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优化时精确度降低

图形数据和着色器计算的数字格式会对游戏性能产生重大影响。

最佳格式具有以下特点：

提高 GPU 缓存使用效率
降低内存带宽消耗、节省电量并提高性能
在着色器程序中最大限度地提高计算吞吐量
最大限度地降低游戏的 CPU RAM 使用量

浮点格式

现代 3D 图形中的大多数计算和数据都使用浮点数。Android 上的 Vulkan 使用大小为 32 或 16 位的浮点数。32 位浮点数通常称为单精度或全精度；16 位浮点数称为半精度。

Vulkan 定义了一个 64 位浮点类型，但搭载 Android 的 Vulkan 设备通常不支持该类型，因此不建议使用该类型。64 位浮点数通常称为双精度。

整数格式

数据和计算也可以使用有符号和无符号整数。标准整数大小为 32 位。是否支持其他位大小取决于设备。搭载 Android 的 Vulkan 设备通常支持 16 位和 8 位整数。Vulkan 定义了一个 64 位整数类型，但搭载 Android 的 Vulkan 设备通常不支持该类型，因此不建议使用该类型。

不太理想的半精度行为

现代 GPU 架构会将两个 16 位值组合成一个 32 位值对，并实现针对这两个值对的指令。为了获得最佳性能，请避免使用标量 16 位浮点变量；请将数据向量化为二元素或四元素向量。着色器编译器也许能够在向量运算中使用标量值。但是，如果您依靠编译器优化标量，请检查编译器输出以验证向量化效果。

在 32 位和 16 位精度的浮点数之间转换会产生计算开销。您可以通过尽量减少代码中的精度转换次数来降低开销。

对 16 位和 32 位算法版本之间的性能差异进行基准化测试。半精度并不总是会提升性能，尤其是对于复杂的计算来说。对向量化数据大量使用融合乘法加法 (FMA) 指令的算法非常适合用于提高半精度性能。

数字格式支持

所有搭载 Android 的 Vulkan 设备在数据和着色器计算中都支持单精度 32 位浮点数和 32 位整数。我们无法保证支持其他格式；如果支持，也不能保证所有用例都适用。

Vulkan 对可选数字格式提供两类支持：算术和存储。在使用某种特定格式之前，请确保设备在这两个类别中都支持该格式。

算术支持

Vulkan 设备必须声明对数字格式的算术支持，这样才能在着色器程序中使用该格式。搭载 Android 的 Vulkan 设备通常支持以下算术格式：

32 位整数（必需）
32 位浮点数（必需）
8 位整数（可选）
16 位整数（可选）
16 位半精度浮点数（可选）

如需确定 Vulkan 设备是否支持使用 16 位整数进行算术，请检索设备的功能，方法是调用 vkGetPhysicalDeviceFeatures2() 函数并检查 VkPhysicalDeviceFeatures2 结果结构中的 shaderInt16 字段是否为 true。

如需确定 Vulkan 设备是否支持 16 位浮点数或 8 位整数，请执行以下步骤：

检查设备是否支持 VK_KHR_shader_float16_int8 Vulkan 扩展。必须支持此扩展，才能支持 16 位浮点数和 8 位整数。
如果支持 VK_KHR_shader_float16_int8，请将 VkPhysicalDeviceShaderFloat16Int8Features 结构指针附加到 VkPhysicalDeviceFeatures2.pNext 链上。
调用 vkGetPhysicalDeviceFeatures2() 后，请检查 VkPhysicalDeviceShaderFloat16Int8Features 结果结构的 shaderFloat16 和 shaderInt8 字段。如果该字段的值为 true，则着色器程序算术支持该格式。

虽然在 Vulkan 1.1 或 2022 Android 基准配置文件中不是必需的，但对 VK_KHR_shader_float16_int8 扩展的支持在 Android 设备上很常见。

存储空间支持

Vulkan 设备必须声明支持特定存储类型的可选数字格式。VK_KHR_16bit_storage 扩展声明支持 16 位整数和 16 位浮点格式。该扩展定义了四种存储类型。设备可能对任何存储类型都不支持 16 位数字，也可能对部分或所有存储类型支持 16 位数字。

存储类型包括：

存储缓冲区对象
统一缓冲区对象
推送常量块
着色器输入和输出接口

大多数（但不是全部）搭载 Android 的 Vulkan 1.1 设备都支持存储缓冲区对象的 16 位格式。不要基于 GPU 模型假定会支持。对于指定 GPU 来说，搭载旧版驱动程序的设备可能不支持存储缓冲区对象，而搭载新版驱动程序的设备则支持。

是否支持统一缓冲区、推送常量块和着色器输入/输出接口的 16 位格式通常取决于 GPU 制造商。在 Android 设备上，GPU 通常要么支持所有这三种类型，要么一个都不支持。

下面是一个测试是否支持 Vulkan 算术和存储格式的示例函数：

struct ReducedPrecisionSupportInfo {
  // Arithmetic support
  bool has_8_bit_int_ = false;
  bool has_16_bit_int_ = false;
  bool has_16_bit_float_ = false;
  // Storage support
  bool has_16_bit_SSBO_ = false;
  bool has_16_bit_UBO_ = false;
  bool has_16_bit_push_ = false;
  bool has_16_bit_input_output_ = false;
  // Use 16-bit floats if we have arithmetic
  // support and at least SSBO storage support.
  bool use_16bit_floats_ = false;
};

void CheckFormatSupport(VkPhysicalDevice physical_device,
    ReducedPrecisionSupportInfo &info) {

  // Retrieve the device extension list so we
  // can check for our desired extensions.
  uint32_t device_extension_count;
  vkEnumerateDeviceExtensionProperties(physical_device, nullptr,
      &device_extension_count, nullptr);
  std::vector<VkExtensionProperties> device_extensions(device_extension_count);
  vkEnumerateDeviceExtensionProperties(physical_device, nullptr,
      &device_extension_count, device_extensions.data());

  bool has_16_8_extension = HasDeviceExtension("VK_KHR_shader_float16_int8",
      device_extensions);

  // Initialize the device features structure and
  // chain the storage features structure and 8/16-bit
  // support structure if applicable.
  VkPhysicalDeviceFeatures2 device_features;
  memset(&device_features, 0, sizeof(device_features));
  device_features.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PHYSICAL_DEVICE_FEATURES_2;

  VkPhysicalDeviceShaderFloat16Int8Features f16_int8_features;
  memset(&f16_int8_features, 0, sizeof(f16_int8_features));
  f16_int8_features.sType =
      VK_STRUCTURE_TYPE_PHYSICAL_DEVICE_FLOAT16_INT8_FEATURES_KHR;

  VkPhysicalDevice16BitStorageFeatures storage_features;
  memset(&storage_features, 0, sizeof(storage_features));
  storage_features.sType =
      VK_STRUCTURE_TYPE_PHYSICAL_DEVICE_16BIT_STORAGE_FEATURES;
  device_features.pNext = &storage_features;

  if (has_16_8_extension) {
    storage_features.pNext = &f16_int8_features;
  }

  vkGetPhysicalDeviceFeatures2(physical_device, &device_features);

  // Parse the storage features and determine
  // what kinds of 16-bit storage access are available.
  if (storage_features.storageBuffer16BitAccess ||
      storage_features.uniformAndStorageBuffer16BitAccess) {
    info.has_16_bit_SSBO_ = true;
  }
  info.has_16_bit_UBO_ = storage_features.uniformAndStorageBuffer16BitAccess;
  info.has_16_bit_push_ = storage_features.storagePushConstant16;
  info.has_16_bit_input_output_ = storage_features.storageInputOutput16;

  info.has_16_bit_int_ = device_features.features.shaderInt16;
  if (has_16_8_extension) {
    info.has_16_bit_float_ = f16_int8_features.shaderFloat16;
    info.has_8_bit_int_ = f16_int8_features.shaderInt8;
  }

  // Get arithmetic and at least some form of storage
  // support before enabling 16-bit float usage.
  if (info.has_16_bit_float_ && info.has_16_bit_SSBO_) {
    info.use_16bit_floats_ = true;
  }
}

数据的精度级别

与单精度浮点数相比，半精度浮点数能够以较低的精度表示较小范围的值。相对于单精度来说，半精度通常是一种简单且在感知上无损的选择。不过，半精度可能并不适用于所有用例。对于某些类型的数据，范围和精度降低可能会导致图形伪影或渲染错误。

适合以半精度浮点数表示的数据类型包括：

以局部空间坐标表示的位置数据
适用于较小纹理的纹理 UV，其 UV 封装有限（可能限制在 -1.0 到 1.0 坐标范围内）
法线、正切和双切线数据
顶点颜色数据
以 0.0 为中心、精度要求低的数据

不建议用半精度浮点数表示的数据类型包括：

以全局世界坐标表示的位置数据
适用于高精度用例的纹理 UV，例如图集工作表中的界面元素坐标

着色器代码中的精度

OpenGL 着色语言 (GLSL) 和高级着色器语言 (HLSL) 着色器编程语言支持用放宽精度或显式精度的规范表示数字类型。建议针对着色器编译器采用放宽的精度。特定精度必须采用显式精度。如果存在放宽的精度建议，搭载 Android 的 Vulkan 设备通常采用 16 位格式。其他 Vulkan 设备（尤其是使用不支持 16 位格式的图形硬件的桌面设备）可能会忽略放宽的精度，仍然使用 32 位格式。

GLSL 中的存储扩展

必须定义适当的 GLSL 扩展，以便在存储和统一缓冲区结构中支持 16 位或 8 位数字格式。相关的扩展声明如下所示：

// Enable 16-bit formats in storage and uniform buffers.
#extension GL_EXT_shader_16bit_storage : require
// Enable 8-bit formats in storage and uniform buffers.
#extension GL_EXT_shader_8bit_storage : require

这些扩展特定于 GLSL，在 HLSL 中没有等效项。

GLSL 中的放宽精度

在浮点类型之前使用 highp 限定符可建议单精度浮点数，使用 mediump 限定符可建议半精度浮点数。Vulkan 的 GLSL 编译器会将旧版 lowp 限定符解读为 mediump。下面是一些放宽精度的示例：

mediump vec4 my_vector; // Suggest 16-bit half precision
highp mat4 my_matrix;   // Suggest 32-bit single precision

GLSL 中的显式精度

在 GLSL 代码中添加 GL_EXT_shader_explicit_arithmetic_types_float16 扩展可启用 16 位浮点类型：

#extension GL_EXT_shader_explicit_arithmetic_types_float16 : require

您可以使用以下关键字在 GLSL 中声明 16 位浮点标量、向量和矩阵类型：

float16_t   f16vec2     f16vec3    f16vec4
f16mat2     f16mat3     f16mat4
f16mat2x2   f16mat2x3   f16mat2x4
f16mat3x2   f16mat3x3   f16mat3x4
f16mat4x2   f16mat4x3   f16mat4x4

可以使用以下关键字在 GLSL 中声明 16 位整数标量和向量类型：

int16_t     i16vec2     i16vec3    i16vec4
uint16_t    u16vec2     u16vec3    u16vec4

HLSL 中的放宽精度

HLSL 使用“最低精度”一词，而不是放宽精度。最低精度类型关键字可指定最低精度，但如果更高的精度更适合目标硬件，编译器可能会用更高的精度来代替。最低精度 16 位浮点数由 min16float 关键字指定。最低精度有符号和无符号 16 位整数分别由 min16int 和 min16uint 关键字指定。最低精度声明的其他示例包括：

// Four element vector and four-by-four matrix types
min16float4 my_vector4;
min16float4x4 my_matrix4x4;

HLSL 中的显式精度

半精度浮点数由 half 或 float16_t 关键字指定。有符号和无符号 16 位整数分别由 int16_t 和 uint16_t 关键字指定。显式精度声明的其他示例包括：

// Four element vector and four-by-four matrix types
half4 my_vector4;
half4x4 my_matrix4x4;