纹理压缩

为什么用固定码率块压缩

• 例：未压缩 3 字节/纹素、512² 纹理占 768 kB；6:1 压缩时 1024² 纹理只占 512 kB。
• JPEG、PNG 在硬件中解码代价高。S3TC（DirectX 叫 DXTC，DX10 起叫 BC）压缩结果大小固定、各块独立编码、无共享查找表，解码简单快速。
• 所有 BC 格式都对 4×4 纹素块编码：每个量存两个参考值，每个纹素存一个插值因子，在两参考值之间的线上取值。

BC 格式

• BC1 的 2 位索引选择两个参考色或两个中间值；另一种 DXT1 模式保留一个值表示透明像素。
• OpenGL 中 BC6H、BC7 叫 BPTC FLOAT 和 BPTC。也可用于立方体和体积纹理。
• 缺点：有损；BC1–BC5 一个块里的颜色都在 RGB 空间的一条直线上，例如红、绿、蓝无法同时出现在一个块里。BC6H、BC7 支持多条线，质量更高。

移动平台格式

• ETC（OpenGL ES）：4×4 块 64 位，每 2×4 或 4×2 子块存基础色，从小型静态表中选四个常量，每纹素选一个加到亮度上；质量与 DXTC 相当。
• ETC2（OpenGL ES 3.0）：利用"无用位组合"（如差分编码溢出的情况）增加新模式：两种四色模式和一种 RGB 平面模式（处理平滑过渡）。EAC 压缩单通道，4 bpt，可与 ETC2 组合，两个 EAC 通道可压法线。ETC1/ETC2/EAC 属于 OpenGL 4.0 core、OpenGL ES 3.0、Vulkan 和 Metal。
• PVRTC：PowerVR 硬件（主要是 iPhone、iPad），2 或 4 bpt，用相邻块插值出两个低频信号，每纹素 1–2 位在两者间插值。
• ASTC：n×m 块压成 128 位，块大小 4×4 到 12×12，码率 0.89–8 bpt；每块可选线数与端点编码，支持 1–4 通道、LDR 和 HDR；属于 OpenGL ES 3.2 及以后。

法线贴图压缩

• 为 RGB 设计的格式通常不适合法线。利用单位长度且（切线空间中）z 为正，只存 x、y，运行时 $n_z=\sqrt{1-n_x^2-n_y^2}$；多数 GPU 不原生支持三通道纹理，这样也不浪费通道。
• 再用 BC5/3Dc 存 x、y：每块参考值构成 xy 平面上的包围盒，3 位插值因子把它分成 8×8 的候选法线网格。也可用两个 EAC 通道。
• 不支持 BC5/EAC 时的常见退路：DXT5 的 green 和 alpha 通道（精度最高）存两个分量。

压缩不对称与质量技巧

• 花几秒甚至几分钟压缩可显著提高质量，通常离线完成；也可只花几毫秒近实时压缩，例如每隔一两秒重新生成的天空盒。解压由固定功能硬件完成，极快——数据压缩不对称。
• Kaplanyan 的建议：颜色和法线贴图都以每分量 16 位制作；颜色纹理做直方图重归一化后压缩，在着色器里用每纹理的缩放和偏移还原，可减少色带；若 75% 像素高于 116/255 就用线性空间存，否则用 sRGB；BC5 对 x、y 独立压缩不一定找到最佳法线，建议用角度误差 $e=\arccos\frac{\mathbf{n}\cdot\mathbf{n}_c}{\|\mathbf{n}\|\|\mathbf{n}_c\|}$ 作为度量。
• 在 YCoCg 空间压缩：正变换和逆变换（几次加法）都是线性的，硬件可直接在 YCoCg 空间过滤；有损版本之外还有用移位实现的可逆版本（Co、Cg 需多 1 位）。Van Waveren 和 Castaño 用它实现 CPU/GPU 上的快速 DXT5 压缩：Y 放 alpha 通道（精度最高），Co、Cg 放前两个通道。CPU 生成的纹理最好在 CPU 压缩，GPU 渲染出的纹理最好在 GPU 压缩。
• 色度通常变化缓慢，可在 2×2 像素上平均以省 50%；也有转 HSV 后把色相和饱和度各降采样 4 倍的做法。
• 研究表明，模型上叠加多张纹理并使用复杂着色模型时，纹理质量常可降低而察觉不到差异。

GEA 的视角：S3TC/BCn 与特性级别（卷 II 11.3.14.4、11.4.5.3）

• 磁盘上的纹理可以是任何引擎能读的格式（TGA、PNG、BMP、TIFF 等）；内存中通常是二维（带跨距）像素数组，格式如 RGB888、RGBA8888、RGB565、RGBA5551（卷 II 11.3.14.4）。
• DirectX 支持 S3 纹理压缩 (S3TC) 家族，也叫 DXTn 或 BCn（Block Compression）。基本思路：把纹理分成 4×4 像素块，每块用一个小调色板存颜色。
  • 订正：严格说 S3TC 只指 S3 Graphics 1998 年的 DXT1–DXT5，对应 BC1–BC3；BC4/BC5（源自 ATI 的 3Dc）和 BC6H/BC7（D3D11 新增）不属于 S3TC，只是同属 BCn 块压缩家族；BC6H、BC7 也不再是"小调色板"那么简单，而是多分区、多模式的端点插值（MS Learn "Texture Block Compression in Direct3D 11"；Wikipedia "S3 Texture Compression"）。
• 压缩纹理反而更快：4×4 相邻像素存在一个 64 位或 128 位机器字里，访存模式更利于缓存，而且缓存能装下更多纹理。代价是压缩伪影，通常不明显，但有些场合必须用未压缩纹理。
• 按特性级别的支持（卷 II 11.4.5.3）：BC1–BC3 所有特性级别（DirectX 9 及以上）都支持；BC4、BC5 从 10_0 起；BC6H、BC7 从 11_0 起。特性级别见 图形 API 设备、管线状态与资源。

这些与本页「BC 格式」中 RTR4 的内容一致，GEA 的介绍更简略，没有涉及移动端格式和法线贴图压缩。