作者：Ben Anuworakarn

導語：本文作者Ben Anuworakarn 是PowerVR 開發(fā)技術(shù)團隊的技術(shù)作者，具有計算科學工程知識背景。文中，他針對移動端游戲畫面的優(yōu)化，介紹了圖像紋理處理、Mipmapping以及滲色等相關(guān)技術(shù)。同時，通過充分利用PVRTexTool的優(yōu)勢，游戲開發(fā)者將更輕松地實現(xiàn)移動端高質(zhì)量游戲畫面。

一直以來，探索PVRTexTool和紋理貼圖的使用，是低成本優(yōu)化、提升游戲視覺效果的關(guān)鍵技術(shù)。通過將表面細節(jié)保存為2D圖像即可實現(xiàn)，而且可以輕松的從內(nèi)存中加載該2D圖像，并應用于任何對象。自《毀滅戰(zhàn)士》和《毀滅公爵》發(fā)布以來，沉浸感和圖形質(zhì)量一直是游戲開發(fā)重中之重。逼真的風景和高度細節(jié)化的墻壁，使這些游戲從屏幕展示的畫面變成可身臨其境的3D世界，讓玩家能夠沉浸其中。而現(xiàn)在，通過紋理貼圖便可輕松的實現(xiàn)這一點。

多年來芯片的功能已經(jīng)大大提高，尤其是GPU，讓我們能夠在屏幕上一次性存儲和顯示更多的信息。玩家對游戲畫質(zhì)的期望越來越高，而紋理貼圖由于功耗較小、可進行日常畫質(zhì)處理，是以一直提升游戲畫面質(zhì)量和細節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。這是使移動端游戲達到與PC端游戲同等畫面質(zhì)量的核心要素。

為何紋理處理如此重要？

從內(nèi)存中加載圖像文件，然后將其轉(zhuǎn)換并應用于3D模型，這在計算上是一項很簡單的任務。但是當需要一次渲染多個表面和紋理時，紋理的預優(yōu)化處理不僅可以提高運行效率，還可以避免渲染產(chǎn)生的意外錯誤。這為開發(fā)人員和圖形設(shè)計人員提供了額外的的安全保障以確保流暢的游戲體驗。

在本文中我們將研究游戲開發(fā)行業(yè)中常用的三種技術(shù)，以及它們?nèi)绾文軌蝻@著提高游戲的圖形質(zhì)量，或減少開發(fā)一款可靠產(chǎn)品所需的工作量。

Mipmapping——輕松抗鋸齒

對任何游戲開發(fā)人員而言，所有工作未保存或丟失大概是最可悲的情況。遺憾的是，開發(fā)者幾乎無法控制屏幕顯示的內(nèi)容，以及它們的伸縮尺寸，這意味著通常紋理很少能夠以設(shè)計時的尺寸顯示。任何圖像過度拉伸或收縮都可能導致失真或細節(jié)丟失。根據(jù)圖像格式和圖形引擎本身，提供的解決方案要么不太有效，要么根本沒有幫助。放大圖像時可以引入稍微更智能的系統(tǒng)，但是縮小幾乎總是會刪除特征或細節(jié)。在某些極端情況下，錯誤的紋理縮放會導致混疊：由于采樣和錯誤細節(jié)的復制而導致的圖案失真。

Mipmap是正確縮放圖像的技術(shù)，這些圖像事先進行了優(yōu)化和計算。這個想法是通過在一個地方以不同的分辨率采集相同的紋理，使紋理對應屏幕上像素的過程中避免不必要的計算。這也有助于在較低分辨率下保持細節(jié)外表，否則自動計算會丟失這些細節(jié)。由于信息是預先分配的，因此Mipmap確實會占用磁盤上的更多內(nèi)存開銷——最多只增加33%。這是因為mipmap中的每個后續(xù)級別的大小是前一級別的一半，因此每個級別的大小是前一個級別的四分之一。作為交換小對象所需的計算級別下降，因為較小的mipmap級別通常與到相機的距離有關(guān)。不僅如此雖然內(nèi)存存儲開銷增加了，但是帶寬的使用率卻下降了，因為不是每次都獲取完整的紋理數(shù)據(jù)，而是可以訪問較低分辨率的數(shù)據(jù)。這有利于減少緩存丟失，因為較小的紋理更可能適合緩存。圖像質(zhì)量也得到了改善，尤其是當紋理趨向于地平線時，否則會開始出現(xiàn)波紋圖案（由稍微不同的線性圖案引起的干涉效果）。

滲色——消除透明度問題

對于圖形美工來說，最大的挑戰(zhàn)之一是預估在哪里使用紋理。由于Alpha通道在基本RGB顏色信息的基礎(chǔ)上提供了一層透明度信息，當在屏幕上渲染紋理時通常會對其進行過濾和處理。這通常意味著在美工繪制紋理時即使像素由于Alpha圖層顯示為透明，該像素仍將具有需要處理的RGB值。當由于縮放、移動或光柵化而必須采樣紋理而不是直接顯示紋理時，可以通過插值將多個紋理像素的RGB值組合在一起以生成屏幕上像素的值。在應用Alpha之前，紋理圖像的這些透明部分RGB值已包含在周圍區(qū)域計算中，這會導致他們的“背景色”通過Alpha混合“滲入”到周圍區(qū)域。

以下方程式顯示了如何在多個紋理上進行紋理采樣的粗略近似值，其中Ω是紋理的權(quán)重，而RGBA是一維矩陣，表示該位置處紋理RGBA值。

下一個方程式顯示了Alpha混合方程式以及其他透明像素的RGB值如何計入屏幕輸出。

常見的解決方案是讓美工將其圖像的顏色擴展到邊框之外并進入透明區(qū)域。從技術(shù)上講，這也是滲色現(xiàn)象，因此肯定是“撲朔迷離”的情況！這依舊有效的原因是，即使像素在執(zhí)行過程中最終滲入周圍區(qū)域時，Alpha通道仍被認為是透明的，但至少會滲出與基礎(chǔ)圖像相同的顏色，從而使周圍區(qū)域具有適當?shù)念伾＠纾绻愕募y理是一棵樹，則大多數(shù)透明度都應具有很深的綠色值，這樣葉子周圍的區(qū)域在混合渲染過程中便會產(chǎn)生綠色的效果（給人一種運動幻覺的感覺），或者葉子周圍有種模糊的“光環(huán)”。例如，如果在白天顯示這棵樹，你用藍色值將其包裹，這是毫無意義的，因為樹在夜間顯示時，會在葉子上留下青綠色或青色的邊緣。

下面斯坦福大學演講用到的幻燈片很好的突出了這個問題。

預乘Alpha值——簡化計算

如今大多數(shù)圖像由多層組成并且包含許多復雜的顏色信息。對于簡單的紋理可以更輕松地將RGB數(shù)據(jù)與Alpha分開。如上所述Alpha通道通常被單獨應用并且圖像通常保留一些RGB信息。作為程序員，以預乘的形式存儲紋理數(shù)據(jù)比依賴美工正確的滲出顏色要安全得多。

你不僅可以通過除以Alpha來返回原始圖像數(shù)據(jù)，而且還可以確保紋理中的每個值都應用了一個消光層，從而可以將其排除在計算之外。預乘Alpha還可以在管道中更早的獲得更多好處，例如使其更易于生成mipmap鏈或?qū)⒍鄠€半透明圖像復合在一起。最后由于Alpha函數(shù)不再需要執(zhí)行一組額外的矩陣乘法運算，所以預乘Alpha還減少了我們在運行時需要執(zhí)行的計算量。現(xiàn)在Alpha混合方程式變?yōu)椋?/p>

我們還可以確保因為Alpha值為零，所以透明區(qū)域現(xiàn)在只有黑色RGB值，這意味著它們不會影響最終輸出。

PVRTexTool可提供怎樣的方案？

Imagination為開發(fā)人員提供的PVRTexTool是PowerVR SDK和開發(fā)工具的一部分，可為開發(fā)人員優(yōu)化應用程序使其能夠在PowerVR架構(gòu)上運行。盡管本質(zhì)上不是很難的技術(shù)，但用戶讓該技術(shù)變得無價。

PVRTexTool的優(yōu)勢之一是它可以簡單直接的提供上述所有功能。借助可用于實時可視化的GUI以及自動化批處理的命令行界面，PVRTexTool允許程序員和美術(shù)人員都能夠提前準備紋理資源。

PVRTexTool使用.pvr文件格式（PowerVR專用的文件擴展名，使用PVRTC提供令人難以置信的紋理壓縮功能），還支持多種其他文件類型，包括但不限于.ktx、.dds、.png、.tga等。我們還為一些流行的圖像編輯軟件開發(fā)了一些插件，例如Autodesk Maya和Adobe Photoshop，以便能夠使用我們的PVRTC格式。當然PVRTexTool本身還支持各種圖形API的大多數(shù)常見紋理格式，例如Vulkan和OpenGL ES以及通過PVRTC、ASTC和ETC輸出的紋理壓縮和編碼。PVRTexTool將所有各種工具和組件整合在一起，可以進行多種不同的優(yōu)化和編碼操作。

PVRTexTool的優(yōu)勢不止于此——它還具有其他非常有用的功能，例如但不限于：

• 法線貼圖生成
• 字體到紋理的優(yōu)化
• 紋理數(shù)組生成

上手試試吧！

最好的學習方法是實踐，快來上手試試吧！PVRTexTool包含在我們的SDK中，用戶手冊和其他相關(guān)指南可登陸官網(wǎng)查看及下載。

鏈接如下：
https://www.imgtec.com/developers/powervr-sdk-tools/installers/

原英文鏈接：https://www.imgtec.com/blog/three-key-techniques-for-improving-mobile-ga...