Mikage纹理压缩技术：3DS格式到Vulkan纹理的转换实现-优快云博客

Mikage纹理压缩技术：3DS格式到Vulkan纹理的转换实现

【免费下载链接】mikage-dev Mikage Developer Edition 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/mi/mikage-dev

技术背景与挑战

在3DS模拟器开发中，纹理处理是图形渲染的核心环节。3DS采用独特的纹理压缩格式（如ETC1/ETC2），而现代GPU普遍支持Vulkan API的标准化纹理格式。Mikage作为高性能3DS模拟器，需要解决两大核心问题：3DS专用纹理格式的解析与Vulkan兼容格式的转换，以及在资源受限环境下的高效内存管理。

纹理转换涉及色彩空间转换、压缩算法解码和内存布局优化等关键步骤。通过分析source/video_core/src/video_core/vulkan/renderer.cpp可知，Mikage采用分阶段转换架构，通过中间缓存层实现3DS纹理数据到Vulkan纹理对象的高效映射。

转换流程解析

1. 3DS纹理数据读取与解析

3DS纹理数据存储在VRAM（显存）中，采用特定的压缩算法和内存布局。Mikage通过ResourceManager组件读取原始纹理数据，关键实现位于source/video_core/src/video_core/vulkan/resource_manager.cpp。

// 从3DS内存读取纹理数据并创建暂存区
void ResourceManager::RefreshTextureMemory(vk::CommandBuffer command_buffer, TextureResource& resource, 
                                          Memory::PhysicalMemory& mem, const Pica::FullTextureConfig& config) {
    auto& chunk = resource.staging_area;
    if (resource.state != Resource::State::Invalidated) return;

    RefreshStagedMemory(resource.range, chunk, config.config.width, config.config.height, 
                       resource.stride, ToGenericFormat(config.format), false);
    // ... 后续转换逻辑
}

2. 中间格式转换

原始纹理数据首先被转换为未压缩的RGBA8中间格式，存储在暂存缓冲区（Staging Buffer）中。这一步骤处理3DS特有的纹理翻转和像素对齐问题：

// 创建暂存缓冲区用于中间格式转换
static StagedMemoryChunk CreateStagingArea(vk::Device device, const MemoryTypeDatabase& memory_types, vk::DeviceSize num_bytes) {
    StagedMemoryChunk chunk;
    vk::BufferCreateInfo staging_buffer_create_info {
        vk::BufferCreateFlagBits {}, num_bytes,
        vk::BufferUsageFlagBits::eTransferSrc | vk::BufferUsageFlagBits::eTransferDst,
        vk::SharingMode::eExclusive
    };
    chunk.buffer = device.createBufferUnique(staging_buffer_create_info);
    // ... 内存分配与绑定
    return chunk;
}

3. Vulkan纹理对象创建

中间格式数据通过Vulkan的vkCmdCopyBufferToImage命令传输到设备本地内存。Mikage采用纹理池机制管理GPU内存，通过TextureMemory::FindFreePartition实现高效的内存分配：

// 创建Vulkan纹理对象并分配内存
auto image_info = ToVkImageInfoForTextureCache(config.config.width, config.config.height);
entry.image = device.createImageUnique(image_info);
auto memory_requirements = device.getImageMemoryRequirements(*entry.image);
entry.memory_partition = texture_memory.FindFreePartition(memory_requirements);
device.bindImageMemory(*entry.image, *texture_memory.memory, entry.memory_partition.start);

关键技术优化

内存布局转换

3DS纹理在内存中采用行对齐存储，而Vulkan要求符合设备特定的内存对齐要求。Mikage通过TransitionImageLayout函数处理不同阶段的纹理布局转换：

// 纹理布局转换实现
TransitionImageLayout(command_buffer, *resource.image, full_image, 
                     ImageLayoutTransitionPoint::FromTransferDst(), 
                     ImageLayoutTransitionPoint::ToShaderRead());

资源冲突检测与同步

为避免纹理资源竞争，Mikage实现了基于内存页的资源跟踪机制。通过检测内存读写操作，自动触发纹理数据的重新加载：

// 内存写入冲突检测
void ResourceWriteHandler::OnWrite(PAddr write_addr, uint32_t write_size, uint32_t /*write_value*/) {
    auto overlaps = = {
        return (write_addr + write_size > resource->range.start && write_addr < resource->range.start + resource->range.num_bytes);
    };
    // ... 冲突处理逻辑
}

性能优化策略

1. 纹理缓存机制

Mikage维护了一个LRU（最近最少使用）纹理缓存池，避免重复转换相同纹理。缓存键基于3DS纹理的物理地址和格式参数，实现在ResourceManager::LookupTextureResource。

2. 异步转换流水线

通过Vulkan的命令缓冲区机制，纹理转换操作被异步提交到GPU执行。关键代码位于Renderer::ProduceFrame，实现渲染与纹理转换的并行处理：

// 异步纹理传输
vk::SubmitInfo submit_info {
    0, nullptr, &submit_wait_flags, 1, &*command_buffer, 0, nullptr
};
queue.submit({ submit_info }, *fence);

3. 内存带宽优化

通过纹理压缩格式适配，Mikage自动选择Vulkan支持的压缩格式（如BCn/DXT），减少内存带宽占用。格式选择逻辑基于设备能力查询，实现在MemoryTypeDatabase。

总结与未来方向

Mikage的纹理转换技术通过分层架构实现了3DS到Vulkan的高效纹理适配，主要创新点包括：

硬件无关的中间格式设计：兼容不同厂商GPU的纹理格式要求
细粒度资源跟踪：基于内存页的冲突检测机制，确保数据一致性
自适应内存管理：根据纹理使用频率动态调整内存分配策略

未来优化方向将聚焦于：

引入ASTC等更高效的压缩算法支持
实现纹理压缩的硬件加速解码
基于机器学习的纹理质量增强技术

通过source/video_core/src/video_core/vulkan/resource_manager.cpp和source/video_core/src/video_core/vulkan/renderer.cpp等核心模块的协同工作，Mikage成功解决了3DS纹理到Vulkan的转换难题，为移动设备上的高性能3DS模拟奠定了基础。

扩展资源

纹理格式参考：source/platform/file_formats/ncch.hpp
Vulkan渲染管线：source/video_core/src/video_core/vulkan/pipeline_cache.cpp
测试用例：source/video_core/externals/nihstro/examples/assembler/cube/

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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