Vulkan移植GpuImage(四)从D到O的滤镜

现把D到O的大部分滤镜用vulkan的ComputeShader实现了,列举其中一些有点特殊的说明.

GaussianBlurPosition 指定区域高斯模糊

没有按照GPUImage里的方式实现,按照类似GaussianSelectiveBlur方式实现,一张高斯模糊图,一张原图,二图进行混合,这种实现方式更灵活(模糊半径等参数),并且并不会降低性能(单独的高斯模糊更容易优化).

SphereRefraction 环境映射

环境映射技术漫谈

和GlassSphere一样,主要就是球形坐标系与UV坐标系的转化,刚开始完成后,我测试效果,发现圈外在闪烁,后面发现没把圈外置0,其中withinSphere表示圈外圈内.

Halftone 半色调效果,类似新闻打印

这个类继承PixellateFilter(马赛克),顺便也把这个实现了,他们参数一样,实现主要是把一小快矩形范围的UV统一成一个,然后处理.

HighPass 高通滤波,检测图像像素变动

实现这个类,首先要实现LowPass,这个滤境有点特殊,需要保存上一桢的传入图像,然后比较当前桢与上一桢.

我设定运行图使用的有向无环图,中间可以根据需求自动排除不可用节点并自动链接下层,所以不能有回环线,从一层保存一桢然后再拿回来使用,这样构成回环,所以我定义VkSaveFrameLayer层为bInput = true,当作输入层,告诉外面不需要自动连接别层输入,在相应接口手动指定别的层需要保存的纹理.

最开始我直接调用vkCmdCopyImage,发现在Nsight显示占用0.3ms-0.7ms左右的时间,从逻辑上来说,应该不可能啊,这个copy应该比最简单的运算层占去的时间要更少才对,于是我测试了二种方案,对应参数bUserPipe,表示用不用管线,用管线控制到0.2ms内,用vkCmdCopyImage在0.3ms以上,以后找下资料看看是什么问题.

LowPass有二个输入,然后就是第一输入节点是上层,第二个输入节点是SaveFrameLayer,在LowPass运行前,SaveFrameLayer提供输入,在LowPass后(混合前后桢,可以去掉类似摩尔纹的东东),把结果又保存在SaveFrameLayer里.

HighPass就是比较与LowPass的差异,可用来显示变化大的像素.

相应源码,有兴趣可以自己查看VkLowPassLayer

Histogram 直方图

GPUImage通过回读到CPU然后计算,这种方式直接放弃,查看相应opencv cuda模块类似实现.

线程组定成256个,然后使用数值对应索引位置+1,结果就是索引上的数值表示对应值的个数.

有二种方式,保存到临时buffer,二是用原子集合(int/uint),这里因为int满足,使用原子集合.

保存到临时buffer,我在开始四通道时使用类似reduce2分二段,不用原子操作的方式,但是效果并不好,一是第一次把16*16块的方式转换成对应的一个个直方图,模块并没的缩小,导致第二块把这一个直方图通过for加在一起需要循环1920/16x1080/16(假设是1080P的图),这个会花费超过2ms,这种方式就pass掉,我直接使用原子操作导出四个图然后再结合都比这个快.

可以看到,在这之前,要先vkCmdClearColorImage结果,几乎不消费时间,我也是这样理解的,但是为什么vkCmdCopyImage会导致那么大的时间等待了?

时间差不多在0.2ms左右,不过随机的亮度图,亮度比较分散,后面使用只有0,1的二种图看看会不会影响这个时间.

一通道在0.18ms左右,四通道在0.52ms+0.01ms,比0.18*4快些.

直方图的显示可以使用VkAlphaShow2Layer显示,没有用GPUImage里的显示方式,其对应输出分别为256x1x(R32UI/RGBA32UI)纹理,自己用glsl显示各种需求应该更方便.要输出到CPU的话,直接接一个VkOutputLayer也方便.

iOSBlur 一种特定模糊实现

把原来的几个已经实现的层downSampling/saturation/gaussian blur/luminance range/upSampling组合一下输出效果就是.

Kuwahara 实现类似油画风格效果

kuwahara filter 实现

在GPUImage上最开始就说了,只适合静止图像,因为很耗性能.原理比较简单,查找当前像素周边四个方向区域方差最小的区域.

因其算法特点,卷积分离没有使用,只使用了局部共享显存优化,在PC 2070N卡1080P下,半径5需要3.3ms,半径10需要9.7ms.

测试手机Redmi 10X Pro 用半径3在720P下非常流畅,可以满足30fps运行.

PC平台Vulkan运算层时间记录里可以看到,3x3时使用局部共享显存并不一定会占优,但是只要核大于3x3,使用局部共享显存的方案就一定会提速,核越大提速越多.

Kuwahara3x3因为算法特性,需要4x4x4,与8x8相当,就算专门去掉重复的那几行,也要读取49个数据,相当于7x7,所以下面专门优化的Kuwahara3x3就没用了.

Laplacian 使用拉普拉斯算子查找边缘

比较常见,一个像素与一个特定3x3矩阵的结果,单独拿出来说,是因为在ubo中,直接使用mat3/mat4,在CPU中使用类似的的Mat3x3,Mat4x4对齐会有问题,并且我在Nsight查看到对应的UBO里放着正确的mat3对应数据,但是结果就是不对.最不容易出错的方法就是在ubo中全使用单个float+std140表示类似vec3/vec4/mat3/mat4结构,在CPU端就不需要特殊处理结构,和ubo一样顺序就行,这样最不容易出现CPU-GPU中的UBO对齐问题.

Lookup 颜色查找表

这个在前面Vulkan移植GpuImage(三)从A到C的滤镜已经说过,但是感觉由用户自己来接一个输入层不太方便,因此修改逻辑,内置一个输入层,提供loadLookUp方法,由用户提供三通道/四通道512x512x(3/4)的lookup图像数据就行.

下面的MissEtikate导入lookup_miss_etikate图像数据就行,本框架现没有读各种图像格式的模块与第三方库.

Median 中值滤波

中值滤波原理及其C++实现与CUDA优化

开始和Kuwahara一样,使用局部共享显存来优化,在结合上面文章里的直方图方式,但是结果并不好,详细情况可以看PC平台Vulkan运算层时间记录记录.

总的来说,优化了个寂寞,还是移植了GPUImage里的3x3的实现,虽然核大会导致排序也是指数增长,但是这次优化明显不成功,只能说是暂时可用大于3核的情况,后续找找更多的资料试试改进.

看了下相关opencv cuda里的median里的写法,在前面会声明一个图像元素*256的buffer?嗯,这个buffer是为了替换里面单个线程uint hist[256]?在CS里,一个线程声明大堆栈数据会导致性能问题吗?先暂停,opencv cuda这个算法写的太麻烦了,后面有时间研究.

MotionBlur 运动模糊

在没看GPUImage实现前,我还在想HighPass就有点运动模糊的味道,但是其在GPUImage实现里,就是简单的给定一个方向,然后由这个方向模糊,并没有前后桢的叠加比较,因其实现简单,所以也移植了.

MotionDetector 运动检测

这个倒是和HighPass很像,区别在于最后会聚合统计给CPU输出,这个确实有必要,所以在本MotionDetector实现中,集成一个VkOutputLayer,并转化输出数据与GPUImage类似,可以看到运动的大小统计.

class VkMotionDetectorLayer : public VkLayer, public MotionDetectorLayer {

    AOCE_LAYER_QUERYINTERFACE(VkMotionDetectorLayer)

   private:

    std::unique_ptr<VkLowPassLayer> lowLayer = nullptr;

    std::unique_ptr<VkReduceLayer> avageLayer = nullptr;

    std::unique_ptr<VkOutputLayer> outLayer = nullptr;

   public:

    VkMotionDetectorLayer();

    virtual ~VkMotionDetectorLayer();

   private:

    void onImageProcessHandle(uint8_t* data, ImageFormat imageFormat,

                              int32_t outIndex);

   protected:

    virtual void onUpdateParamet() override;

    virtual void onInitGraph() override;

    virtual void onInitNode() override;

};

VkMotionDetectorLayer::VkMotionDetectorLayer(/* args */) {

    glslPath = "glsl/motionDetector.comp.spv";

    inCount = 2;

    lowLayer = std::make_unique<VkLowPassLayer>();

    avageLayer = std::make_unique<VkReduceLayer>(ReduceOperate::sum);

    outLayer = std::make_unique<VkOutputLayer>();

    paramet = 0.5f;

    lowLayer->updateParamet(paramet);

    outLayer->setImageProcessHandle(std::bind(

        &VkMotionDetectorLayer::onImageProcessHandle, this, _1, _2, _3));

}

void VkMotionDetectorLayer::onImageProcessHandle(uint8_t* data,

                                                 ImageFormat imageFormat,

                                                 int32_t outIndex) {

    if (onMotionEvent) {

        vec4 motion = {};

        memcpy(&motion, data, sizeof(vec2));

        onMotionEvent(motion);

    }

}

VkMotionDetectorLayer::~VkMotionDetectorLayer() {}

void VkMotionDetectorLayer::onUpdateParamet() {

    lowLayer->updateParamet(paramet);

}

void VkMotionDetectorLayer::onInitGraph() {

    VkLayer::onInitGraph();

    pipeGraph->addNode(lowLayer->getLayer());

    pipeGraph->addNode(avageLayer.get())->addNode(outLayer->getLayer());

}

void VkMotionDetectorLayer::onInitNode() {

    lowLayer->addLine(this, 0, 1);

    this->addLine(avageLayer.get());

    setStartNode(this, 0);

    setStartNode(lowLayer.get());

}

顺便还通过CPU的输出,查到了一个reduce2.comp里divup误写导致的低级错误.

NobleCornerDetection Noble角点检测

这个GPUImage中,实现方式和HarrisCornerDetection几乎一样,就是角点的选择计算方式有点不同,会导致比HarrisCornerDetection多检测很多角点出来.

Opening 开运算,先侵蚀后膨胀

和Closing一样,由侵蚀与膨胀组合,专门提供一个类GroupLayer,本身不提供任何计算,只组合别的运算层.

中间没有移植的滤镜统计

FASTCornerDetection,其GPUImage里并没有实现,只是写个声明.
JFAVoronoi,看到其中需要CPU定循环多次GPU运行,其中UV与颜色对应相关代码暂时不理解,先放着,后期找更多资料确定移植方法.
LanczosResampling,GPUImage的实现好像和其原理差别有点大,应该是特化实现,暂不移植.
LineGenerator这个现在还没想到如何能在GPGPU中高效画多条线,普通的渲染管线方式倒是方便实现,后面查找资料确定移植方法.
MosaicFilter没找到具体显示效果,看到显示效果应该就可以马上移植了.
直方图的显示,现框架实现的VkHistogramLayer里会输出分别为256x1x(R32UI/RGBA32UI)纹理,自己根据你的需求去写相应glsl显示更合适.

其中从D到O的处理,有一部分因为前面实现别的层时,有一些已经实现过,也不在本文里说明,现在GPUImager移植进度大约有60%,相应的效果可以在vulkanextratest,win端修改Win32.cpp,android修改Android.cpp查看对应平台效果,等所有效果移植完成后会写配套专门的UI界面查看.