作者：Ben Anuworakarn

導(dǎo)語：本文作者Ben Anuworakarn 是PowerVR 開發(fā)技術(shù)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)作者，具有計(jì)算科學(xué)工程知識(shí)背景。文中，他針對(duì)移動(dòng)端游戲畫面的優(yōu)化，介紹了圖像紋理處理、Mipmapping以及滲色等相關(guān)技術(shù)。同時(shí)，通過充分利用PVRTexTool的優(yōu)勢(shì)，游戲開發(fā)者將更輕松地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端高質(zhì)量游戲畫面。

一直以來，探索PVRTexTool和紋理貼圖的使用，是低成本優(yōu)化、提升游戲視覺效果的關(guān)鍵技術(shù)。通過將表面細(xì)節(jié)保存為2D圖像即可實(shí)現(xiàn)，而且可以輕松的從內(nèi)存中加載該2D圖像，并應(yīng)用于任何對(duì)象。自《毀滅戰(zhàn)士》和《毀滅公爵》發(fā)布以來，沉浸感和圖形質(zhì)量一直是游戲開發(fā)重中之重。逼真的風(fēng)景和高度細(xì)節(jié)化的墻壁，使這些游戲從屏幕展示的畫面變成可身臨其境的3D世界，讓玩家能夠沉浸其中。而現(xiàn)在，通過紋理貼圖便可輕松的實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

多年來芯片的功能已經(jīng)大大提高，尤其是GPU，讓我們能夠在屏幕上一次性存儲(chǔ)和顯示更多的信息。玩家對(duì)游戲畫質(zhì)的期望越來越高，而紋理貼圖由于功耗較小、可進(jìn)行日常畫質(zhì)處理，是以一直提升游戲畫面質(zhì)量和細(xì)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。這是使移動(dòng)端游戲達(dá)到與PC端游戲同等畫面質(zhì)量的核心要素。

為何紋理處理如此重要？

從內(nèi)存中加載圖像文件，然后將其轉(zhuǎn)換并應(yīng)用于3D模型，這在計(jì)算上是一項(xiàng)很簡(jiǎn)單的任務(wù)。但是當(dāng)需要一次渲染多個(gè)表面和紋理時(shí)，紋理的預(yù)優(yōu)化處理不僅可以提高運(yùn)行效率，還可以避免渲染產(chǎn)生的意外錯(cuò)誤。這為開發(fā)人員和圖形設(shè)計(jì)人員提供了額外的的安全保障以確保流暢的游戲體驗(yàn)。

在本文中我們將研究游戲開發(fā)行業(yè)中常用的三種技術(shù)，以及它們?nèi)绾文軌蝻@著提高游戲的圖形質(zhì)量，或減少開發(fā)一款可靠產(chǎn)品所需的工作量。

Mipmapping——輕松抗鋸齒

對(duì)任何游戲開發(fā)人員而言，所有工作未保存或丟失大概是最可悲的情況。遺憾的是，開發(fā)者幾乎無法控制屏幕顯示的內(nèi)容，以及它們的伸縮尺寸，這意味著通常紋理很少能夠以設(shè)計(jì)時(shí)的尺寸顯示。任何圖像過度拉伸或收縮都可能導(dǎo)致失真或細(xì)節(jié)丟失。根據(jù)圖像格式和圖形引擎本身，提供的解決方案要么不太有效，要么根本沒有幫助。放大圖像時(shí)可以引入稍微更智能的系統(tǒng)，但是縮小幾乎總是會(huì)刪除特征或細(xì)節(jié)。在某些極端情況下，錯(cuò)誤的紋理縮放會(huì)導(dǎo)致混疊：由于采樣和錯(cuò)誤細(xì)節(jié)的復(fù)制而導(dǎo)致的圖案失真。

Mipmap是正確縮放圖像的技術(shù)，這些圖像事先進(jìn)行了優(yōu)化和計(jì)算。這個(gè)想法是通過在一個(gè)地方以不同的分辨率采集相同的紋理，使紋理對(duì)應(yīng)屏幕上像素的過程中避免不必要的計(jì)算。這也有助于在較低分辨率下保持細(xì)節(jié)外表，否則自動(dòng)計(jì)算會(huì)丟失這些細(xì)節(jié)。由于信息是預(yù)先分配的，因此Mipmap確實(shí)會(huì)占用磁盤上的更多內(nèi)存開銷——最多只增加33%。這是因?yàn)閙ipmap中的每個(gè)后續(xù)級(jí)別的大小是前一級(jí)別的一半，因此每個(gè)級(jí)別的大小是前一個(gè)級(jí)別的四分之一。作為交換小對(duì)象所需的計(jì)算級(jí)別下降，因?yàn)檩^小的mipmap級(jí)別通常與到相機(jī)的距離有關(guān)。不僅如此雖然內(nèi)存存儲(chǔ)開銷增加了，但是帶寬的使用率卻下降了，因?yàn)椴皇敲看味极@取完整的紋理數(shù)據(jù)，而是可以訪問較低分辨率的數(shù)據(jù)。這有利于減少緩存丟失，因?yàn)檩^小的紋理更可能適合緩存。圖像質(zhì)量也得到了改善，尤其是當(dāng)紋理趨向于地平線時(shí)，否則會(huì)開始出現(xiàn)波紋圖案（由稍微不同的線性圖案引起的干涉效果）。

滲色——消除透明度問題

對(duì)于圖形美工來說，最大的挑戰(zhàn)之一是預(yù)估在哪里使用紋理。由于Alpha通道在基本RGB顏色信息的基礎(chǔ)上提供了一層透明度信息，當(dāng)在屏幕上渲染紋理時(shí)通常會(huì)對(duì)其進(jìn)行過濾和處理。這通常意味著在美工繪制紋理時(shí)即使像素由于Alpha圖層顯示為透明，該像素仍將具有需要處理的RGB值。當(dāng)由于縮放、移動(dòng)或光柵化而必須采樣紋理而不是直接顯示紋理時(shí)，可以通過插值將多個(gè)紋理像素的RGB值組合在一起以生成屏幕上像素的值。在應(yīng)用Alpha之前，紋理圖像的這些透明部分RGB值已包含在周圍區(qū)域計(jì)算中，這會(huì)導(dǎo)致他們的“背景色”通過Alpha混合“滲入”到周圍區(qū)域。

以下方程式顯示了如何在多個(gè)紋理上進(jìn)行紋理采樣的粗略近似值，其中Ω是紋理的權(quán)重，而RGBA是一維矩陣，表示該位置處紋理RGBA值。

下一個(gè)方程式顯示了Alpha混合方程式以及其他透明像素的RGB值如何計(jì)入屏幕輸出。

常見的解決方案是讓美工將其圖像的顏色擴(kuò)展到邊框之外并進(jìn)入透明區(qū)域。從技術(shù)上講，這也是滲色現(xiàn)象，因此肯定是“撲朔迷離”的情況！這依舊有效的原因是，即使像素在執(zhí)行過程中最終滲入周圍區(qū)域時(shí)，Alpha通道仍被認(rèn)為是透明的，但至少會(huì)滲出與基礎(chǔ)圖像相同的顏色，從而使周圍區(qū)域具有適當(dāng)?shù)念伾?。例如，如果你的紋理是一棵樹，則大多數(shù)透明度都應(yīng)具有很深的綠色值，這樣葉子周圍的區(qū)域在混合渲染過程中便會(huì)產(chǎn)生綠色的效果（給人一種運(yùn)動(dòng)幻覺的感覺），或者葉子周圍有種模糊的“光環(huán)”。例如，如果在白天顯示這棵樹，你用藍(lán)色值將其包裹，這是毫無意義的，因?yàn)闃湓谝归g顯示時(shí)，會(huì)在葉子上留下青綠色或青色的邊緣。

下面斯坦福大學(xué)演講用到的幻燈片很好的突出了這個(gè)問題。

預(yù)乘Alpha值——簡(jiǎn)化計(jì)算

如今大多數(shù)圖像由多層組成并且包含許多復(fù)雜的顏色信息。對(duì)于簡(jiǎn)單的紋理可以更輕松地將RGB數(shù)據(jù)與Alpha分開。如上所述Alpha通道通常被單獨(dú)應(yīng)用并且圖像通常保留一些RGB信息。作為程序員，以預(yù)乘的形式存儲(chǔ)紋理數(shù)據(jù)比依賴美工正確的滲出顏色要安全得多。

你不僅可以通過除以Alpha來返回原始圖像數(shù)據(jù)，而且還可以確保紋理中的每個(gè)值都應(yīng)用了一個(gè)消光層，從而可以將其排除在計(jì)算之外。預(yù)乘Alpha還可以在管道中更早的獲得更多好處，例如使其更易于生成mipmap鏈或?qū)⒍鄠€(gè)半透明圖像復(fù)合在一起。最后由于Alpha函數(shù)不再需要執(zhí)行一組額外的矩陣乘法運(yùn)算，所以預(yù)乘Alpha還減少了我們?cè)谶\(yùn)行時(shí)需要執(zhí)行的計(jì)算量。現(xiàn)在Alpha混合方程式變?yōu)椋?/p>

我們還可以確保因?yàn)锳lpha值為零，所以透明區(qū)域現(xiàn)在只有黑色RGB值，這意味著它們不會(huì)影響最終輸出。

PVRTexTool可提供怎樣的方案？

Imagination為開發(fā)人員提供的PVRTexTool是PowerVR SDK和開發(fā)工具的一部分，可為開發(fā)人員優(yōu)化應(yīng)用程序使其能夠在PowerVR架構(gòu)上運(yùn)行。盡管本質(zhì)上不是很難的技術(shù)，但用戶讓該技術(shù)變得無價(jià)。

PVRTexTool的優(yōu)勢(shì)之一是它可以簡(jiǎn)單直接的提供上述所有功能。借助可用于實(shí)時(shí)可視化的GUI以及自動(dòng)化批處理的命令行界面，PVRTexTool允許程序員和美術(shù)人員都能夠提前準(zhǔn)備紋理資源。

PVRTexTool使用.pvr文件格式（PowerVR專用的文件擴(kuò)展名，使用PVRTC提供令人難以置信的紋理壓縮功能），還支持多種其他文件類型，包括但不限于.ktx、.dds、.png、.tga等。我們還為一些流行的圖像編輯軟件開發(fā)了一些插件，例如Autodesk Maya和Adobe Photoshop，以便能夠使用我們的PVRTC格式。當(dāng)然PVRTexTool本身還支持各種圖形API的大多數(shù)常見紋理格式，例如Vulkan和OpenGL ES以及通過PVRTC、ASTC和ETC輸出的紋理壓縮和編碼。PVRTexTool將所有各種工具和組件整合在一起，可以進(jìn)行多種不同的優(yōu)化和編碼操作。

PVRTexTool的優(yōu)勢(shì)不止于此——它還具有其他非常有用的功能，例如但不限于：

• 法線貼圖生成
• 字體到紋理的優(yōu)化
• 紋理數(shù)組生成

上手試試吧！

最好的學(xué)習(xí)方法是實(shí)踐，快來上手試試吧！PVRTexTool包含在我們的SDK中，用戶手冊(cè)和其他相關(guān)指南可登陸官網(wǎng)查看及下載。

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