多線程技術(shù)在移動設備增強現(xiàn)實 應用中的性能優(yōu)化研究

張 生，龍云躍

(上海理工大學 光電信息與計算機學院，上海 200093)

0 引言

近年來，隨著計算機硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實技術(shù)開始從理論變?yōu)楝F(xiàn)實，出現(xiàn)了越來越多的增強現(xiàn)實應用及設備。相關(guān)產(chǎn)品主要分為兩類：一類是增強現(xiàn)實頭盔，比較具有代表性的是微軟的Hololens增強現(xiàn)實頭盔、谷歌的Google glasses，這兩種屬于獨立增強現(xiàn)實設備，因為其具有自己的處理芯片，可以脫離計算機獨立工作；另一類是智能手機，美國蘋果公司與谷歌公司分別研發(fā)了自己的技術(shù)ARkit和ARcore，利用智能手機攝像頭，使增強現(xiàn)實應用可以運行在手機上。由于智能手機的廣泛普及，手機增強現(xiàn)實應用具有更好的發(fā)展前景與商業(yè)應用價值。

一般的智能手機由于其硬件的性能局限性(CPU頻率低，內(nèi)存小， GPU性能低)，導致很多開發(fā)完成的AR應用雖然在臺式計算機中可以流暢運行，且?guī)瑪?shù)穩(wěn)定、圖像質(zhì)量較好，但當移植到手機上，則會出現(xiàn)明顯的幀數(shù)降低、畫面卡頓等情況，大大降低了使用體驗。傳統(tǒng)解決方案主要有：①使用對性能要求較低的3D模型；②降低畫面質(zhì)量參數(shù)(光照、幀數(shù)、色彩、分辨率等)。但上述方案都以降低畫面質(zhì)量為代價，所以在某些場景下并不是最佳解決方案。

1 增強現(xiàn)實性能優(yōu)化研究現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)圖像類應用性能優(yōu)化研究

隨著移動設備的普及以及移動應用的大量增加，特別是游戲、圖像分析類軟件的快速發(fā)展，使渲染性能優(yōu)化成為移動圖形類應用研發(fā)的一個核心問題。根據(jù)應用場景不同有各種不同優(yōu)化方案，一類方案為優(yōu)化渲染算法類，如張驥先 、羅蕾 、姜帆[1]提出的富媒體場景渲染優(yōu)化策略，該優(yōu)化策略從局部渲染與多邊形填充兩方面進行，通過跟蹤場景變化的失效區(qū)域體現(xiàn)局部渲染；另一類則是對被渲染的場景與物體模型進行優(yōu)化的方案，如江能興、周淦淼[2]提出的基于3DMAX的三維模型優(yōu)化策略，通過簡化3D模型提高渲染性能。

1.2 增強現(xiàn)實應用性能優(yōu)化研究

增強現(xiàn)實類軟件與傳統(tǒng)圖形類軟件的最大區(qū)別在于，其需要通過攝像頭實時捕獲真實世界的圖像信息進行分析，并在真實世界基礎(chǔ)上建立一個虛擬空間。所以對捕獲到的圖像進行分析與處理會造成很大開銷，從而影響系統(tǒng)的整理渲染性能。

對于增強現(xiàn)實應用的優(yōu)化，傳統(tǒng)對被渲染的虛擬物體模型進行優(yōu)化是一個可行方案，但是優(yōu)化效果依賴于需要渲染的模型數(shù)量。如果應用本身需要渲染的虛擬物體數(shù)量不多，則該優(yōu)化方案收益并不理想。目前學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究與使用最多的方案是對捕獲到的圖像進行處理，并建立虛擬空間的算法進行優(yōu)化，如Arthur、 Guez、Joelle、Pineau[3]提出的多任務SLAM算法。

2 多線程技術(shù)在增強現(xiàn)實環(huán)境下的應用實驗

一般增強現(xiàn)實應用的性能測試包括渲染性能與計算性能測試。計算性能測試與常規(guī)軟件性能測試基本一致，采用一定約束，在其它條件不變的情況下，通過改變單一參數(shù)，比較軟件運行時的內(nèi)存開銷、CPU占用及運算時間等[4]。渲染性能測試，主要關(guān)注的性能指標為屏幕分辨率、渲染幀數(shù)及渲染幀數(shù)穩(wěn)定性。本文主要實驗流程為在一個已搭建好的AR軟件環(huán)境中，在其它參數(shù)及條件一致的情況下，通過將運算進行多線程分離，比較使用多線程與不使用多線程情況下的渲染性能，得出實驗結(jié)果。

2.1 實驗原理分析

采用多線程即應用程序可在同一時間里使用芯片的不同部分。雖然單線程芯片每秒能夠處理成千上萬條指令，但在任一時刻只能夠?qū)σ粭l指令進行操作，而多線程技術(shù)可以使芯片同時進行多線程處理，由此芯片性能得到提升[5]。本文使用多線程方式，將增強現(xiàn)實應用中的屏幕渲染功能與圖像分析功能分開為兩個線程，屏幕渲染功能設置為主線程，圖像分析功能設置為子線程，兩個線程異步工作。主線程不必等待子線程，當子線程完成圖像分析后，發(fā)送信號給主線程，從而使屏幕渲染功能可以保持流暢執(zhí)行，提升畫面渲染性能。

2.2 實驗流程

2.2.1 單線程環(huán)境搭建

本文實驗環(huán)境使用美國蘋果公司ARkit搭建的一個智能手機增強現(xiàn)實應用，測試平臺為Unity3D引擎。該應用的主要功能為通過攝像頭捕捉圖像數(shù)據(jù)進行圖像識別，當識別到特定模式圖像后，展示相關(guān)分析數(shù)據(jù)，主要工作流程如圖1所示。只要軟件處于開啟狀態(tài)，則必須進行屏幕渲染，在該流程下，每一個渲染幀中，都要等待圖像識別到發(fā)送信號后，才可繼續(xù)執(zhí)行下一幀渲染，兩個功能之間是同步關(guān)系。

圖1 軟件工作流程

其中，Update方法用于更新屏幕內(nèi)容，運行在每一個渲染幀，每一次執(zhí)行都需要等待圖像識別功能的結(jié)束，根據(jù)patternFound信號量的真假情況，才能進行下一步操作。單線程環(huán)境執(zhí)行流程核心代碼如下：

...

//模式識別函數(shù)

PatternDetector patternDetector;

//需要匹配的模式

Pattern pattern

void Start()

{

pattern = new Pattern();

patternDetector = new PatternDetector();

//生成模式

patternDetector.buildPatternFromImage();

}

//Update方法會在屏幕刷新的每一幀執(zhí)行

void Update()

{

//執(zhí)行圖像模式識別

patternDetector.detectPattern();

if(patternDetector.patternFound == true)

{

nextStep();

}

else

{

//do nothing

}

}//update

2.2.2 多線程技術(shù)引入

考慮到保持圖像模式識別處理與屏幕渲染的同步會嚴重影響系統(tǒng)性能，將圖像識別處理功能分離到子線程中進行，而屏幕渲染功能依舊為主線程。此時的軟件工作流程如圖3所示。屏幕渲染功能運行在主線程，圖像識別處理功能運行在子線程。因為線程分離，主線程運行不依賴于子線程的運行。當圖像識別處理功能未完成時，主線程會一直執(zhí)行屏幕渲染功能；當子線程中圖像識別完成時，發(fā)送一個完成信號給主線程，此時主線程再執(zhí)行下一步操作，子線程任務完成并被掛起。

圖2 多線程引入后的工作流程

其中， Update方法用于更新屏幕內(nèi)容，運行在每一個渲染幀，主線程執(zhí)行屏幕渲染工作，子線程detectThread進行圖像模式識別及處理工作。每一幀中，主線程都會對isComplete信號量進行校驗，如果為假，則繼續(xù)執(zhí)行下一幀的屏幕渲染工作；如果為真，則開始執(zhí)行觸發(fā)相應功能。子線程完成圖像模式識別后，將信號量isComplete設置為真，通知主線程，然后將isThreadRuning信號量設置為假，掛起子線程。在該流程下，屏幕渲染與圖像處理處于異步執(zhí)行關(guān)系中。加入多線程之后的執(zhí)行流程核心代碼如下：

...

//定義一個子線程，用來執(zhí)行圖像識別處理功能

Theard detectTheard;

//模式識別函數(shù)

PatternDetector patternDetector;

//需要匹配的模式

Pattern pattern;

//isComplete用于標識是否完成了識別

private boolean isComplete;

//isTheardRunning用來控制子線程開關(guān)

boolean isTheardRunning;

//Start函數(shù)用于初始化

void Start()

{

//子線程初始化

detectTheard =new Theard(detectPattern);

pattern =new Pattern();

patternDetector =new PatternDetector();

//生成模式

patternDetector.buildPatternFromImage();

}

// update函數(shù)會在屏幕刷新的每一幀執(zhí)行

void Update()

{

//執(zhí)行屏幕渲染

if(isComplete == true;)

{

nextStep();

}

}//update

...

//detectPattern在detectTheard線程中執(zhí)行

void detectPattern()

{

if(isTheardRunning)

{

patternDetector.detectPattern();

if(patternDetector.patternFound == true)

{

isComplete =true;

isTheardRunning =false;

}

else

isComplete =false;

}

};

2.3 實驗結(jié)果分析

2.3.1 渲染性能對比算法

本文主要考慮的渲染性能參數(shù)有：f為每一秒屏幕的刷新幀數(shù)；Ct為主線程當前占用CPU進行計算的時間絕對值，單位為s；Rt為GPU渲染線程花費時間，單位為s。對上述3個參數(shù)分別賦予不同權(quán)重參數(shù)P1、P2、P3，權(quán)重參數(shù)可根據(jù)對不同性能關(guān)注度的具體情況而定，在本文場景下，更加關(guān)注屏幕幀數(shù)，具體如式(1)所示。

(p1=0.8,p2=0.1,p3=0.1)

(1)

2.3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

保持其它條件不變，僅通過對多線程的引入進行多次實驗，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，在本文軟件環(huán)境下，多線程的引入對CPU和GPU影響較小，但能較好地提升渲染幀數(shù)。

表1 實驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，在CPU、GPU相同的情況下，以及相同的環(huán)境參數(shù)下，使用多線程將增強現(xiàn)實應用中的屏幕渲染與圖像識別處理進行線程分離，可以有效提升畫面幀數(shù)，提升幅度為25%，但同時可能增加約5%的CPU開銷，而GPU開銷基本不變。因此，在CPU占用量較小的圖像處理類增強現(xiàn)實應用中，引入多線程可以明顯提升渲染性能。