Android 使用壓縮紋理
本文介紹了什麼是壓縮紋理，以及加載壓縮紋理的核心步驟。並在 Android OpenGLES 平台上實現了壓縮紋理的顯示。
一、壓縮紋理概念
傳統的圖片文件格式有 PNG 、 JPEG 等，這種類型的圖片格式無法直接被 GPU 讀取，需要先經過 CPU 解碼後再上傳到 GPU 使用，解碼後的數據以 RGB(A) 形式存儲，無壓縮。
紋理壓縮顧名思義是一種壓縮的紋理格式，它通常會將紋理劃分為固定大小的塊(block)或者瓦片(tile)，每個塊單獨進行壓縮，整體顯存佔用更低，並且能直接被 GPU 讀取和渲染(無需 CPU 解碼)。
紋理壓縮支持隨機訪問，隨機訪問是很重要的特性，因為紋理訪問的模式高度隨機，只有在渲染時被用到的部分才需要訪問到，且無法提前預知其順序。而且在場景中相鄰的像素在紋理中不一定是相鄰的 ，因此圖形渲染性能高度依賴於紋理訪問的效率。綜上，相比普通格式圖片，紋理壓縮可以節省大量顯存和 CPU 解碼時間，且對 GPU 友好。
二、OpenGL 接口
想要使用 OpenGL 加載壓縮紋理，只需要了解一個接口：glCompressedTexImage2D。
1.glCompressedTexImage2D
接口聲明如下，注釋里說明了各參數的含義：
void glCompressedTexImage2D (GLenum target,
GLint level,
GLenum internalformat, // 格式
GLsizei width, // 紋理寬度
GLsizei height, // 紋理高度
GLint border,
GLsizei imageSize, // 紋理數據大小
const void *data) // 紋理數據
所以加載一個壓縮紋理，主要有以下幾個要點：
-
獲取到壓縮紋理存儲格式
-
獲取壓縮紋理的大小
-
獲取壓縮紋理的圖像大小
2.判斷壓縮紋理是否支持
有的設備可能不支持壓縮紋理，使用前需要進行判斷。
std::string extensions = (const char*)glGetString(GL_EXTENSIONS);
if (extensions.find("GL_OES_compressed_ETC1_RGB8_texture")!= string::npos) {
// 支持 ETC1 紋理
}
if (extensions.find("GL_OES_texture_compression_astc") != std::string::npos) {
// 支持 ASTC 紋理
}
三、壓縮紋理加載
為了方便描述，定義了一個壓縮紋理的結構體：
// 壓縮紋理相關信息
struct CompressedTextureInfo {
bool is_valid; // 是否為一個有效的壓縮紋理信息
GLsizei width;
GLsizei height;
GLsizei size;
GLenum internal_format;
GLvoid *data;
};
下面介紹ETC1、ETC2和ASTC格式的壓縮紋理如何解析成CompressedTextureInfo對象。
1.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)
ETC1 壓縮紋理的加載，主要參考了Android源碼：etc1.cpp
解析 ETC1 紋理：
// 解析 ETC1 紋理
static const CompressedTextureInfo ParseETC1Texture(unsigned char* data) {
CompressedTextureInfo textureInfo;
textureInfo.is_valid = false;
const etc1::etc1_byte *header = data;
if (!etc1::etc1_pkm_is_valid(header)) {
LogE("LoadTexture: etc1_pkm is not valid");
return textureInfo;
}
unsigned int width = etc1::etc1_pkm_get_width(header);
unsigned int height = etc1::etc1_pkm_get_height(header);
GLuint size = 8 * ((width + 3) >> 2) * ((height + 3) >> 2);
GLvoid *texture_data = data + ETC1_PKM_HEADER_SIZE;
textureInfo.is_valid = true;
textureInfo.width = width;
textureInfo.height = height;
textureInfo.size = size;
textureInfo.internal_format = GL_ETC1_RGB8_OES;
textureInfo.data = texture_data;
return textureInfo;
}
2.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。
首先定義好 ETC2 的 Header：
// etc2_texture.h
class Etc2Header {
public:
Etc2Header(const unsigned char *data);
unsigned short getWidth(void) const;
unsigned short getHeight(void) const;
unsigned short getPaddedWidth(void) const;
unsigned short getPaddedHeight(void) const;
GLsizei getSize(GLenum internalFormat) const;
private:
unsigned char paddedWidthMSB;
unsigned char paddedWidthLSB;
unsigned char paddedHeightMSB;
unsigned char paddedHeightLSB;
unsigned char widthMSB;
unsigned char widthLSB;
unsigned char heightMSB;
unsigned char heightLSB;
};
// etc2_texture.cpp
Etc2Header::Etc2Header(const unsigned char *data) {
paddedWidthMSB = data[8];
paddedWidthLSB = data[9];
paddedHeightMSB = data[10];
paddedHeightLSB = data[11];
widthMSB = data[12];
widthLSB = data[13];
heightMSB = data[14];
heightLSB = data[15];
}
unsigned short Etc2Header::getWidth() const {
return (widthMSB << 8) | widthLSB;
}
unsigned short Etc2Header::getHeight() const {
return (heightMSB << 8) | heightLSB;
}
unsigned short Etc2Header::getPaddedWidth() const {
return (paddedWidthMSB << 8) | paddedWidthLSB;
}
unsigned short Etc2Header::getPaddedHeight() const {
return (paddedHeightMSB << 8) | paddedHeightLSB;
}
GLsizei Etc2Header::getSize(GLenum internalFormat) const {
if (internalFormat != GL_COMPRESSED_RG11_EAC
&& internalFormat != GL_COMPRESSED_SIGNED_RG11_EAC
&& internalFormat != GL_COMPRESSED_RGBA8_ETC2_EAC
&& internalFormat != GL_COMPRESSED_SRGB8_ALPHA8_ETC2_EAC) {
return (getPaddedWidth() * getPaddedHeight()) >> 1;
}
return (getPaddedWidth() * getPaddedHeight());
}
解析 ETC2 數據：
// ETC2 魔數
static const char kMagic[] = { 'P', 'K', 'M', ' ', '2', '0' };
static const bool IsEtc2Texture(unsigned char *data) {
return memcmp(data, kMagic, sizeof(kMagic)) == 0;
}
static const CompressedTextureInfo ParseETC2Texture(unsigned char *data, GLenum internal_format) {
CompressedTextureInfo textureInfo;
textureInfo.is_valid = false;
if (!IsEtc2Texture(data)) {
LogE("ParseETC2Texture: not a etc2 texture");
return textureInfo;
}
Etc2Header etc2Header(data);
textureInfo.is_valid = true;
textureInfo.width = etc2Header.getWidth();
textureInfo.height = etc2Header.getHeight();
textureInfo.size = etc2Header.getSize(internal_format);
textureInfo.internal_format = internal_format;
textureInfo.data = data + ETC2_PKM_HEADER_SIZE;
return textureInfo;
}
3.ASTC
由ARM & AMD研發。ASTC同樣是基於block的壓縮方式，但塊的大小卻較支持多種尺寸，比如從基本的4×4到12×12；每個塊內的內容用128bits來進行存儲，因而不同的塊就對應着不同的壓縮率；相比ETC，ASTC不要求長寬是2的冪次方。
// ASTC 魔數
const unsigned char ASTC_MAGIC_NUMBER[] = {0x13, 0xAB, 0xA1, 0x5C};
// ASTC header declaration
typedef struct
{
unsigned char magic[4];
unsigned char blockdim_x;
unsigned char blockdim_y;
unsigned char blockdim_z;
unsigned char xsize[3]; /* x-size = xsize[0] + xsize[1] + xsize[2] */
unsigned char ysize[3]; /* x-size, y-size and z-size are given in texels */
unsigned char zsize[3]; /* block count is inferred */
} AstcHeader;
static const bool IsAstcTexture(unsigned char* buffer) {
return memcmp(buffer, ASTC_MAGIC_NUMBER, sizeof(ASTC_MAGIC_NUMBER)) == 0;
}
static const CompressedTextureInfo ParseAstcTexture(unsigned char *data, GLenum internal_format) {
CompressedTextureInfo textureInfo;
textureInfo.is_valid = false;
if (internal_format < GL_COMPRESSED_RGBA_ASTC_4x4_KHR
|| internal_format > GL_COMPRESSED_SRGB8_ALPHA8_ASTC_12x12_KHR) {
LogE("parseAstcTexture: invalid internal_format=%d", internal_format);
return textureInfo;
}
if (!IsAstcTexture(data)) {
LogE("parseAstcTexture: not a astc file.");
return textureInfo;
}
// 映射為 ASTC 頭
AstcHeader* astc_data_ptr = (AstcHeader*) data;
int x_size = astc_data_ptr->xsize[0] + (astc_data_ptr->xsize[1] << 8) + (astc_data_ptr->xsize[2] << 16);
int y_size = astc_data_ptr->ysize[0] + (astc_data_ptr->ysize[1] << 8) + (astc_data_ptr->ysize[2] << 16);
int z_size = astc_data_ptr->zsize[0] + (astc_data_ptr->zsize[1] << 8) + (astc_data_ptr->zsize[2] << 16);
int x_blocks = (x_size + astc_data_ptr->blockdim_x - 1) / astc_data_ptr->blockdim_x;
int y_blocks = (y_size + astc_data_ptr->blockdim_y - 1) / astc_data_ptr->blockdim_y;
int z_blocks = (z_size + astc_data_ptr->blockdim_z - 1) / astc_data_ptr->blockdim_z;
unsigned int n_bytes_to_read = x_blocks * y_blocks * z_blocks << 4;
textureInfo.is_valid = true;
textureInfo.internal_format = internal_format;
textureInfo.width = x_size;
textureInfo.height = y_size;
textureInfo.size = n_bytes_to_read;
textureInfo.data = data;
return textureInfo;
}
得到CompressedTextureInfo對象後，即可進行壓縮紋理的顯示了：
CompressedTextureInfo textureInfo = etc1::ParseETC1Texture(input_data);
if (!textureInfo.is_valid) {
LogE("LoadTexture: etc1 textureInfo parsed invalid.");
}
GLuint texture_id = 0;
glGenTextures(1, &texture_id);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture_id);
glCompressedTexImage2D(GL_TEXTURE_2D,
0,
textureInfo.internal_format,
textureInfo.width,
textureInfo.height,
0,
textureInfo.size,
textureInfo.data);
四、總結
壓縮紋理的加載，主要是搞清楚如何解析壓縮紋理數據。一般而言，壓縮紋理加載到內存後，都有一個 Header，通過 Header 可以解析出其寬高等信息，計算出紋理圖像大小。最後調用glCompressedTexImage2D方法即可渲染。
可見壓縮紋理完全沒有圖像的解碼工作，大大提升加載速度。
最後，介紹幾款紋理壓縮工具：
- etc2comp：支持生成etc2紋理
- etc1tool：支持生成etc1紋理，在Android SDK目錄下，Android/sdk/platform-tools/etc1tool
- ISPCTextureCompressor：支持etc1、astc等
- astc-encoder：ASTC官方編碼器
