL_HANDLE;
VkCommandBuffer commandBuffer = VK_NULL_HANDLE;

定义三个图像视图和一个命令缓冲区：

• inputColorImageView：上一帧的颜色附件，就是渲染出来的彩色画面
• inputDepthImageView：上一帧的深度附件，记录了每个像素离相机有多远
• outputShadingRateImage：输出的着色率纹理，GPU 会根据这个纹理决定每个区域的渲染精度
• commandBuffer：Vulkan 命令缓冲区，用来记录和执行 GPU 命令

xeg_description.inputColorImage = inputColorImageView; 
xeg_description.inputDepthImage = inputDepthImageView;
xeg_description.outputShadingRateImage = outputShadingRateImage;
xeg_description.reprojectionMatrix = nullptr;

HMS_XEG_CmdDispatchAdaptiveVRS(commandBuffer, xeg_adaptiveVRS, &xeg_description);

把参数填入 xeg_description，然后调用 HMS_XEG_CmdDispatchAdaptiveVRS 下发命令。

这个函数会分析上一帧的颜色和深度信息，然后生成着色率纹理。分析的逻辑大概是：

• 颜色变化剧烈的区域（比如物体边缘）：保持高精度
• 颜色变化平缓的区域（比如纯色背景）：降低精度
• 深度变化大的区域（比如前景和背景交界处）：保持高精度

reprojectionMatrix 是重投影矩阵，用于处理相机运动时的对齐。如果相机不动，可以传 nullptr。

第六步：销毁实例

HMS_XEG_DestroyAdaptiveVRS(xeg_adaptiveVRS);

不需要 VRS 功能时，调用 HMS_XEG_DestroyAdaptiveVRS 销毁实例，释放内存资源。这就像用完遥控器要关机一样。

自适应 VRS 的整体工作流程如下：

自适应 VRS 的工作原理

让我用更通俗的语言解释整个流程：

1. 渲染上一帧：GPU 正常渲染一帧画面，得到颜色图和深度图
2. 分析画面：自适应 VRS 分析颜色图和深度图，找出哪些区域需要高精度，哪些可以降低精度
3. 生成着色率纹理：根据分析结果，生成一个纹理，每个区域标记一个渲染精度等级
4. 渲染下一帧：GPU 在渲染下一帧时，根据着色率纹理，对不同区域使用不同的渲染精度

这个过程是每帧自动进行的，开发者只需要设置好参数，剩下的交给 XEngine 处理。

画面分析的决策逻辑如下：

适用场景

自适应 VRS 特别适合以下场景：

• 3D 游戏：画面复杂，有很多区域可以降低精度
• VR/AR 应用：对帧率要求极高，VRS 可以有效降低 GPU 负载
• 图形渲染应用：需要稳定帧率的场景

注意事项

1. 设备支持：不是所有设备都支持自适应 VRS，一定要先查询设备扩展
2. 分片大小：VRS_TILE_SIZE 要根据你的应用来设置。太小精度高但计算量大，太大精度低但性能好
3. 误差敏感度：errorSensitivity 要根据画面质量要求来调整。值越小画质越好，值越大性能越好
4. 重投影矩阵：如果相机在移动，需要传入正确的重投影矩阵，否则着色率纹理会和画面对不上

总结

自适应 VRS 是一个很实用的图形优化技术，它能在不明显影响画质的情况下，显著降低 GPU 的渲染负载。核心流程：

1. 查询设备是否支持自适应 VRS
2. 创建自适应 VRS 实例，配置参数
3. 每帧调用 HMS_XEG_CmdDispatchAdaptiveVRS 生成着色率纹理
4. GPU 根据着色率纹理渲染下一帧
5. 不需要时销毁实例

掌握了这些，你就能在 HarmonyOS 应用中实现自适应 VRS，让你的 3D 应用跑得更流畅。