关于Mali GPU的浮点数异常

一个华为手机上的Bug

今天查一个 辉光抖动 的问题:我们一个PBR的摩托车,在开辉光后高光处闪烁的厉害,并且这个闪烁只出现在华为手机上(Mali GPU)。

用RenderDoc分析了一下,闪烁处的高光值已经逆天了,如下图:

image

由上图可见,红框标记的颜色值达到了 65504,由于我们开启了 FP16 HDR,这里的 65504 刚好是 FP16 能表示的最大值。

image

0 11110 1111111111=(-1)^0 * 2^15 * (1+1-2^-10)=65504

直觉上这里是 浮点数精度 的问题,因为之前没少吃 Mali GPU 的亏,:)

修正

要堵这个问题很简单,只需要对最终的高光值用 clamp大法 即可。

不过作为一个强迫症患者,我还是想找到具体是哪里出了问题,于是做了一番调试,最后发现问题代码如下:

half perceptualRoughness = SmoothnessToPerceptualRoughness(smoothness);
half roughness = PerceptualRoughnessToRoughness(perceptualRoughness);

half V = SmithJointGGXVisibilityTerm(NoL, NoV, roughness); 
half D = GGXTerm(NoH, roughness);
half specularTerm = V * D * UNITY_PI;

这里 PBR 的高光项计算直接摘了Unity的 BRDF1 算法,去掉了 菲涅尔项,上述代码中 roughness精度 影响了最终高光的计算结果。

我们看一下法线分布函数 GGXTerm 的代码:

inline float GGXTerm (float NdotH, float roughness)
{
    float a2 = roughness * roughness;
    float d = (NdotH * a2 - NdotH) * NdotH + 1.0f; // 2 mad
    return UNITY_INV_PI * a2 / (d * d + 1e-7f); 
    // This function is not intended to be running on Mobile,
    // therefore epsilon is smaller than what can be represented by half
}

参数都是 float,并且函数结尾有一个清楚的注释,说这个函数没打算在移动设备上跑,因为这里 1e-7f 并没考虑兼容 half 的精度:

This function is not intended to be running on Mobile, therefore epsilon is smaller than what can be represented by half

半精度浮点数能表示的最小值为 6.10×10^(-5)

0 00001 0000000000=2^-14 = 6.10*10^-5

所以把 roughness 的精度从 half 变成 float,这个问题也就修正了。

URP管线对BRDF的简化

在移动设备直接用 Standard管线BRDF1 算法,计算量会略高。

这里我们也可以参考 BRDF2 的写法,或者参考 URP管线 对于 DirectBDRF 的简化方式,代码如下:

// Based on Minimalist CookTorrance BRDF
// Implementation is slightly different from original derivation: http://www.thetenthplanet.de/archives/255
//
// * NDF [Modified] GGX  
// * Modified Kelemen and Szirmay-Kalos for Visibility term
// * Fresnel approximated with 1/LdotH 
half3 DirectBDRF(BRDFData brdfData, half3 normalWS, half3 lightDirectionWS, half3 viewDirectionWS)
{
#ifndef _SPECULARHIGHLIGHTS_OFF
    float3 halfDir = SafeNormalize(float3(lightDirectionWS) + float3(viewDirectionWS)); 

    float NoH = saturate(dot(normalWS, halfDir));
    half LoH = saturate(dot(lightDirectionWS, halfDir));

    // GGX Distribution multiplied by combined approximation of Visibility and Fresnel 
    // BRDFspec = (D * V * F) / 4.0
    // D = roughness^2 / ( NoH^2 * (roughness^2 - 1) + 1 )^2 
    // V * F = 1.0 / ( LoH^2 * (roughness + 0.5) )
    // See "Optimizing PBR for Mobile" from Siggraph 2015 moving mobile graphics course
    // https://community.arm.com/events/1155

    // Final BRDFspec = roughness^2 / ( NoH^2 * (roughness^2 - 1) + 1 )^2 * (LoH^2 * (roughness + 0.5) * 4.0)
    // We further optimize a few light invariant terms 
    // brdfData.normalizationTerm = (roughness + 0.5) * 4.0 rewritten as roughness * 4.0 + 2.0 to a fit a MAD. 
    float d = NoH * NoH * brdfData.roughness2MinusOne + 1.00001f;

    half LoH2 = LoH * LoH;    
    half specularTerm = brdfData.roughness2 / ((d * d) * max(0.1h, LoH2) * brdfData.normalizationTerm);

    // On platforms where half actually means something, the denominator has a risk of overflow
    // clamp below was added specifically to "fix" that, but dx compiler (we convert bytecode to metal/gles)
    // sees that specularTerm have only non-negative terms, so it skips max(0,..) in clamp (leaving only min(100,...))
#if defined (SHADER_API_MOBILE) || defined (SHADER_API_SWITCH)
    specularTerm = specularTerm - HALF_MIN;
    specularTerm = clamp(specularTerm, 0.0, 100.0); // Prevent FP16 overflow on mobiles
#endif

    half3 color = specularTerm * brdfData.specular + brdfData.diffuse;
    return color;
#else
    return brdfData.diffuse;  
#endif
}

代码注释写得很清楚,简化方式参考了 SIGGRAPH 2015Optimizing PBR for Mobile

经典的微表面高光 BRDF 公式如下:

image

按照 Optimizing PBR for Mobile 的方式,可以对 V * F 合并和近似:

BRDFspec = (D * V * F) / 4.0

D = roughness^2 / ( NoH^2 * (roughness^2 - 1) + 1 )^2

V * F = 1.0 / ( LoH^2 * (roughness + 0.5) )

最终结果如下:

image

最后,上面的代码也兼顾了 half 的精度:

#define HALF_MIN 6.103515625e-5  // 2^-14, the same value for 10, 11 and 16-bit: https://www.khronos.org/opengl/wiki/Small_Float_Formats

// On platforms where half actually means something, the denominator has a risk of overflow
// clamp below was added specifically to "fix" that, but dx compiler (we convert bytecode to metal/gles)
// sees that specularTerm have only non-negative terms, so it skips max(0,..) in clamp (leaving only min(100,...))

#if defined (SHADER_API_MOBILE) || defined (SHADER_API_SWITCH)
    specularTerm = specularTerm - HALF_MIN;
    specularTerm = clamp(specularTerm, 0.0, 100.0); // Prevent FP16 overflow on mobiles
#endif

个人主页

本文的个人主页链接:https://baddogzz.github.io/2020/04/27/Mali-Float-Presion/

好了,拜拜!

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 201,784评论 5 474
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 84,745评论 2 378
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 148,702评论 0 335
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 54,229评论 1 272
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 63,245评论 5 363
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 48,376评论 1 281
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 37,798评论 3 393
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 36,471评论 0 256
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 40,655评论 1 295
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,485评论 2 318
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,535评论 1 329
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,235评论 3 318
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 38,793评论 3 304
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,863评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,096评论 1 258
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 42,654评论 2 348
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,233评论 2 341

推荐阅读更多精彩内容