【百人计划】图形3.5 纹理压缩的格式

笔记部分》

一、什么是纹理压缩格式（概念）

为了解决内存和带宽问题，在计算机图形渲染中(储存纹理)的一种图像压缩、优化技术。

二、为什么要进行纹理压缩？

对于低硬件设备和移动端，有两个问题需要解决。

①内存

假设有一张512*512的RGBA8图像，需要的储存空间为512*512*4b（一个像素4个字节），约等于1M，当游戏内贴图的数量过多，如果不进行压缩，对于移动端来说是难以接受的。

②带宽

在移动端这样内存带宽极度受限的平台上，每当渲染场景，大量贴图被传输给GPU，压缩纹理也能有效降低带宽的需求。

总结：压缩纹理是有效提升渲染效率的方法之一，但是压缩也是有损的，所以也需要在质量和大小之间做平衡。

三、区分图片格式和纹理格式

3.1、常见的格式

①常见的图片压缩格式：png，jpg，gif等

②常见的纹理压缩格式：DXTC，ETC，BC，ASTC（Texture Compression)等等；

3.2、两者的区别

①图片格式：计算机储存图片的格式。

对于图片压缩格式，GPU不能直接读取，需要CPU额外进行解压缩成RGBA32格式（所以无论什么图片格式经过CPU解压缩后都是RGBA)；且是基于整张图像进行压缩，因此不支持像素的随机访问。（不太可能为了访问某一个像素对整张图进行解码）

②纹理格式：是显卡能直接读取的格式。

对于纹理压缩格式，能被GPU直接读取对应大小的字节进行解压缩，因此可以高效的随机访问每一个像素。

3.3、总结

在实时渲染中，对于jpg，png这类图片压缩格式，解码代价高，且会增加额外的CPU工作。所以纹理压缩格式会更高效，在访问时会占用更少的带宽和内存。

四、常见的纹理压缩格式（详解）

4.1、DXTC

①核心思想：将4*4的像素块进行块状的压缩编码，每一块都储存两个颜色参考值/极端值，允许每个像素有2位/3位插值因子，在两个颜色值中进行插值。

（*颜色参考值为16位，RGB通道精度分别是565，查阅了资料后应该是基于“人眼对绿色更为敏感”这一特性。所以一些单通道贴图的组合会把精度做高的信息贴图放在G通道，像PBR金属工作流中的MRA）

②延伸

>DXT1 （6:1）

无Alpha通道。

>DXT2/3（4:1）

在DXT1的基础上，每块都有相同的64位数据编码，但每个像素都有额外的4位来储存Alpha通道，所以64+64=128位。Alpha通道不插值，直接储存数据。

>DXT4/5（4:1）在DXT1的基础上，每块都有相同的64位数据编码，不同的是，使用2个8位的单通道极端数值和额外每像素3位的索引值来储存Alpha。分别压缩，以获得更高的精度。64+2*8+3*16=128；

③优点：与RGB24相比，有着较高的的压缩率，且简化了解码过程。

④额外的Tips：

2/3，4/5的区别在于前者做了预乘，后者Alpha信息独立。

Unity中的DXTnrm，是基于DXT5的压缩方法，将R通道的值储存至A通道后，清空RB通道，这样利用精度最高的g通道和a通道，对法线的xy方向进行分别压缩，能获得更高的精度。

4.2、ATI1/2也被称为BC4/BC5

>BC4

和DXT5 Alpha通道的储存模式相同，使用2个8位的单通道极端数值和每像素3位的索引值来储存。只能储存单个颜色的通道，常用来从储存单通道的颜色信息贴图。Roughness，Ao，Mentalic贴图等。

>BC5

和DXT5 Alpha通道的储存模式相同，使用2个8位的单通道极端数值和每像素3位的索引值来储存。

4.3、BC6/BC7

>BC6 (6:1）

将4*4的像素进行块状编码，每块储存128位数据，（包含两个48位的浮点精度RBG值)，外加每个像素有2位索引表。常用于压缩HDR。

>BC7 (3:1）

大致同BC6，常用于压缩LDR。也用于压缩高质量的RGBA，可显著减少法线压缩带来的错误效果。

4.4、在移动端广泛应用的ETC

①核心思想：类似于DXT，ETC也是把4x4的像素块压缩成一个64或128位的数据块，也是有损压缩。

>ETC1（6:1)

将4*4的像素块进行块状编码，每块储存64位数据，将整块编码分为2个大的子快，每个子块包含一个基本色，和一个3位的修饰值索引表，进行叠加就可以确立最终解码值。（也叫修饰值也叫亮部补偿值)

>ETC2（6:1)

为ETC的扩展，支持Alpha通道。ETC2相比ETC1，会增大由于色度所产生误差的可能性。

4.5、ASTC（4:1~36:1)

①核心思想：同样是块状编码，类似于BC7，其数据块大小固定为128位。但覆盖的像素数量是可变的，从4*4到12*12像素都有。每一块中储存了两个插值端点，但不一定储存的是颜色信息，也有可能是Layer信息。这样就可以针对所储存的信息进行更好的压缩。而对于块中的每一个像素，储存其对应的插值。储存的权重数量不一定要和纹素数量对等。即分配了很多的可变的可配置数据。

②优点：会根据不同的纹理贴图类型选择不同压缩率的算法，且贴图大小不一定要为2次幂，支持LDR与HDR。

③缺点：对设备有硬性要求，不兼容。解码时间过长。（随着移动端硬件的发展，GPU越来越不会变成计算瓶颈。所以ASTC的应用正逐渐广泛）

4.6、PVRTC(6:1)

①核心思想：一般针对苹果机的设备，不同于上述DXTC，BC，ASTC这几类的基于块的算法，PVRTC将图像分为高频信号和低频信号。低频信号由两张低分辨率的图像A、B表示。（两张图在维度上都缩小了4倍），高频信号是全分辨率的低精度调制图像，记录了每个像素混合的权重，在解码时低频信号的两张图会放大，根据高频信号调制图像的权重做混合。

拿4-bpp举例，这个压缩方式把每个4*4像素压缩成块状编码，每块储存64位数据。包含15位颜色A+1位标识（标识是用ARGB还是用RGB通道储存），14位颜色B+1位标识。32位调制图像的混合权重值。

②缺点：只支持苹果设备和部分安卓，不兼容。

总结：如果平台不支持对应设置的纹理压缩格式，纹理将被解压缩为RGBA 32并与压缩格式一起存储在内存中。感觉具体使用哪种压缩方式还是取决于目标平台与纹理用法。同时，也要根据纹理的重要程度，是否大程度影响最终效果，考虑是否需要压缩，或使用哪种压缩格式。

四、总结

抄作业环节：

作业部分》

作业：打包测试ASTC和ETC2

因为untiy抽风打包apk出了问题，我这个只能先欠着了555（抹泪)

我就分析分析同学们打的包吧 233

大致整体压缩后的内存占比为

未经压缩后的RGBA > ASTC4*4 >ETC2 >ASTC6*6及以上。ASTC8*8的占用容量几乎达到ETC2的一半。

ASTC6*6的质量看起来是高于ETC2的，但逐渐往上走，到了8*8开始产生明显失真的情况。

因为现在ASTC似乎因为压缩后内存占用小，且效果几乎接近原图，和BC7的高质量接近，应用的比较广泛，所以额外拓展了一下ASTC：

ASTC的适配机型为ios iphone6以上，安卓为大部分。（所以ASTC是真的快取代ETC了吗 233）对于带Alpha通道的贴图，使用同等区块大小，压缩质量明显降低。所以在使用ASTC时，要检查贴图是否带有A通道以更好规划选择的压缩等级。一般来说，同样的贴图带A通道，需要往上走选择质量更好的压缩等级才能避免失真的情况。如果贴图类型为法线贴图，也需要更高的要求，一般选用ASTC5*5，更高精度也可用ASTC4*4。

ASTC的缺陷在于不适配部分GPU配置不行的机型，且压缩时间过长。不过因为应用广泛各个厂商都在推，之后兼容性因该会越来越好，压缩时间过长的问题也可以用分布式解决。

ps：似乎法线贴图也不用强求ASTC，有时候ETC2的结果会更好。

对于纹理压缩格式，如果机型不适配或者贴图大小不符合对应的压缩格式规定，Unity会默认更改为sRGB。