Android上での3D(OpenGL)描画の基礎とNDKによる実践的高速化手法

Android上での3D描画の基礎と、
NDKによる実践的⾼速化⼿法。

2011年7⽉17⽇

(C)2011 HI CORPORATION. All Rights Reserved.

ご挨拶

吉⽥宏（よしだひろし）
株式会社エイチアイ開発部門基盤技術部1課所属

3Dエンジン“MascotCapsule”を中⼼に
ミドルウェア製品企画・開発・サポートを担当

yosyda

<2> (C)2011 HI CORPORATION. All Rights Reserved.

アジェンダ

１．SDK(Java)サンプルを使い、OpenGL ESの基礎を解説
２．NDK(C-Native)で⾼速化！
３．その他の⾼速化ポイント


１. SDK(Java)サンプルを使い、OpenGL ESの基礎を解説

javax.microedition.khronos.opengles
AndroidにおけるOpenGL ESサポートの標準となる
パッケージ。

http://developer.android.com/reference/javax/microedition/khronos/opengles/GL10.html
より引用



改変元のオリジナルプログラムは
ApiDemosサンプル中の
Graphics/OpenGL/GLSurfaceView

キューブ２個→８×８×８(512個)



１．サンプルプログラムを自分のワークスペース配下に展開
２．Package ExplorerもしくはFileメニューからImport
General/Existing Projects into Workspaceを選択
３．Select root directoryからサンプルプログラムを展開
したディレクトリを選択


4. Projectsの欄に2本のサンプルが表⽰されていることを
確認して、Finishボタンを押す。
Projectメニューの”Build Automatically”がチェックさ
れていれば、自動的にビルドが完了する。


サンプルのビルドに失敗する場合

・サンプルはAndroid2.1-update1を使用
それ以外のSDKを使う場合には、プロジェクトの
PropertyのAndroidの項目にある“Project Build Target”
をインストール済のSDKと合わせる必要あり。
・リソース関連のエラー(R.java)が発⽣する場合、
プロジェクトをRefresh(F5)することや、Cleanしてみる
ことで、解決する場合もある。



PackageExplorerのsrcを展開し、
Cube.javaを開く。


Cube.java GL_FIXED（固定⼩数点)で、
0x10000が1.0fを意味します。
int one = 0x10000; (-1.0)
int vertices[] = { ③ ②
-one, -one, -one, (0)
one, -one, -one, ① (+1.0)
one, one, -one, ② ⑦ ⑥ (+1.0)
-one, one, -one, ③
-one, -one, one, ④ (0) ①
one, -one, one, ⑤ Y
one, one, one, ⑥
-one, one, one, ⑦
}; (-1.0)④ ⑤
(-1.0) (+1.0)
Z X


左の要素からRGBAを表します。
Cube.java
スムースシェーディングで着⾊する
各頂点の⾊を指定します。
int colors[] = {
0, 0, 0, one, ⿊
one, 0, 0, one, ③ ②
赤
one, one, 0, one, ⻩
0, one, 0, one, 緑
0, 0, one, one, ⻘ ⑦ ⑥
one, 0, one, one, マゼンタ
one, one, one, one, ⽩ (0) ①
0, one, one, one, シアン
};
④ ⑤


キューブは、三角形１２個で構成
Cube.java
されています。インデックスバッファ
を使い、定義済の頂点をどう繋いで
byte indices[] = { 三角形を描画するかを指定します。
0, 4, 5, （TriangleList)
0, 5, 1,
1, 5, 6,
1, 6, 2, ③ ②
2, 6, 7,
2, 7, 3,
3, 7, 4, ⑦ ⑥
3, 4, 0,
4, 7, 6, (0) ①
4, 6, 5,
3, 0, 1,
3, 1, 2 ④ ⑤
};


Cube.java
ByteBuffer vbb = ByteBuffer.allocateDirect(vertices.length*4);
vbb.order(ByteOrder.nativeOrder());
mVertexBuffer = vbb.asIntBuffer();
mVertexBuffer.put(vertices);
確保しByteBufferに
mVertexBuffer.position(0);
頂点データを書き込みます。
ByteBuffer cbb = ByteBuffer.allocateDirect(colors.length*4);
cbb.order(ByteOrder.nativeOrder());
mColorBuffer = cbb.asIntBuffer();
mColorBuffer.put(colors);
mColorBuffer.position(0);

mIndexBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(indices.length);
mIndexBuffer.put(indices);
mIndexBuffer.position(0);


Cube.java

public void draw(GL10 gl)
{
gl.glFrontFace(gl.GL_CW);
・
・
（略）
} 時計回り、反時計回りのどちらの
ポリゴンが表⾯なのかを指定します。
（GL_CWは時計周りが表)

表


Cube.java
用意したByteBufferを毎フレーム転送します。(頂点配列)
OpenGL ES1.1以降では、バッファオブジェクトを使うことで、
常時GPU側にバッファを置き、⾼速化することも可能です。

public void draw(GL10 gl)
{
（略）
gl.glVertexPointer(3, gl.GL_FIXED, 0, mVertexBuffer);
gl.glColorPointer(4, gl.GL_FIXED, 0, mColorBuffer);

gl.glDrawElements(gl.GL_TRIANGLES, 36,
gl.GL_UNSIGNED_BYTE, mIndexBuffer);
}

TriangleList形式で、インデックスバッファの頭から
36要素(12ポリゴン)分を描画することを指⽰します。



Androidにおいて、OpenGL ESで描画を⾏うには、
GLSurfaceViewの流儀で実装する必要がある。

①GLSurfaceViewのインスタンスを⽣成
②GLSurfaceView.Renderer を継承したRendererクラスを作成
onDrawFrame()
onSurfaceCreated()
onSurfaceChanged()
など必要なメソッドを記述。
③setContentView()で、GLSurfaceViewをActivityの描画対象に設定
ActivityのonResume() / onPause()から、GLSurfaceViewの
onResume() / onPause()をオーバーライド

HiGlesDemoSdk.java / CubeRenderer.javaの実装を参照。



OpenGL ESを使ったにもかかわらず、
思ったほどフレームレートが上がらない？



アプリは膨大な回数のOpenGL ES呼び出しで構成。

今回のサンプルも、⾏列演算を用いて個別に回転。
glDrawElements()だけでもCubeの個数分実⾏される。
(合計512回)



OpenGL ESのC-API自体はかなり⾼速。

Java経由でGLメソッドを使用すると、JavaとNativeの
変換処理が毎回必要となる。

Java C-Native
glDrawElements()
重(JNI) glDrawElements()

Javaの重いGL-APIを使うのではなく、
C-Native APIを使い、JNI呼び出しの回数を
まとめて減らすことが⾼速化にとても重要



Draw() Java C-Native
glDrawElements()
glDrawElements() glDrawElements()

Draw()
glDrawElements()
nativeRender()
nativeRender()
glDrawElements()
ついでに、アプリのロジック自体も
C⾔語で書いてしまうとさらに⾼速! glDrawElements()



メソッドをC⾔語で記述し、JNIで呼び出すには？

・nativeという宣⾔を持つ、ダミーのJavaメソッドを記述
HiGlesDemoNdk.java
private native void nativeInit();
private native void nativeResize(int w, int h);
private native void nativeRender();
・Eclipseを使い⼀次コンパイル(classファイル⽣成のため)
・ヘッダファイルを⽣成
javah というユーティリティで自動的に⽣成可能。
・ヘッダと対応したCソースファイルを記述。



メソッドをC⾔語で記述し、JNIで呼び出すには？

・jniディレクトリにShell(コマンドライン)で移動し、
ndk-build スクリプトを実⾏。
→/libs/armeabi ディレクトリに.soが⽣成される。
・Eclipseから、⽣成済の.soを含めてビルド・実⾏。

今回のNDK向けサンプルも、上記の２⼿順でビルド可能
(Android NDKサンプルのSanAngelesの構成を踏襲)


同じ機能をNDK(JNI)で実装したサンプルのソースを確認。
※jniディレクトリ以下のdemo.cソースを参照

Java使用の場合と
処理の内容は
ほぼ等価。



⾒た目はSDK(Java)版と同じ。
※背景⾊のみSDKと⾒た目を
変えるため、グレーに変更。



SDK版とNDK版動作速度⽐較

SDK(Java) 19.24FPS

NDK(JNI:C-Native) 29.09FPS
※Android 2.3.4搭載のNexus Oneにて測定

弊社3Dエンジンを使った例では、フレームレートで
3倍程度の差が出た例もある。



NativeActivityという選択肢は？

Android2.3(GingerBread)以降のみで対応している機能。
Android2.2(Froyo)以前の端末がまだまだ流通している
現状では、NDKベースでJNI記述するのが現実的。

将来的には、おそらくNativeActivityに集約されるが、
プログラム技術は同じものが転用可能。


３. その他の⾼速化ポイント

・圧縮テクスチャの使用
ATITC (Qualcomm系チップ)
PVRTC (PowerVR系チップ)
DXT (nVidia系チップ)
※環境ごとに別の圧縮テクスチャが必要

OpenGL ES2.0以降、ETC1は標準で使用可能だが、
アルファ（マスク）のデータを持つことができず使いにくい。

圧縮テクスチャは、展開されずそのままGPUの描画に
使用され、データの転送帯域が⼩さくて済むことから、
処理が⾼速化される場合が多いのがポイント。


３. その他の⾼速化ポイント
・Triangle Listではなく、Triangle Strip形式の活用

http://en.wikipedia.org/wiki/Triangle_strip より引用

Stripが⻑くなればなるほど、インデックスバッファの⻑さと、
ポリゴン数の⽐が１：１に収束する。
（Triangle Listの場合には常に３：１）

ハードウェアが既にセットアップ済の２頂点を再利用して
描画するため⼀般的にTriangleListよりも⾼速。


One more thing!

OpenGL ESを使えば、⾼速にポリゴンが描画できる。
しかし、それでアプリを作るのに必要な機能は充分？

例）
ボーンアニメーション
カメラ制御
３Dツールで作成したデータの読み込み
３Dの当たり判定


One more thing!

MascotCapsule eruption ST
・今までの3D描画エンジンと比べて処理速度が速くなり、ポリゴンの表示能
力が飛躍的に向上。
・機器を選ばないライブラリ実装で、ネイティブ、Javaなどさまざまな環境
でのサポートが可能。
・国際標準規格であるOpenGL® ESに対応した、3Dアクセラレータチップの
連携が可能。 OpenGL® ES 2.0にも対応。
・市販3Dツールで作成したデータを専用フォーマットへ変換して使用可能。
・MascotCapsule V3のmbac/mtraデータの描画も可能。
・従来のeruptionに対して、立体視機能拡張が追加されています。


One more thing!

MascotCapsule eruption ST 主要機能

モーションブレンドモーフィングエフェクト(パーティクル)
モーションブレンドを使うことで、滑らモーフィング機能を使い、例えばフェイパーティクル（粒⼦）の運動、形状変化
かにモーションデータを切り替えられまシャルアニメーションのような演出が可等のパラメータに基づき、粒⼦の集合体
す。能になります。をまとめて描画可能です。データは専用
のエフェクトエディタで作成します。

⾛り中間歩き笑い中間怒り

テクスチャタイリングバンプマッピングプロジェクションシャドウ
物体の表⾯に凹凸があるように⾒せるこ
少ないテクスチャ領域で、地⾯や壁といっ物体の影をよりリアルで正確に投影する
とができます。(BREW3などOpenGL
たサイズの大きな部分をカバーすることことができます。
ES1.0対応機種は非対応)
ができます。

法線マップ


One more thing!

MascotCapsule eruption ST 主要機能

⽴体視対応 V3Loaderサポート

MascotCapsule V3用のmbac/mtra
裸眼⽴体視に対応した左目用、右目用の画像を自動的に⽣成可能です。
データの描画が可能です。

OpenGL ES2.0対応

SHARP ⽴体視対応Android端末及び OpenGL ES2.0のShaderを取り扱う

(SH-03C / SH-12C等) APIをサポートしています。
ES2.0環境では、ES1.1の固定機能APIが

Docomo FOMA ⽴体視対応Prime端末削除されていますが、独自の
Shaderエミュレーションレイヤを実装

(SH-10C / CA-01C / F-09C等) していますので、ES1.1向けのコンテン
ツもそのまま動作させることが可能です。

では、端末標準搭載のためライセンス不要！


ご清聴ありがとうございました。

http://www.hicorp.co.jp
http://www.mascotcapsule.com


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