各种移动GPU压缩纹理的使用方法

介绍了各种移动设备所使用的GPU，以及各个GPU所支持的压缩纹理的格式和使用方法。

1. 移动GPU大全

目前移动市场的GPU主要有四大厂商系列：

1）Imagination Technologies的PowerVR SGX系列

代表型号：PowerVR SGX 535、PowerVR SGX 540、PowerVR SGX 543MP、PowerVR SGX 554MP等
代表作：Apple iPhone全系、iPad全系，三星I9000、P3100等

2）Qualcomm(高通)的Adreno系列

代表型号：Adreno 200、Adreno 205、Adreno 220、Adreno 320等
代表作：HTC G10、G14，小米1、2等

3）ARM的Mali系列

代表型号：Mali-400、Mali-T604等
代表作：三星Galaxy SII、Galaxy SIII、Galaxy Note1、Galaxy Note2(亚版)等

4）nVIDIA(英伟达)的Tegra系列

代表型号：nVIDIA Tegra2、nVIDIA Tegra3等
代表作：Google Nexus 7，HTC One X等

2. 压缩纹理的必要性

1）首先要说一下图像文件格式和纹理格式的区别。
常用的图像文件格式有BMP，TGA，JPG，GIF，PNG等；
常用的纹理格式有R5G6B5，A4R4G4B4，A1R5G5B5，R8G8B8, A8R8G8B8等。

文件格式是图像为了存储信息而使用的对信息的特殊编码方式，它存储在磁盘中，或者内存中，但是并不能被GPU所识别，因为以向量计算见长的GPU对于这些复杂的计算无能为力。这些文件格式当被游戏读入后，还是需要经过CPU解压成R5G6B5，A4R4G4B4，A1R5G5B5，R8G8B8, A8R8G8B8等像素格式，再传送到GPU端进行使用。
纹理格式是能被GPU所识别的像素格式，能被快速寻址并采样。
举个例子，DDS文件是游戏开发中常用的文件格式，它内部可以包含A4R4G4B4的纹理格式，也可以包含A8R8G8B8的纹理格式，甚至可以包含DXT1的纹理格式。在这里DDS文件有点容器的意味。

OpenGL ES 2.0支持以上提到的R5G6B5，A4R4G4B4，A1R5G5B5，R8G8B8，A8R8G8B8等纹理格式，其中 R5G6B5，A4R4G4B4，A1R5G5B5每个像素占用2个字节(BYTE)，R8G8B8每个像素占用3个字节，A8R8G8B8每个像素占用 4个字节。

对于一张512512的纹理的话，R5G6B5格式的文件需要占用512KB的容量，A8R8G8B8格式的文件需要占用1MB的容量；如果是10241024的纹理，则各需要2M和4M的容量，这对于动辄需要几十、几百张甚至更多纹理的游戏，上G容量的游戏在移动平台上是不容易被接受的(当然，还是有1、2G的大作的，里面包含了几千张的纹理)。

聪明的设计师们在想，有没有其他办法，既能表现丰富的色彩和细节，又能是最小失真的情况下，达到更小的纹理容量呢。压缩纹理格式应运而生(当然，并不是在移动平台后才有的产物)。

3. 常见的压缩纹理格式

基于OpenGL ES的压缩纹理有常见的如下几种实现：
1）ETC1（Ericsson texture compression)
2）PVRTC (PowerVR texture compression)
3）ATITC (ATI texture compression)
4）S3TC (S3 texture compression)

ETC1

ETC1格式是OpenGL ES图形标准的一部分，并且被所有的Android设备所支持。
扩展名为: GL_OES_compressed_ETC1_RGB8_texture，不支持透明通道，所以仅能用于不透明纹理。
当加载压缩纹理时，参数支持如下格式： GL_ETC1_RGB8_OES(RGB，每个像素0.5个字节)

PVRTC

支持的GPU为Imagination Technologies的PowerVR SGX系列。
OpenGL ES的扩展名为: GL_IMG_texture_compression_pvrtc。
当加载压缩纹理时，参数支持如下几种格式： GL_COMPRESSED_RGB_PVRTC_4BPPV1_IMG (RGB，每个像素0.5个字节) GL_COMPRESSED_RGB_PVRTC_2BPPV1_IMG (RGB，每个像素0.25个字节) GL_COMPRESSED_RGBA_PVRTC_4BPPV1_IMG (RGBA，每个像素0.5个字节) GL_COMPRESSED_RGBA_PVRTC_2BPPV1_IMG (RGBA，每个像素0.25个字节)

ATITC

支持的GPU为Qualcomm的Adreno系列。
支持的OpenGL ES扩展名为: GL_ATI_texture_compression_atitc。
当加载压缩纹理时，参数支持如下类型的纹理： GL_ATC_RGB_AMD (RGB，每个像素0.5个字节) GL_ATC_RGBA_EXPLICIT_ALPHA_AMD (RGBA，每个像素1个字节) GL_ATC_RGBA_INTERPOLATED_ALPHA_AMD (RGBA，每个像素1个字节)

S3TC

也被称为DXTC，在PC上广泛被使用，但是在移动设备上还是属于新鲜事物。支持的GPU为NVIDIA Tegra系列。
OpenGL ES扩展名为:
GL_EXT_texture_compression_dxt1和GL_EXT_texture_compression_s3tc。
当加载压缩纹理时，的参数有如下几种格式： GL_COMPRESSED_RGB_S3TC_DXT1 (RGB，每个像素0.5个字节) GL_COMPRESSED_RGBA_S3TC_DXT1 (RGBA，每个像素0.5个字节) GL_COMPRESSED_RGBA_S3TC_DXT3 (RGBA，每个像素1个字节) GL_COMPRESSED_RGBA_S3TC_DXT5 (RGBA，每个像素1个字节)

由此可见，Mali系列GPU只支持ETC1格式的压缩纹理，而且该纹理不支持透明通道，有一定局限性。

以上压缩纹理格式每个像素大小相对A8R8G8B8格式的比例，最高压缩比是16:1，最低压缩比是4:1，对于减小纹理的数据容量有明显作用，相应在显存带宽上也有明显优势，从而提高游戏的运行效率(此特性没有绝对数值，根据每个游戏的用法和瓶颈点不同而有差别)。

4. OpenGL中相关API的使用

1）获得GPU的型号

glGetString(GL_RENDERER)

2）获得GPU的生产厂商

glGetString(GL_VENDOR);

3）获取GPU支持哪些压缩纹理

string extensions = (const char*)glGetString(GL_EXTENSIONS);

a. 判断是否支持ETC1格式的压缩纹理

return (extensions.find("GL_OES_compressed_ETC1_RGB8_texture")!= string::npos);

b. 判断是否支持DXT格式的压缩纹理

return (extensions.find("GL_EXT_texture_compression_dxt1")!= string::npos ||
    extensions.find("GL_EXT_texture_compression_s3tc")!= string::npos);

c. 判断是否支持PVRTC格式的压缩纹理

return (extensions.find("GL_IMG_texture_compression_pvrtc")!= string::npos);

d. 判断是否支持ATITC格式的压缩纹理

return (extensions.find("GL_AMD_compressed_ATC_texture")!= string::npos ||
    extensions.find("GL_ATI_texture_compression_atitc")!= string::npos);

4）填充压缩纹理数据

void glCompressedTexImage2D(
        GLenum target,
        GLint level,
        GLenum internalformat,
        GLsizei width,
        GLsizei height,
        GLint border,
        GLsizei imageSize,
        const GLvoid * data);

这里的参数不做详细解释，其中internalformat即是压缩纹理格式的类型。

查看设备支持的texture压缩格式，可以使用如下代码获取：

int num_formats;
glGetIntegerv(GL_NUM_COMPRESSED_TEXTURE_FORMATS, &num_formats);
std::cout<<"Texture extensions: "<<num_formats<<std::endl;

int *formats = (int*)alloca(num_formats * sizeof(int));
glGetIntegerv(GL_COMPRESSED_TEXTURE_FORMATS, formats);
for(int i=0; i<num_formats; i++)
{
    std::cout<<i<<" 0x"<<hex<<formats[i]<<dec<<std::endl;
}

需要注意的是，使用glCompressedTexImage2D时(PVRTC)，FilterMode不能设置为 GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR, 否则的话加载出来的画线显示黑色, 这里有提到, 就是这个问题困扰了我一大天。

// 能正确加载PVRTC
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);

// 不能正确加载
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);

在Unity中可以使用如下方法直接加载, 得到一个GPU支持的压缩格式的2D纹理：

WWW www = new WWW("file://test.pvr");
yield return www; 
int headerSize = 52;
byte[] buffer = new byte[www.size - headerSize];
System.Buffer.BlockCopy(www.bytes, headerSize, buffer, 0, www.size - headerSize);
Texture2D tex = new Texture2D(512,256,TextureFormat.PVRTC_RGBA4,false,true);
tex.LoadRawTextureData(buffer);
tex.Apply();

5. 压缩纹理工具的使用

每种压缩纹理以及相应的厂商都提供了压缩纹理的工具，工具都分两个版本：
a. 可视化转换工具 (给美工或小白少量使用)
b. 命令行转换工具 (给程序批量使用)

下面对每个工具的用法进行说明。

1）Imagination Technologies PowerVR

工具下载地址

命令行转换脚本

@echo off
for %%i in (*.tga) do PVRTexTool.exe -f PVRTC4 -i %%i
pause

(将本目录下的所有tga文件，转换成”PVRTC4″编码格式的pvr文件，不带mipmap)

在mac平台下，也可以使用xcode 自带的texturetool，结合命令行的方式来进行格式转换.

IXCODE=`xcode-select -print-path`
ISDK=$IXCODE/Platforms/iPhoneOS.platform/Developer
ITEXTURE=$ISDK/usr/bin/texturetool

# ${1} 代表外部传入的图片路径
${ITEXTURE}  -m -f pvr -e PVRTC 
    --bits-per-pixel-2 ${1} 
    -o ${1%%.*}".pvr" 
    -p ${1%%.*}"_prev.pvr"

你可以在这里下载到完整的脚本.

2）Qualcomm Adreno

工具下载地址

命令行转换脚本

@echo off
for %%i in (*.tga) do QCompressCmd.exe %%i %%i.ktx “ATC RGBA Explicit” yes
pause

(将本目录下的所有tga文件，转换成”ATC RGBA Explicit”编码格式的ktx文件，带mipmap)

3）ARM Mali

工具下载地址

命令行转换脚本

@echo off
for %%i in (*.tga) do PVRTexTool.exe -f ETC -i %%i
pause

(将本目录下的所有tga文件，转换成”ETC”编码格式的pvr文件，不带mipmap这里还是使用的PVRTexTool.exe，也可以使用QCompressCmd.exe)

4）nVIDIA Tegra

可以使用DirectX SDK中自带的DirectX Texture Tool进行转换

命令行转换脚本

@echo off
for %%i in (*.tga) do texconv.exe -f DXT5 %%i
pause

(将本目录下的所有tga文件，转换成”DXT5″编码格式的dds文件，不带mipmap)