纹理基础知识和过滤模式详解

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1. 为什么在纹理采样时候需要 texture filter (纹理过滤)

我们的纹理要贴到三维图形表面,而三维图形上的pixel中心与纹理上的texel中心并不一致(pixel不一定对应texture上的采样中心texel).大小也不一定一致.

当纹理大于三维图形表面时,导致一个像素被映射到许多纹理像素上.
当纹理小于三维图形表面时,导致许多个像素都映射到相同纹理.
当这些情况发生时,贴图就会发生模糊或者发生错误.要解决此类问题.必须通过技术平滑texel和pixel之间的对应关系.这种技术叫做纹理滤波.

不同的过滤模式,计算复杂度不一样.会得到不同的效果.
过滤模式由简单到复杂包括:

最近邻插值采样 (Nearest Point Samplir)
双线性过滤 (Bilinear)
三线性插值 (Trilinear)
各向异性过滤 (Anisotropic Filtering)

在了解这些之前,有必要先了解什么是 多级纹理贴图 (MipMap) 和什么是 各向同性 和 各向异性 .

2. 什么是 `MipMap` ?

Mipmap由Lance Williams 在1983的一篇文章“Pyramidal parametrics”中提出。Wiki中有很详细的介绍(http://en.wikipedia.org/wiki/Mipmap ) .

比如一张256X256的图，在长和宽方向每次减少一倍，生成：128X128,64X64,32X32,16X16,8X8,4X4,2X2,1X1，八张图，组成MipMap.

Mipmap 早被硬件支持. 硬件会自动为创建的 Texture 生成 Mipmap 的各级.

在D3D的API：CreateTexture中有一个参数levels，就是用于指定生成mipmap到哪个级别，当不指定时就一直生成到1X1

3. 什么是各向同性和各向异性 ?

各向同性 : 当需要贴图的三维表面平行于屏幕, 则是各向同性的.
各向异性 : 当要贴图的三维表面与屏幕有一定角度的倾斜,则是各向异性的.

也可以这样理解，当一个texture贴到三维表面上从Camera看来没有变形，投射到屏幕空间中后U方向和V方向比例仍然是一样的，便可以理解成各向同性。反之则认为是各向异性。

4. Nearest Point Sampling（最近点采样）

这个最简单，每个像素的纹理坐标，并不是刚好对应Texture上的一个采样点texel，怎么办呢？最近点采样取最接近的texel进行采样。

纹理的大小与贴图的三维图形的大小差不多时，这种方法非常有效和快捷。如果大小不同，纹理就需要进行放大或缩小，这样，结果就会变得矮胖、变形或模糊。

5. Bilinear（双线性过滤）

双线性过滤以pixel对应的纹理坐标为中心，采该纹理坐标周围4个texel的像素，再取平均，以平均值作为采样值。

双线性过滤像素之间的过渡更加平滑，但是它只作用于一个MipMap Level 它选取texel和pixel之间大小最接近的那一层MipMap进行采样。
当和pixel大小匹配的texel大小在两层Mipmap level之间时，双线性过滤在有些情况效果就不太好。于是就有了三线性过滤。

6. Trilinear（三线性过滤）

三线性过滤以双线性过滤为基础。

会对pixel大小与texel大小最接近的两层Mipmap level分别进行双线性过滤
然后再对两层得到的结果进生线性插值。

三线性过滤在一般情况下效果非常理想了。

但是到目前为止，我们均是假设是texture投射到屏幕空间是各向同性的。
但是当各向异性的情况时，效果仍然不理想，于是产生了Anisotropic Filtering（各向异性过滤）。

7. Anisotropic Filtering（各向异性过滤）

先看效果，左边的图采用三线性过滤，右边的图采用各向异性过滤。

各向同性的过滤在采样的时候，是对 正方形区域 里行采样。
各向异性过滤 把纹理与屏幕空间的角度 这个因素考虑进去。
- 简单地说，它会考虑一个pixel(x:y=1:1)对应到纹理空间中在u和v方向上u和v的比例关系，
- 当u:v不是1:1时，将会按比例在各方向上采样不同数量的点来计算最终的结果(这时采样就有可能是长方形区域)。

一般指的 Anisotropic Filtering(AF) 均是基于三线过滤的Anisotropic Filtering，因此当u:v不为1:1时，则Anisotropic Filtering比Trilinear需要采样更多的点，具体要采多少，取决于是多少X的AF,现在的显卡最多技持到16X AF。

8. 各过滤模式性能比较

下表是各种过滤模式 采一个pixel需要sample的次数：
一般而言，采样数越多，效果最好，但具体使用时要综合考虑性能。

过滤模式	采样数
Nearest Point Sampling	1
Bilinear	4
Trilinear	8
Anisotropic Filtering 4X	32
Anisotropic Filtering 16X	128