RenderScript：Android平臺上高性能圖形計算框架

作者：Reathin 2024-04-07 11:40:40

移動開發 Android

隨著Android平臺的不斷發展，一些新的API和框架（如Android的NDK，Vulkan和RenderEffect(Android12)）也提供了類似的性能優化能力。

RenderScript介紹

RenderScript是一種高性能的計算框架，用于在設備上執行復雜的數學計算，尤其是在圖像處理方面。最初是為了解決Android平臺上圖形和計算密集型任務而設計的，可以在CPU或GPU上并行執行，以利用多核處理器和圖形硬件的加速能力。

RenderScript的主要特點：

并行計算：RenderScript利用設備的多核處理器進行并行計算，從而顯著提高計算密集型任務的性能。
硬件加速：RenderScript能夠利用GPU進行硬件加速計算，適用于圖形和圖像處理任務。
易于使用：RenderScript使用C99樣式的語法，Android SDK提供了方便的Java/Kotlin綁定，使得可以在Android應用中輕松集成RenderScript代碼。
性能優化：RenderScript編譯器會自動優化代碼，以充分利用目標設備的硬件特性。

RenderScript使用場景：

圖像處理：如模糊、銳化、顏色轉換等。
計算機視覺：如特征檢測、邊緣識別等。
物理模擬：如碰撞檢測、粒子系統等。

隨著Android平臺的不斷發展，一些新的API和框架（如Android的NDK，Vulkan和RenderEffect(Android12)）也提供了類似的性能優化能力。

Google在Android開發者博客中提到，其實早已不建議將RenderScript用于對性能需求至關重要的任務，Android開發者應該轉向可在GPU硬件層級上高效運作、且具有出色的跨平臺體驗的Vulkan API 。

RenderScript腳本

RenderScript .rs 腳本使用一種類似于C99的語法，允許開發者定義內核函數，這些函數可以在Android設備上高效地并行執行。.rs 腳本的基本語法說明：

1.腳本頭

在腳本的開頭，通常會看到一些預處理指令，用于定義腳本的版本和Java包名：

#pragma version(1)
#pragma rs java_package_name(com.reathin.renderscript)

#pragma version(1)：指定RenderScript的版本。
#pragma rs java_package_name(...)：指定生成的Java類的包名。

2.數據類型

RenderScript使用了一些特殊的數據類型，如rs_allocation，是用于訪問內存分配的引用類型。還有uchar4、float4等類型，用于表示包含四個無符號字符或浮點數的向量。

3.內核函數

內核函數是RenderScript腳本中的主要部分，定義了要在GPU或CPU上執行的并行計算。

void blur(const uchar4 *v_in, uchar4 *v_out, const void *usrData, uint32_t x, uint32_t y) {
    // 內核函數的實現
}

void blur(...)：定義了一個名為blur的內核函數。
const uchar4 *v_in 和 uchar4 *v_out：是輸入和輸出參數的指針。
const void *usrData：是傳遞給內核的任意用戶數據。
uint32_t x, uint32_t y：是內核的當前執行位置（例如，像素坐標）。

4.根函數

根函數是RenderScript腳本的入口點。當RenderScript運行時加載腳本時，會調用根函數。

void root() {
    // 初始化代碼或調用其他內核函數
}

5.訪問全局變量

在.rs腳本中，可以定義全局變量，并在內核函數中訪問它們。

float mGlobalData;

void blur(...) {
    // 使用 mGlobalData
}

6.調用其他內核

可以在根函數或其他內核函數中調用其他內核。

void blur(...) {
    // 另一個內核的實現
}

void root() {
    // 調用另一個內核
    blur(...);
}

7.分配和訪問內存

RenderScript使用Allocation對象來管理內存。在Java代碼中，會創建Allocation對象，并將其傳遞給RenderScript內核。在.rs腳本中，可以使用rsGetAllocationAddress函數來獲取指向這些分配的內存的指針。

const uchar4 *in = rsGetAllocationAddress(inAllocation);
uchar4 *out = rsGetAllocationAddress(outAllocation);

8.內置函數和API

RenderScript提供了一些內置函數和API，用于執行常見的操作，如數學運算、內存操作、類型轉換等。

9.編譯和鏈接

.rs 腳本文件在構建過程中會被編譯成字節碼，并與應用一起打包。當應用運行時，RenderScript運行時會加載這些字節碼，并在適當的硬件上執行它們。

10.注意事項

確保你的RenderScript腳本遵循Android NDK的C/C++編碼規范。
由于RenderScript是并行執行的，要避免在內核函數中使用可能導致競態條件的全局變量或狀態。
對于涉及復雜計算或大量數據的任務，RenderScript可以顯著提高性能，也要小心管理內存和避免不必要的復制操作。

使用RenderScript實現模糊效果

在Android中實現模糊效果通常使用RenderScript或者自定義的OpenGL著色器。RenderScript和OpenGL都是相對底層的API，需要一定的圖形編程知識。對于更簡單的模糊效果，可以考慮使用第三方庫，如Glide或Picasso，提供了更高級的API來實現圖像模糊和其他效果。

下面使用RenderScript實現模糊效果。

添加RenderScript支持:

android {  
      
    //高版本Studio
    buildFeatures {
        renderScript true
    }
    
    defaultConfig {    
        renderscriptTargetApi 21  
        renderscriptSupportModeEnabled true  
    }  
  
}

使用RenderScript實現圖片高斯模糊效果

public static Bitmap scriptBlur(Context context, Bitmap origin, int outWidth, int outHeight, float radius) {
    if (origin == null || origin.isRecycled()) {
        return null;
    }
    mStartTime = System.currentTimeMillis();
    RenderScript renderScript = RenderScript.create(context.getApplicationContext(), RenderScript.ContextType.NORMAL, RenderScript.CREATE_FLAG_NONE);
    Allocation blurInput = Allocation.createFromBitmap(renderScript, origin);
    Allocation blurOutput = Allocation.createTyped(renderScript, blurInput.getType());
    ScriptIntrinsicBlur blur = null;
    try {
        blur = ScriptIntrinsicBlur.create(renderScript, blurInput.getElement());
    } catch (RSIllegalArgumentException e) {
        if (e.getMessage().contains("Unsuported element type")) {
            blur = ScriptIntrinsicBlur.create(renderScript, Element.U8_4(renderScript));
        }
    }
    if (blur == null) {
        //腳本模糊失敗
        return null;
    }
    blur.setRadius(range(radius, 0, 20));
    blur.setInput(blurInput);
    blur.forEach(blurOutput);
    
    Bitmap result = Bitmap.createBitmap(outWidth, outHeight, Bitmap.Config.ARGB_8888);
    blurOutput.copyTo(result);

    //釋放
    renderScript.destroy();
    blurInput.destroy();
    blurOutput.destroy();

    origin.recycle();
    long time = (System.currentTimeMillis() - mStartTime);
    Log.i("BlurUtils", "模糊用時：[" + time + "ms]");
    return result;
}

調用高斯模糊方法

val bitmap = BitmapFactory.decodeResource(resources, R.mipmap.image_beauty)

val bitmap1 = BlurUtils.scriptBlur(this, bitmap, bitmap.getWidth(), bitmap.getHeight(), 10f)
val bitmap2 = BlurUtils.scriptBlur(this, bitmap, bitmap.getWidth(), bitmap.getHeight(), 15f)
val bitmap3 = BlurUtils.scriptBlur(this, bitmap, bitmap.getWidth(), bitmap.getHeight(), 20f)
val bitmap4 = BlurUtils.scriptBlur(this, bitmap, bitmap.getWidth(), bitmap.getHeight(), 25f)

imageView1.setImageBitmap(bitmap)
imageView2.setImageBitmap(bitmap2)
imageView3.setImageBitmap(bitmap3)
imageView4.setImageBitmap(bitmap4)

運行效果:

在Android中，RenderScript .rs 腳本是一種用C99語法編寫的文件，定義了可以在設備上并行執行的計算任務。通常用于圖形和計算密集型任務，例如圖像處理、物理模擬等。.rs 腳本編譯后會生成二進制代碼，代碼可以在Android設備的CPU或GPU上執行。

Android Studio創建rs腳本目錄：

(1) 編寫.rs腳本

#pragma version(1)  
#pragma rs java_package_name(com.reathin.renderscript)  
  
// 輸入圖像  
rs_allocation inImage;  
// 輸出圖像  
rs_allocation outImage;  
// 模糊半徑  
float blurRadius;  
  
// 定義模糊函數  
void blur(const uchar4 *v_in, uchar4 *v_out, const void *usrData, uint32_t x, uint32_t y) {  
    // 計算模糊后的顏色值  
    float4 sum = 0.0f;  
    int count = 0;  
    for (float dx = -blurRadius; dx <= blurRadius; dx++) {  
        for (float dy = -blurRadius; dy <= blurRadius; dy++) {  
            int newX = x + (int)dx;  
            int newY = y + (int)dy;  
            if (newX >= 0 && newX < rsAllocationGetDimX(inImage) && newY >= 0 && newY < rsAllocationGetDimY(inImage)) {  
                sum += rsUnpackColor8888(*v_in + rsAllocationGetElementPtr(inImage, newX, newY));  
                count++;  
            }  
        }  
    }  
    *v_out = rsPackColor8888(sum / count);  
}  
  
// 根函數，RenderScript執行時的入口點  
void root() {  
    // 獲取輸入和輸出圖像的指針  
    const uchar4 *in = rsGetAllocationAddress(inImage);  
    uchar4 *out = rsGetAllocationAddress(outImage);  
      
    // 執行模糊操作  
    blur(in, out, NULL, 0, 0);  
}

將 .rs 文件放在項目的 src/main/rs 目錄下。在Java或Kotlin代碼中加載這個腳本并設置輸入和輸出 Allocation 對象，最后調用RenderScript的內核來執行模糊操作。

(2) 調用RenderScript內核進行調用

import android.content.Context;  
import android.graphics.Bitmap;  
import android.renderscript.Allocation;  
import android.renderscript.Element;  
import android.renderscript.RenderScript;  
import android.renderscript.ScriptC;  
  
public Bitmap applyBlur(Context context, Bitmap inputBitmap, float blurRadius) {  
    // 創建RenderScript實例  
    RenderScript rs = RenderScript.create(context);  
      
    // 創建輸入和輸出Allocation  
    Allocation inputAllocation = Allocation.createFromBitmap(rs, inputBitmap);  
    Allocation outputAllocation = Allocation.createTyped(rs, inputAllocation.getType());  
      
    // 加載RenderScript腳本  
    ScriptC_Blur blurScript = new ScriptC_Blur(rs);  
    blurScript.set_inImage(inputAllocation);  
    blurScript.set_outImage(outputAllocation);  
    blurScript.set_blurRadius(blurRadius);  
      
    // 執行模糊操作  
    blurScript.invoke_root();  
      
    // 創建輸出位圖并復制數據  
    Bitmap outputBitmap = Bitmap.createBitmap(inputBitmap.getWidth(), inputBitmap.getHeight(), inputBitmap.getConfig());  
    outputAllocation.copyTo(outputBitmap);  
      
    // 銷毀資源和清理  
    inputAllocation.destroy();  
    outputAllocation.destroy();  
    rs.destroy();  
      
    return outputBitmap;  
}

ScriptC_Blur是根據.rs腳本文件自動生成的類。需要用實際的類名替換ScriptC_Blur應該與.rs文件名相同（去掉.rs擴展名，并將下劃線_替換為駝峰命名法的大寫字母）。

完整示例代碼: https://github.com/Reathin/Sample-Android

責任編輯：趙寧寧來源：沐雨花飛蝶

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