Android OpenGL ES详解——纹理：多级渐远纹理

目录

一、背景

二、概念

1、原理

2、优缺点

三、常用函数

四、应用举例

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一、背景

在使用OpenGL渲染大量具有纹理的物体时，特别是在处理远处物体时遇到的一个常见问题：纹理分辨率与物体距离之间的不匹配问题。下面是这段话的详细解释：

1. 场景描述：假设有一个包含上千个物体的大房间，每个物体都有纹理。这意味着场景是复杂且细节丰富的。

2. 纹理分辨率与距离的关系：在真实世界中，当我们观察远处的物体时，这些物体的细节会显得模糊，因为我们的眼睛无法分辨出远处的细微纹理。但在计算机图形学中，即使物体很远，如果给它们应用高分辨率的纹理，OpenGL仍然会尝试从这些高分辨率纹理中为每个片段（像素或屏幕上的一个小区域）获取颜色值。

3. OpenGL的困难：当远处的物体只占据屏幕上的很少片段时，OpenGL会遇到一个问题：如何从高分辨率纹理中准确地选择出代表这些远处片段的颜色值。因为每个片段可能覆盖了纹理上的很大一块区域，OpenGL需要决定使用纹理中的哪个具体点来代表这个片段的颜色。这可能导致颜色选择不准确，因为单个片段可能跨越了纹理上颜色变化很大的区域。

4. 视觉效果问题：由于上述原因，远处的物体可能会显得不真实。例如，一个远处的墙壁可能看起来像是由大块的不同颜色的色块组成，而不是一个平滑、统一的纹理。

5. 内存浪费：为远处的物体使用高分辨率纹理还会浪费内存资源。因为这些纹理需要大量的存储空间，而远处的物体由于屏幕空间有限，实际上并不需要这么高的分辨率来呈现。

简而言之，这段话指出了在使用OpenGL渲染复杂场景时，如果不对远处物体的纹理分辨率进行适当处理（比如通过降低纹理分辨率或使用某种形式的纹理映射技术，如mipmap），就可能会遇到视觉效果不佳和内存资源浪费的问题。

二、概念

针对上述问题，OpenGL使用一种叫做多级渐远纹理(Mipmap)的概念来解决这个问题。用于在游戏开发中优化性能。通过构建纹理金字塔，随着物体远离摄像机，使用低精度纹理降低显存带宽和渲染负担。虽然会额外占用33%的内存，但能显著提升渲染效率。

​在游戏开发的后期, 最头疼的时候莫过于优化游戏性能, 这其中对于加载资源时消耗的优化，用的最多的莫过于MipMap。

多级渐远纹理，简单来说就是一系列的纹理图像，后一个纹理图像是前一个的二分之一。多级渐远纹理背后的理念很简单：距观察者的距离超过一定的阈值，OpenGL会使用不同的多级渐远纹理，即最适合物体的距离的那个。由于距离远，解析度不高也不会被用户注意到。同时，多级渐远纹理另一加分之处是它的性能非常好。让我们看一下多级渐远纹理是什么样子的：

假设我们有一个正方形的纹理贴图，分辨率为512x512像素。该纹理贴图用于映射到一个距离相对远的平面上。它们旨在提高渲染速度并减少锯齿伪影。高分辨率 mipmap 图像用于高密度样本，例如靠近相机的物体；当物体看起来较远时，使用较低分辨率的图像。

在没有Mipmap的情况下，如果我们直接将512x512的纹理贴图映射到远处的平面上，由于远处的像素数量较少，会导致纹理缩小的情况。这可能会导致失真和锯齿效应。

现在，我们使用Mipmap来优化纹理过滤。根据Mipmap的原理，我们生成一系列不同分辨率的图像，每个级别是前一级别的一半分辨率。假设我们生成了以下级别的Mipmap纹理：

Level 0: 512x512
Level 1: 256x256
Level 2: 128x128
Level 3: 64x64
Level 4: 32x32
Level 5: 16x16
Level 6: 8x8
Level 7: 4x4
Level 8: 2x2
Level 9: 1x1

在渲染过程中，当我们将纹理映射到远处的平面上时，根据距离和像素数量，我们选择最接近所需分辨率的Mipmap级别进行插值。

假设远处的平面上每个像素区域相当于纹理上的4x4像素区域。在这种情况下，Level 7的分辨率是4x4，因此，应该使用Level 7的Mipmap级别进行插值计算，将Level 7的纹理映射到远处的每个像素上。

1、原理

• MipMap（mipmapping）多级渐远纹理技术，又被称为“纹理贴图金字塔”，其中 “mip” 是拉丁文 “multum in parvo” 的缩写，它的意思是 “在一个小空间中有许多东西”。

• 多级渐远纹理技术原理：提前用滤波（有兴趣的朋友Unity纹理贴图属性Filter Mode有介绍，这里不过多叙述）处理来得到很多更小的图像，形成一个图像金字塔，每一层都是对上一层降采样的结果。这样在实际运行时，就能快速得到结果像素。当物体远离摄像机时，可以直接使用较小的纹理（纹理质量稍差，模糊感较强），当物体靠近时适当替换较大纹理（纹理质量好，模糊感较少），以便给玩家呈现更精致的画面。

2、优缺点

• 优点

当物体远离时，无需高精度纹理展示时，则替换低精度纹理，降低了显存带宽，减少了渲染。

• 缺点

为了适配多场景（远近个不同的场景）提前生成八张精度不同的纹理，使用一定的空间用用于存储这些多级渐远纹理，通常会多占用33%的内存空间，典型的利用空间换取时间的办法。

三、常用函数

• glGenerateMipmaps

手工为每个纹理图像创建一系列多级渐远纹理很麻烦，幸好OpenGL有一个glGenerateMipmaps函数，在创建完一个纹理后调用它OpenGL就会承担接下来的所有工作了。

在渲染中切换多级渐远纹理级别(Level)时，OpenGL在两个不同级别的多级渐远纹理层之间会产生不真实的生硬边界。就像普通的纹理过滤一样，切换多级渐远纹理级别时你也可以在两个不同多级渐远纹理级别之间使用NEAREST和LINEAR过滤。为了指定不同多级渐远纹理级别之间的过滤方式，你可以使用下面四个选项中的一个代替原有的过滤方式：

过滤方式	描述
GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST	使用最邻近的多级渐远纹理来匹配像素大小，并使用邻近插值进行纹理采样
GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST	使用最邻近的多级渐远纹理级别，并使用线性插值进行采样
GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR	在两个最匹配像素大小的多级渐远纹理之间进行线性插值，使用邻近插值进行采样
GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR	在两个邻近的多级渐远纹理之间使用线性插值，并使用线性插值进行采样

就像纹理过滤一样，我们可以使用glTexParameteri将过滤方式设置为前面四种提到的方法之一：

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

一个常见的错误是，将放大过滤的选项设置为多级渐远纹理过滤选项之一。这样没有任何效果，因为多级渐远纹理主要是使用在纹理被缩小的情况下的：纹理放大不会使用多级渐远纹理，为放大过滤设置多级渐远纹理的选项会产生一个GL_INVALID_ENUM错误代码。

四、应用举例

使用前：

使用后：

推荐文章：

Unity优化技术-详细介绍MipMap技术原理以及实现_mipmap介绍-优快云博客

https://juejin.cn/post/7369620466397675570