OpenGL ES 壓縮紋理

2021 年 7 月 5 日
筆記

什麼是壓縮紋理

在實際應用特別是遊戲中紋理佔用了相當大的包體積，而且GPU無法直接解碼目前流行的圖片格式，圖片必須轉換為RGB等類型的格式才能上傳到GPU內存，這顯然增加了GPU內存的佔用。為了處理這些問題於是出現了GPU支持的壓縮紋理格式，在GPU中進行解碼。壓縮紋理屬於有損壓縮，更在意解碼速度，而編碼在程序運行之前，因此速度較慢。

壓縮紋理的常見格式

基於OpenGL ES的壓縮紋理有常見的如下幾種實現：
1）ETC1（Ericsson texture compression)
2）ETC2（Ericsson texture compression)
3）PVRTC (PowerVR texture compression)
4）ATITC (ATI texture compression)
5）S3TC (S3 texture compression)

ETC1

ETC1格式是OpenGL ES圖形標準的一部分，並且被所有的Android設備所支持。
擴展名為: GL_OES_compressed_ETC1_RGB8_texture，不支持透明通道，所以僅能用於不透明紋理。
且要求大小是2次冪。
當加載壓縮紋理時，參數支持如下格式： GL_ETC1_RGB8_OES(RGB，每個像素0.5個位元組)

ETC2

ETC2 是 ETC1 的擴展，壓縮比率一樣，但壓縮質量更高，而且支持透明通道，能完整存儲 RGBA 信息。ETC2 需要 OpenGL ES 3.0（對應 WebGL 2.0）環境，目前還有不少低端 Android 手機不兼容，iOS 方面從 iPhone5S 開始都支持 OpenGL ES 3.0。ETC2 和 ETC1 一樣，長寬可以不相等，但要求是 2 的冪次方。

PVRTC

支持的GPU為Imagination Technologies的PowerVR SGX系列。
OpenGL ES的擴展名為: GL_IMG_texture_compression_pvrtc。
當加載壓縮紋理時，參數支持如下幾種格式： GL_COMPRESSED_RGB_PVRTC_4BPPV1_IMG (RGB，每個像素0.5個位元組) GL_COMPRESSED_RGB_PVRTC_2BPPV1_IMG (RGB，每個像素0.25個位元組) GL_COMPRESSED_RGBA_PVRTC_4BPPV1_IMG (RGBA，每個像素0.5個位元組) GL_COMPRESSED_RGBA_PVRTC_2BPPV1_IMG (RGBA，每個像素0.25個位元組)

ATITC

支持的GPU為Qualcomm的Adreno系列。
支持的OpenGL ES擴展名為: GL_ATI_texture_compression_atitc。
當加載壓縮紋理時，參數支持如下類型的紋理： GL_ATC_RGB_AMD (RGB，每個像素0.5個位元組) GL_ATC_RGBA_EXPLICIT_ALPHA_AMD (RGBA，每個像素1個位元組) GL_ATC_RGBA_INTERPOLATED_ALPHA_AMD (RGBA，每個像素1個位元組)

S3TC

也被稱為DXTC，在PC上廣泛被使用，但是在移動設備上還是屬於新鮮事物。支持的GPU為NVIDIA Tegra系列。
OpenGL ES擴展名為:
GL_EXT_texture_compression_dxt1和GL_EXT_texture_compression_s3tc。
當加載壓縮紋理時，參數有如下幾種格式： GL_COMPRESSED_RGB_S3TC_DXT1 (RGB，每個像素0.5個位元組) GL_COMPRESSED_RGBA_S3TC_DXT1 (RGBA，每個像素0.5個位元組) GL_COMPRESSED_RGBA_S3TC_DXT3 (RGBA，每個像素1個位元組) GL_COMPRESSED_RGBA_S3TC_DXT5 (RGBA，每個像素1個位元組)

壓縮紋理相關API的使用

1）獲得GPU的型號

glGetString(GL_RENDERER)

2）獲得GPU的生產廠商

glGetString(GL_VENDOR);

3）獲取GPU支持哪些壓縮紋理

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

4）判斷是否支持ETC1格式的壓縮紋理

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

5）判斷是否支持DXT格式的壓縮紋理

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

6）判斷是否支持PVRTC格式的壓縮紋理

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

7）判斷是否支持ATITC格式的壓縮紋理

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

8）上傳壓縮紋理數據

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

internalformat即是壓縮紋理格式的類型。
9）查看設備支持的texture壓縮格式，可以使用如下代碼獲取：

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;
} 

//注意使用PVRTC格式紋理時，紋理的filter mode不能設置為 GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR, 
//否則的話加載出來的畫線顯示黑色, 這裡有提到。

10）glTexImage中指定壓縮格式可以對上傳的紋理進行壓縮以改善內存使用，通過設置intenalFormat為表中一個值實現。通過這種方式進行圖像壓縮增加了紋理加載的開銷，但卻能夠通過更有效地使用紋理存儲空間來增加紋理性能，如果由於某些原因無法對紋理進行壓縮，OpenGL就會使用下表中所列出的基本內部格式，並加載未經壓縮的紋理。

GL_COMPRESSED_RGB : GL_RGB
GL_COMPRESSED_RGBA : GL_RGBA
GL_COMPRESSED_SRGB : GL_SRGB
GL_COMPRESSED_SRGB_ALPHA : GL_RGBA
GL_COMPRESSED_RED : GL_RED
GL_COMPRESSED_RG : GL_RG

除了這些壓縮格式外，OpenGL中還加入了一些特定的壓縮格式，即GL_COMPRESSED_SIGNED_RED_RGTC1，GL_COMPRESSED_SIGNED_RED_RGTC2，和GL_COMPRESSED_SIGNED_RG_RGTC2，它們用於各種單顏色通道和雙顏色通道壓縮紋理，他們代替了兼容版本中GL_LUMINANCE和GL_LUMINANCE_ALPHA的功能
11）判斷紋理是否被成功壓縮

GLint comFlag; 
glGetTexLevelParameteriv(GL_TEXTURE_2D,0,GL_TEXTURE_COMPRESSED,&comFlag);

glGetTexLevelParameteriv第三參數支持的有：

GL_TEXTURE_COMPRESSED：如果紋理被壓縮返回1，否則返回0
GL_TEXTURE_COMPRESSED_IMAGE_SIZE：獲取壓縮後的紋理大小（以位元組為單位）
GL_TEXTURE_INTERNAL_FORMAT：所使用的壓縮格式
GL_NUM_COMPRESSED_TEXTURE_FORMATS：支持的壓縮紋理格式數量
GL_COMPRESSED_TEXTURE_FORMATS：支持的壓縮紋理格式數組
GL_TEXTURE_COMPRESSION_HINT: 選擇壓縮格式的方式

11）指定選擇壓縮格式的方式

glHint(GL_TEXTURE_COMPRESSION_HINT,GL_FASTEST); //最快
glHint(GL_TEXTURE_COMPRESSION_HINT,GL_NICEST);  //質量最好
glHint(GL_TEXTURE_COMPRESSION_HINT,GL_DONT_CARE); //自行選擇

壓縮紋理工具

每種壓縮紋理以及相應的廠商都提供了壓縮紋理的工具，包括可視化工具和命令行工具，可自行下載
1）Imagination Technologies PowerVR
PVETextTool
2）Qualcomm Adreno
Adreno Texture Tool
3）ARM Mali
Mail Texture Compression Tool
4）nVIDIA Tegra
DirectX Texture Tool