纹理压缩简介 DXT PVR ETC

古城微笑少年丶 2023-07-17 14:25 18阅读 0赞

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在软件开发，特别是三维应用中，纹理随处可见，但受限于网络环境[https://www.jianshu.com/p/a0d7eed9f44d][https_www.jianshu.com_p_a0d7eed9f44d]和硬件能力，纹理也是一大瓶颈。而且在一般的三维应用中，纹理所占大小基本都会在1/2以上，模型中往往超过2/3。或许你会说，纹理不就是一张图吗，有那么重要吗？如下两张对比图，可能你会认为前者逼格高，但对于正常人而言，后者显然要好很多。正是有了纹理，如同在骨架上赋予了皮肤，让我们的应用更加的逼真，贴近现实。

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而你能想象到吗？如上的模型一共有三张纹理，其中之一效果如下：

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看上去怪怪的。其实在纹理的压缩中，人们先想到了如何去除冗余信息，对称的部分只保留一份，尽可能让不同的部分紧凑，充分利用好每一个像素来保存有效数据。得益于对称在大自然中的普遍性，这种方式确实极大的减少了纹理像素。

纹理的拼接是纹理压缩的开始，采用不同的压缩方式对纹理最终的大小影响也是显著的。比如上面的这张纹理在不同压缩格式下的大小差别也是非常显著的（原始文件为tga格式，通过Photoshop转换为其他格式，默认选项）：

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如果按照上面表格的逻辑，用jpg或png格式就好了，无损压缩，而且也是最小的。(注:原作者在评论中承认笔误，jpg实际上是有损压缩)

确实在很多情况下这是一个比较好的选择，比如网络带宽有限，这样可以很好的节约带宽和下载时间，而Bmp，tga，png以及jpg都是无损格式。但这类压缩存在一个致命缺陷，他们都是基于整幅图片下进行的压缩，比如霍夫曼编码等，这样像素和像素之间在解码的过程中存在依赖关系，无法直接实现单个像素级别的解析，这就发挥不了显卡的并发能力，更重要的是问题在于无论是png还是jpeg最终在显存中解码后都是RGBA的纹理格式，因此并无法减少显存的占用率。比如一张256*256的RGBA纹理，无论是png还是jpg格式，虽然文件大小不一样，在显卡中的大小仍然是256*256\*4的显存空间。

不同于png、jgp这种硬盘压缩方式而言，DXT,ETC等纹理压缩方式可以在游戏运行中无需CPU解压就被GPU直接采样，可以极大的减少内存和带宽的占用，提升运行效率，对移动游戏而言更是如此。

### 1.DXT ###

DXT是一种有损纹理压缩算法，微软的Direct中支持，DXT的格式包括DXT1~DXT5，其中DXT1和DXT5较为多见，后面会做详细讨论。可以说DXT是目前应用最广泛的纹理压缩格式，可以认为所有的PC端显卡都支持DXT压缩，维基百科记录，该专利有效期到2017年10月2号。

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DXT算法非常容易理解，而且整体看上去效果不错，但如果对局部特写，会发现在细节上会有很多丢失，这也是算法本身导致的，毕竟每个块只有两个颜色，而其他颜色都是在这两个颜色区间的差值，如果当前区域内还有其他显著颜色则必然会有丢失。

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这种信息的丢失主要集中在比较细的边界中，但DXT1在压缩率上是RGB的6倍，这种问题可以通过提高纹理分辨率的方式来解决，高宽放大41%(1.41\*1.41=1.9881)，这样整个纹理是以前的2倍，但压缩率还能保持为3倍，也是可以接受的。在DXT中还有一个主要的损失，就是RGB的24位转为了16位颜色，16位中R&B各占5位，但是G占了6位，这是因为人眼对绿色最为敏感。

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另外一个问题就是DXT3和DXT5之间的对比，相比DXT1不支持透明度（但支持是否透明），DXT5要大一倍（多了64bit），和之前颜色保存方案一样对透明度也保存了两个16位的颜色和对应的调色板，对RGBA的效果也得到了保证，但DXT3思路不一样，它是对每一个像素保存了4bit的透明度，同样也是多了64bit，但此时毕竟只有16个透明度选项，相比DXT5，在压缩率上相当，但对透明色的处理不够细腻，因此在实用性上并不推荐DXT3。

尽管DXT在细节上有明显硬伤，在总体效果不错，而且确实是一种强大的压缩方式，所以在多数纹理压缩选择中都是最佳方案，几乎可以认为是PC下的标准压缩格式。

### 2.PVR&ETC ###

**也许是出于专利和商业角度，也许确实DXT在移动端确实无法满足要求，DXT并没有在移动端得到很大的支持，相反，在iOS设备中支持的是PVR压缩，在Android中支持的是ETC压缩。**

DXT在细节上缺陷明显，最重要的原因是当把纹理分为4\*4像素的区域块后，每个块之间都是独立的，尽管这极大的简化了压缩算法，但却丢失了相邻块之间这种普遍的相似性。这是算法本身导致的，而PVR则会考虑该区域块对应的右侧，下侧和右下侧的三个区域块的关联性。

从现实的角度来看，受制于专利和硬件厂商，我们并没太多选择的余地，Android下就要用ETC，iOS下只能PVR，而在PC上不用DXT估计就要被嘲讽了。但这也是一个很棘手的问题，比如在WebGL下，特别是Android下差异化很大，是否支持纹理压缩，甚至在同一个设备不同的浏览器，因为驱动的不一致，可能系统自带的会支持ETC压缩，而微信等QQ浏览器下并不支持。而且华为的手机貌似在浏览器级别下都不支持ETC（硬件支持，还是驱动的问题）。而如果在移动设备上不用压缩，显存是有限的，除非你在数据量上做出牺牲，怎么解决都很矛盾，相比而言，iOS下则要舒服很多。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>格式</th> 
   <th>压缩比</th> 
   <th>GPU支持</th> 
   <th>描述</th> 
   <th>图片要求</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>DXT</td> 
   <td>DXT1：0.3/DXT5:0.6</td> 
   <td>Windows\Android(Nvidia Tegra and Intel Bay Trail)</td> 
   <td>分为DXT1-DXT5这五个级别，DXT1 适用于不具有透明度或者仅具有一位Alpha的贴图，DXT3和DX5支持包含4位alpha通道的RGB纹理</td> 
   <td>无</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ATC RGBA/RGB</td> 
   <td>RGBA:0.25/RGB:0.125</td> 
   <td>Qualcomm -Adreno</td> 
   <td>高通GPU支持格式，支持带有Alpha的RGB纹理压缩。</td> 
   <td>无</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PVRTC RGBA/RGB</td> 
   <td>2bit:0.125/4bit:0.25</td> 
   <td>PowerVR</td> 
   <td>IOS平台都支持,支持每个像素2位或者4位的纹理，包含或者不包含alpha通道都可以；PVRTC 2-bpp把一个8×4的像素单元组压成一个64位的数据块，压缩效果比较差；PVRTC 4-bpp把一个4×4的像素单元组压成一个64位的数据块。游戏中使用4位压缩更多。</td> 
   <td>尺寸为2的N次幂，并且宽高相同。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ETC1 RGB 4Bit</td> 
   <td>0.125</td> 
   <td>支持Opnegl ES2.0的GPU</td> 
   <td>OpenGL ES2.0版本支持，移动GPU均支持的一个格式，遗憾的是不支持Alpha通道。ETC1把一个4x4的像素单元组压成一个64位的数据块。游戏开发中采用最多的格式，不过麻烦的是需要对Alpha通道进行单独存储，Unity5.4.3版本之后提供了官方支持</td> 
   <td>尺寸为2的N次幂，长宽可不同</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ETC2 ARGB/RGB 4bit</td> 
   <td>RGBA:0.25/RGB:0.125</td> 
   <td>支持Opnegl ES3.0的GPU</td> 
   <td>OpenGL ES 3.0以上才支持，补全了ETC1不支持Alpha通道,支持更高质量的压缩。虽然如此，从<a href="https://developer.android.com/about/dashboards/index.html#Screens" rel="nofollow">Android官方数据</a>来看，还有相当大的设备是采用Opengl ES2.0；使用需要谨慎，不过随着设备更新换代，开发时间周期比较长的游戏可以考虑直接使用</td> 
   <td>尺寸为4的倍数</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

Unity官网对每个平台默认的纹理压缩格式以及使用建议给出了[详细描述][Link 1]，需要注意的是：在不同移动GPU平台下选择GPU支持的压缩纹理，就可以在不需要CPU解压的情况下直接被GPU采样，节省CPU内存和带宽，也可以节省存储的体积。

**如果目标平台不支持设置的压缩格式，纹理将解压为RGBA32或者RGB24，浪费CPU时间和内存**。

[https_www.jianshu.com_p_a0d7eed9f44d]: https://www.jianshu.com/p/a0d7eed9f44d
[format_png]: /images/20230528/23254ec46b124f60b5add1c0e04589ed.png
[format_png 1]: /images/20230528/ed76b5f86188495c8b1bce5078a89dba.png
[format_png 2]: /images/20230528/8be1cc5fcab54612b01814c1abde7b15.png
[format_png 3]: /images/20230528/62b8a63397f54c58a267ea7fa22a6acc.png
[format_png 4]: /images/20230528/f4d619d5c88a4534ba5f93a18b3acb3f.png
[format_png 5]: /images/20230528/f2ba229eed73479aa068f7f33002e670.png
[Link 1]: https://docs.unity3d.com/Manual/class-TextureImporterOverride.html