代码改变世界

D3D9 浮点精度的问题

2015-07-20 18:00  风恋残雪  阅读(1292)  评论(0)  编辑  收藏  举报

　　最近在对我们的渲染引擎进行优化的时候，发现一个奇怪的现象，因为我们做了Pre-Z(把比较大的物体先绘制一遍，这个时候关闭颜色写，只开启深度测试和写入，目的是为了减少后面一些不可见像素的计算。)，面在绘制另外一遍的时候（这一遍我们是把相同的进行了合批处理，采用硬件实例化技术（Hardware instancing）），会发现某些像素会闪烁，这个就说明了两次计算的深度并不一样才导致了闪烁的问题，知道了问题出现的原因，那就开始查找。

　　一开始主要有以下几个猜测：

　　1、可能是在把世界位置传给GPU时精度丢失了一部分精度，或者在GPU和CPU上计算的world-view-projection矩阵有差距？这个通过修改微软自带的Instancing实例进行验证，此猜测是错误的。

　　2、因为我们是把顶点位置进行了压缩成16位浮点数，是不是这样造成的？同样，我们紧接着修改了下微软自带的示例来进行验证，此猜测也是错误的。

　　3、难道两次计算的结果不一样？经过跟踪，发现两次计算相乘的矩阵是完全一样的，但是再次结果某些浮点数后几位确实是不一样的。这时候怀疑是不是多线程引起的，写了个测试程序，多个线程同时跑计算出来的结果是一样的，再次证明猜测是错误的。

　　4、也怀疑是编译器对浮点数计算优化的问题，把编译选项改成了/fp:precise结果还是一样，说明跟这个猜测也是错误的。

　　5、难道是在计算时浮点运算器x87 FPU运算时状态被修改了？这个时候同事帮忙在网上搜到了D3D9下面浮点精度的问题，这才找到了问题，原来是D3D9为了优化搞的鬼，看来对D3D9还是不太熟悉。D3D9在创建设备时有个BehaviorFlags，用于控制创建设备的。

其中有一个标记就是D3DCREATE_FPU_PRESERVE，D3D9对它的解释是这样的：

　　Set the precision for Direct3D floating-point calculations to the precision used by the calling thread. If you do not specify this flag, Direct3D defaults to single-precision round-to-nearest mode for two reasons:

  • Double-precision mode will reduce Direct3D performance.
  • Portions of Direct3D assume floating-point unit exceptions are masked; unmasking these exceptions may result in undefined behavior.

也就是说D3D9为了效率考虑，把使用D3D9的线程强制修改了浮点运算器的标记位，这样在计算的时候就可以使用单精度浮点数进行计算了，这样做主要有两个原因：

　　1、双数度模式会降低D3D的性能。

　　2、一些函数假设浮点单元异常被标记了，否则会可能会出现未定义的行为。

 

　　在FPU中，存在着三种运算精度：single precision(24bits)，double precision(53bits)，double extended precision(64bits)。而默认精度是53bits的double precision，也就是双精度浮点。D3D出于性能考虑，会将fpu的计算精度改为单精度。因为fpu线程相关的特性，渲染线程中所有的浮点运算都会保持与D3D一致。这种转变体现在fpu的控制寄存器（CTRL）的变化上，CTRL寄存器的值从007F变成027F。

RC字段，这个字段控制浮点转整型的转换方式，

　　00 = 朝最接近或者偶数舍入 01 = 朝负无穷大方向舍入

　　10 = 朝正无穷大方向舍入 11 = 超0方向截断

　　PC 字段精度控制

　　00 = 单精度 01 = 保留 10 = 双精度 11 = 扩展精度[1]

 

　　既然找到了问题的原因，那么就要找一个比较好的解决方案：

　　1、创建设备时指定D3DCREATE_FPU_PRESERVE标记，让D3D9采用双精度浮点运算，这样会降低D3D9的运行效率。

　　2、让主线程和渲染线程同时使用单精度进行浮点数的计算，可以使用微软提供的函数_controlfp_s[2]来达到目的，这样可以提高所有的效果，但是可能会出现其它未预料到的精度问题，还有一个不好的地方就是需要客户端处理这个事情。比如有些人就遇到了客户端中lua出了问题的现象。[3]

　　3、所有需要传给GPU的浮点运算均在渲染线程执行，理论上可以，但是实际操作起来并不是那么现实。

　　我比较倾向于使用第一种方法，原因在上面已经说明了，不知道各位会怎么解决这个问题，欢迎留言讨论。

 

 

参考文章：

[1] http://www.cnblogs.com/wxxweb/archive/2011/12/13/2285565.html

[3] http://m.blog.csdn.net/blog/xiaohyy/5309145