Android?使用壓縮紋理的方案

更新時(shí)間：2022年09月29日 08:26:35 作者：carverzhong

這篇文章主要介紹了Android?使用壓縮紋理,本文介紹了什么是壓縮紋理，以及加載壓縮紋理的核心步驟，并在 Android OpenGLES 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了壓縮紋理的顯示，需要的朋友可以參考下

一、壓縮紋理概念

傳統(tǒng)的圖片文件格式有 PNG 、 JPEG 等，這種類型的圖片格式無(wú)法直接被 GPU 讀取，需要先經(jīng)過(guò) CPU 解碼后再上傳到 GPU 使用，解碼后的數(shù)據(jù)以 RGB(A) 形式存儲(chǔ)，無(wú)壓縮。

紋理壓縮顧名思義是一種壓縮的紋理格式，它通常會(huì)將紋理劃分為固定大小的塊(block)或者瓦片(tile)，每個(gè)塊單獨(dú)進(jìn)行壓縮，整體顯存占用更低，并且能直接被 GPU 讀取和渲染(無(wú)需 CPU 解碼)。

紋理壓縮支持隨機(jī)訪問(wèn)，隨機(jī)訪問(wèn)是很重要的特性，因?yàn)榧y理訪問(wèn)的模式高度隨機(jī)，只有在渲染時(shí)被用到的部分才需要訪問(wèn)到，且無(wú)法提前預(yù)知其順序。而且在場(chǎng)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于紋理訪問(wèn)的效率。綜上，相比普通格式圖片，紋理壓縮可以節(jié)省大量顯存和 CPU 解碼時(shí)間，且對(duì) 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(gè)接口：glCompressedTexImage2D。

1.glCompressedTexImage2D

接口聲明如下，注釋里說(shuō)明了各參數(shù)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(shù)據(jù)大小
                             const void *data) // 紋理數(shù)據(jù)

所以加載一個(gè)壓縮紋理，主要有以下幾個(gè)要點(diǎn)：

獲取到壓縮紋理存儲(chǔ)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(shè)備可能不支持壓縮紋理，使用前需要進(jìn)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(gè)壓縮紋理的結(jié)構(gòu)體：

// 壓縮紋理相關(guān)信息
struct CompressedTextureInfo {
 bool is_valid; // 是否為一個(gè)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(duì)象。

1.ETC1

ETC1格式是OpenGL ES圖形標(biāo)準(zhǔn)的一部分，并且被所有的Android設(shè)備所支持。
擴(kuò)展名為: GL_OES_compressed_ETC1_RGB8_texture，不支持透明通道，所以僅能用于不透明紋理。且要求大小是2次冪。
當(dāng)加載壓縮紋理時(shí)，參數(shù)支持如下格式： GL_ETC1_RGB8_OES(RGB，每個(gè)像素0.5個(gè)字節(jié))
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(kuò)展，壓縮比率一樣，但壓縮質(zhì)量更高，而且支持透明通道，能完整存儲(chǔ) RGBA 信息。ETC2 需要 OpenGL ES 3.0（對(duì)應(yīng) WebGL 2.0）環(huán)境，目前還有不少低端 Android 手機(jī)不兼容，iOS 方面從 iPhone5S 開始都支持 OpenGL ES 3.0。ETC2 和 ETC1 一樣，長(zhǎng)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(shù)據(jù)：

// ETC2 魔數(shù)
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(fā)。ASTC同樣是基于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4x4到12x12；每個(gè)塊內(nèi)的內(nèi)容用128bits來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)，因而不同的塊就對(duì)應(yīng)著不同的壓縮率；相比ETC，ASTC不要求長(zhǎng)寬是2的冪次方。

// ASTC 魔數(shù)
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(duì)象后，即可進(jìn)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(jié)

壓縮紋理的加載，主要是搞清楚如何解析壓縮紋理數(shù)據(jù)。一般而言，壓縮紋理加載到內(nèi)存后，都有一個(gè) Header，通過(guò) Header 可以解析出其寬高等信息，計(jì)算出紋理圖像大小。最后調(diào)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。

最后，介紹幾款紋理壓縮工具：