深入解析纹理贴图——纹理压缩技术

by STANCH

标签：#纹理压缩 #纹理贴图

1.纹理压缩概述

3D计算机图形学离不开各种类型的纹理。纹理贴图可以极大地提高3D物体的视觉质量和细节水平,而不增加几何复杂度。简单的纹理是二维图像，该图像的单个像素称为纹素(texel)。事实上,纹理不仅可以存储颜色,还可以存储高度、法线方向、高光因子等每个纹理元素的信息。

从上至下依次为漫反射贴图，法线贴图，位移贴图，来源：TEXTURE COMPRESSION TECHNIQUES

随着现代游戏和3D应用程序体量越来越大，消耗了大量内存（存放数据的场所）,其中超过一半的内存被纹理占用，在渲染场景时，会有大量的贴图被传输到GPU，不经限制的话带宽（数据传输速度的体现）很快就会成为性能瓶颈，还会导致设备发热。因此，3D程序对内存大小和带宽有很高的要求，在图形渲染过程中纹理以压缩形式存储在内存中并传输到GPU，不仅减小了纹理的内存占用，最重要的是还节省了带宽,这是 一种非常高效的性能优化。此外，纹理压缩还可以减少功耗,因为GPU和VRAM（显存）的传输可以直接转换为功耗开销。

2.图片格式与纹理格式的区别

图片格式和纹理格式都是用来存储二维图像,但其设计目标、文件结构和支持特性都存在明显差异。图片压缩格式基于整张图片进行压缩，无法实现单个像素的解析，因此无法被GPU识别，需要CPU解压缩或非压缩格式才能够被识别，增加了CPU的时间和带宽。纹理压缩格式是基于块压缩，可以让CPU以设定的压缩格式（如DXTC、ETC等）进行压缩，能够更快读取像素所属字节块进行解压缩以支持随机访问

纹理压缩和图片压缩过程图，来源：【技术美术百人计划】图形 3.6 纹理压缩——包体瘦身术

（1）图片格式

• 图片格式是图片文件的存储格式，通常在磁盘、内存中储存和传输文件时使用
• 图片格式通常是独立的文件,如 .jpg、.png
• 图片格式通常只支持基本的颜色通道和透明度等属性

（2）纹理格式

• 纹理格式是专门为 3D 图形应用而设计，用于存储和传输贴附在 3D 模型表面的二维图像，是显卡能够直接进行采样的纹理数据格式
• 纹理格式有时会被打包进特定的容器文件中,如 .dds、.ktx 等，这种容器格式可以包含多张纹理贴图以及相关的元数据信息
• 纹理格式可以支持法线贴图、位移贴图、金属度贴图等更丰富的材质属性

3.什么是纹理压缩？

纹理压缩是为了减少纹理数据占用的存储空间和带宽，专为在计算机图形渲染系统中存储纹理而使用的图像压缩技术，广泛应用于计算机图形、游戏、虚拟现实等领域。

图片非压缩格式：

RGBA8888 (RGBA32)：一个像素32位，包含A通道，即一个像素消耗4字节

RGBA4444 (RGBA16)：一个像素16位，包含A通道，即一个像素消耗2字节

RGB888 (RGB24)：一个像素24位，无A通道，即一个像素消耗3字节

RGB565 (RGB16)：一个像素16位，无A通道，即一个像素消耗2字节

为了介绍每个像素所占大小，以RGBA32为例，一个像素记录的颜色信息RGBA通道各占8位，一共32位，8位=1字节，共占4个字节。

4.为什么要使用纹理压缩？

尽管像jpg、png的压缩率很高，但并不适合纹理，主要问题是不支持像素的随机访问，这对GPU相当不友好，GPU渲染时只使用需要的纹理部分，纹理访问模式是高度随机的:在渲染过程中,只有部分纹理区域会被使用,而且访问顺序也是事先无法知道的。此外,相邻三角形并不意味着它们对应的纹理区域也是相邻的(下图 )。因此,图形子系统的整体性能在很大程度上依赖于纹理访问的效率。这种随机访问能力决定了各种纹理压缩格式的主要特性。

为了解决这些独特的纹理访问需求,专门的纹理压缩格式被设计出来,它们采用了与标准图像压缩算法不同的压缩方法。这些纹理压缩格式,如 DXT、ETC 和 ASTC,能够支持高效的单个纹理元素的随机访问,同时仍能提供良好的压缩比。

5.常见纹理压缩格式

（1）S3TC/DXTn/BCn

在现代桌面计算时代，纹理压缩的传统答案只有一个：DXT。由于它的起源，它也被称为 S3TC，对于某些 DirectX 实现，它被称为 BCn。最基本的是，它是一种固定的 4x4 块格式，使用 4bpp（每像素所占存储空间的位数） 对每个 RGB 块进行编码。为了存储 alpha 信息，要么有 1 位 alpha（使用 1bpp 的编码空间），要么有第二个 4bpp alpha 专用块，用于高质量 alpha 编码。这种方法后来出现了一些变体，将 LA 或 RG 数据存储在两个单独的 4bpp 块中，以获得更好的质量。

（2）ETC/ETC2

为了避免使用大量特定于供应商的编解码器，Khronos 定义了与供应商无关的编解码器。随着 OpenGL ES 2.0 的推出，ETC 压缩格式成为可用的多供应商扩展，以更好的质量水平提供类似 DXT 的压缩。然而，它存在的一些问题阻碍了它的广泛采用：它不是ES 2.0 的必需部分，不支持 alpha，并且只有一种模式，即 4bpp RGB。

随着 2013 年 OpenGL ES 3.0（以及完整的 OpenGL 4.3）的发布，ETC2 格式成为标准，具有向后兼容性和重要的新功能。首先，它添加了完整的 alpha 支持，如 DXT3/5（8bpp），以及 1 位“穿透”alpha（4bpp）。其次，它带来了 EAC 格式，支持 1 通道和 2 通道数据（R 和 RG，分别以 4 和 8bpp 为单位）。第三，它添加了 sRGB 数据支持。

（3）ASTC

在 Khronos 定义 OpenGL ES 3.0 的同时，业界也在努力开发一种业界领先的压缩格式，为开发人员提供更精细的控制。这促成了 ASTC 纹理压缩格式于 2012 年中期的推出。ASTC 的关键在于，虽然它使用固定的 128 位/块，但每个纹理可以在这 128 位中容纳不同大小的块，这与之前格式的固定 4x4 块不同。ASTC 利用各种方形和非方形块尺寸，提供各种派生压缩比，从 8bpp 降至略低于 1bpp，如下所示：

因此，ASTC 在调整质量与尺寸方面具有巨大优势。替代格式通常为 RGB 或单通道数据提供 4bpp，有些可以在该占用空间中容纳 alpha，有些在第二个 4bpp 部分中提供更高质量的 alpha 或第二个单通道数据块。PVRTC 是另一种提供较小变体的格式，采用 2bpp 模式。

此外，ASTC 还支持 1-4 个通道，包括全 alpha RGBA、普通 RGB、2 通道 RG (LA) 和 1 通道 R (L/A) 支持，以及自定义 X+Y 和 XY+Z 法线贴图支持。最终结果是 ASTC 可以处理大多数类型的纹理。

ASTC 的另一个主要优势是，端点、权重等的编码方法是逐块选择的，而不是全局选择的，因此编码器可以动态调整分配 128 位以更好地表示每个块中的内容。即使在更高的压缩率下，这也能提供比以前的格式更好的图像质量。

参考：

TEXTURE COMPRESSION TECHNIQUES

【技术美术百人计划】图形 3.6 纹理压缩——包体瘦身术

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