Mikage纹理过滤实现：从3DS硬件采样到Vulkan过滤模式
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项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/mi/mikage-dev
纹理过滤是3D渲染中影响画面质量的关键技术，Mikage作为3DS模拟器通过精准还原硬件特性并适配现代GPU架构，实现了高效的纹理采样方案。本文将深入解析从3DS硬件纹理过滤到Vulkan API实现的完整链路，包括坐标转换、采样模式映射和性能优化策略。
3DS纹理采样硬件基础
3DS的Pica200 GPU采用固定功能管线设计，纹理单元支持多种过滤模式和坐标寻址方式。在Mikage实现中，source/video_core/src/video_core/rasterizer.cpp文件完整模拟了硬件纹理采样逻辑。
纹理坐标处理
3DS纹理坐标采用12.4定点数格式存储，Mikage通过Fix12P4结构体实现精确的硬件行为模拟：
struct Fix12P4 {
Fix12P4(u16 val) : val(val) {}
static u16 FracMask() { return 0xF; } // 小数部分掩码
static u16 IntMask() { return ~0xF; } // 整数部分掩码
operator u16() const { return val; }
};
纹理坐标计算涉及透视校正插值，在source/video_core/src/video_core/shader.hpp中定义的OutputVertex结构体通过齐次坐标实现正确插值：
Math::Vec4<float24> pos; // 齐次坐标位置
Math::Vec2<float24> tc0; // 纹理坐标0
// 透视校正插值实现
float24 w_inverse = float24::FromFloat32(1.f) / v0.pos.w;
float24 interpolated_uv = (tc0 / pos.w) * w0 + (tc1 / pos.w) * w1;
硬件过滤模式
3DS支持 nearest 和 linear 两种基础过滤模式，通过纹理配置寄存器控制。在Mikage中，source/video_core/src/video_core/rasterizer.cpp实现了完整的纹理采样流程：
auto GetWrappedTexCoord = [](TexWrapMode mode, int val, unsigned size) {
switch (mode) {
case TexWrapMode::ClampToEdge:
val = std::max(val, 0);
val = std::min(val, (int)size - 1);
return val;
case TexWrapMode::Repeat:
return (int)((unsigned)val % size);
case TexWrapMode::MirroredRepeat:
unsigned val2 = ((unsigned)val % (2 * size));
if (val2 >= size) val2 = 2 * size - 1 - val2;
return (int)val2;
}
};
Vulkan过滤模式映射
Mikage将3DS硬件特性映射到Vulkan API时，面临着固定功能管线到可编程管线的转换挑战。source/video_core/src/video_core/vulkan/renderer.cpp实现了这一映射过程。
采样器状态创建
Vulkan通过采样器对象配置过滤模式，Mikage根据3DS纹理寄存器动态生成对应状态：
vk::SamplerCreateInfo sampler_info {
vk::SamplerCreateFlags {},
magFilter, // 放大过滤模式
minFilter, // 缩小过滤模式
mipmapMode, // Mipmap模式
addressModeU,
addressModeV,
addressModeW,
mipLodBias,
anisotropyEnable,
maxAnisotropy,
compareEnable,
compareOp,
minLod,
maxLod,
borderColor,
unnormalizedCoordinates
};
纹理坐标空间转换
3DS纹理存储采用Y轴翻转布局，在Vulkan实现中需要进行坐标转换：
// 纹理坐标Y轴翻转
t = texture.config.height - 1 - GetWrappedTexCoord(texture.config.wrap_t, t, texture.config.height);
从软件模拟到硬件加速
Mikage的纹理过滤实现经历了从纯软件模拟到GPU加速的演进过程，体现代码架构的灵活性。
软件光栅化实现
早期版本完全通过CPU实现纹理采样，在source/video_core/src/video_core/rasterizer.cpp中：
texture_color[i] = DebugUtils::LookupTexture(source_memory, s, t, info);
这一实现虽然精确但性能有限，仅适用于简单场景。
Vulkan硬件加速
现代版本通过Vulkan API利用GPU硬件加速，在source/video_core/src/video_core/vulkan/renderer.cpp中构建完整的GPU纹理处理管线：
vk::DescriptorImageInfo tex_desc_image_info {
*frame.image_sampler, *input.image_view, vk::ImageLayout::eShaderReadOnlyOptimal
};
vk::WriteDescriptorSet desc_write = {
frame.desc_set, 0, 0, 1, vk::DescriptorType::eCombinedImageSampler,
&tex_desc_image_info, nullptr, nullptr
};
device.updateDescriptorSets({ desc_write }, {});
性能优化策略
为平衡兼容性和性能，Mikage采用多项优化技术解决纹理过滤的性能瓶颈。
多级缓存机制
实现了管线状态缓存，在source/video_core/src/video_core/vulkan/pipeline_cache.hpp中管理着色器和采样器状态，避免重复编译。
纹理格式转换
将3DS特有的纹理格式（如ETC1/ETC2）预转换为Vulkan原生格式，在source/platform/file_formats/ncch.hpp中处理格式解析：
// NCCH文件纹理数据提取
std::vector<uint8_t> texture_data = ExtractTextureFromNCCH(ncch_header, texture_offset);
实现对比与质量分析
通过对比软件模拟和硬件加速实现，Mikage在保证兼容性的同时显著提升渲染质量。
| 实现方式 | 性能 | 兼容性 | 画质 |
|---|---|---|---|
| 软件模拟 | ★☆☆☆☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ |
| Vulkan加速 | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★★ |
纹理过滤质量的提升在3D场景中尤为明显，线性过滤有效消除了低分辨率纹理的锯齿感，而各向异性过滤则改善了斜向视角的纹理清晰度。
未来优化方向
Mikage纹理系统仍有进一步优化空间，包括：
- 实现3DS硬件特有的纹理压缩格式硬件解码
- 支持高级各向异性过滤算法
- 完善Mipmap生成和LOD过渡效果
这些改进将在source/video_core/src/video_core/vulkan/shader_gen.cpp中通过着色器生成系统实现，进一步缩小与原生硬件的差距。
通过深入理解Mikage的纹理过滤实现，不仅能掌握3D渲染的核心技术，还能学习到如何在模拟器开发中平衡准确性、性能和跨平台兼容性。相关代码实现为图形开发者提供了宝贵的参考案例，展示了如何将老旧硬件的固定功能管线高效映射到现代可编程GPU架构。
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创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
