有关图片压缩整理

KaaPexei · 发表于 2022-2-17 16:25

纹理压缩

有损压缩：是指对图像的压缩过程中，算法丢失一部分图像信息，降低了图像的质量，并且这种损失是不可逆的。有损压缩可以减少图像在内存和磁盘中占用的空间。使用有损压缩的图片如果在屏幕上显示，可能肉眼看起来影响不大，但如果用高分辨率打印机打印出来，那么图像质量就会有明显的受损痕迹

无损压缩：是指对图像的压缩过程中，不丢失图片原本的信息，任何时候都可以从无损压缩过的图片中恢复出原本的信息；无损压缩虽然能减小图像占用磁盘的大小，但不能减少图像占用的内存空间，因为实际的显示过程中，看图软件会先把图片还原成原本的信息。无损压缩能较好的保存图片质量，但压缩率较低
索引色和直接色

索引色：用一个数组来代表一种颜色，在存储图像的时候，存储一个数字的组合，同时存储数字到图像颜色的映射。这种方式只能存储有限种颜色，通常的用法是256种颜色

直接色：使用四个数字来代表一种颜色，这四个数字分别代表颜色中的红色R、绿色G、蓝色B以及透明度A。所以直接色可以表示2^32种颜色。当然，并非所有的直接色都直接这么多种变化，为压缩空间，可能有多种设定
点阵图和矢量图

点阵图：也叫位图，象素图。构成点阵图的最小单位是像素，位图就是由像素点阵列的排列来实现其显示效果。点阵图缩放会失真

矢量图：也叫做向量图。矢量图并不记录画面上每一点的信息，而是记录元素的形状以及颜色的算法，当你打开一副矢量图的时候，软件对图像对应的函数进行运算，将运算结果显示给你看，无论显示画面是大还是小，画面对应的算法是不变的，所以对画面进行倍数相当大的缩放，其显示效果仍然相同(不失真)
不同图片格式的特性

介绍了这些，那么我们来看看我们经常见到的图片的一些特性

JPEG 有损，直接色，点阵图；BMP 无损，直接色，点阵图；PNG-8 无损，索引色，点阵图；PNG-24 无损，直接色，点阵图

为什么png还有多种样式？那是因为PNG算法在把图像转化成图片的时候有很多参数和方式可以选择，这些参数和方式就决定了图像的压缩和成像品质
为什么需要纹理压缩？

Android平台默认支持格式：JPEG、PNG、GIF、BMP 和 WebP

iOS平台默认支持格式：JPEG、JPEG2000、PNG、GIF、BMP、ICO、TIFF、PICT、APNG、SVG、RAW

既然Android和iOS支持这么多图片格式，那么游戏中为什么没有”直接”使用JPEG或者PNG这两种都支持格式呢?下面进行下原因的分析

常见的图片文件格式，比如PNG，JPG，BMP等，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。这些文件格式当被读入后，还是需要经过CPU解压成bitmap，再传送到GPU端进行使用。
1 JPEG不支持透明度

一般在游戏中，有很多透明物件，而JPEG不支持透明度，所以没法使用
2 PNG不支持随机读取像素

PNG格式支持透明度，但是因为PNG的压缩算法是根据图片整体进行压缩(比如采用霍夫曼编码)，像素和像素之间存在依赖关系，无法直接实现单个像素级别的解析，这就没办法发挥显卡的优势

间接寻址

上图为间接寻址模式中获取颜色数据的过程：GPU首先请求加载索引数据14；一旦有了索引数据就可以立即加载实际颜色值，来回四次最终得到颜色值。索引数据可能为FIFO缓冲区引入了性能隐患，芯片端保存颜色表的代价也十分大，颜色表可能和纹理缓存占的空间接近；所以最好避免使用颜色表这些全局数据。
3 无法减小显存占用

无论是JPEG或者PNG 的图片最终在显卡解码之后，都是RGBA纹理，(宽*高*4)无法减小显存的占用(256×256像素的图片，虽然文件格式、磁盘占用、内存占用大小不一样，但都是占用256Kb的显存空间，性能消耗大)

jpeg和png图片，从文件加载的时候都必须先在cpu先解码成原始的RGB(A)格式的数据

纹理压缩之后占用显存减少，一种比较简单的统计方案。你直接查看纹理压缩文件的大小就好了，比如纹理压缩文件是170k，那显存占用也是170k
纹理格式需求

正是因为传统的图片并没有考虑显卡的这种特性，所以很难满足三维应用中的要求，要满足显卡能使用的纹理格式，应该具有以下特点：
1 解析速度

在纹理操作中，读取纹理数据是关键步骤，所以解码速度至关重要，这一点是最应该考虑的
2 随机读取数据

能快速的随机读取任意像素，因为显卡中很多操作都是针对单个像素执行的，所以这一点也很重要
3 压缩率和纹理质量

既要保证一个不错的压缩效果，也要把纹理损失控制在一定范围内
4 压缩速度

通常纹理压缩在渲染前已经提前准备好，所以如果压缩的速度比解析速度慢，也是可以接受的。

说明：Unity在导入图片后，编辑器会卡住弹出一个进度条窗口，就是使用原图进行纹理压缩然后生成新的图片文件的过程。生成的文件的位置,你可以根据导入图片对应的.meta文件内的guid,去项目中的Library文件夹中查找，Unity打包图片的Assetbundle其实是根据这个文件来打包的，这已经不是你导入的那张原图
纹理压缩技术

纹理压缩不同于其他图片压缩方式(jpg,png)，在使用中，不会在CPU中进行解压缩，而是直接把压缩内容传给GPU，而且在GPU中也不会一次把整张图片进行解压缩，只会在需要采样特定区域的纹理时对这一区域的纹理进行解压缩。
纹理压缩格式

为了满足以上4点，图形工程师开发了很多种纹理压缩格式，目前移动设备主流的纹理压缩格式有PVRTC、ETC/ETC2、ASTC，当然，还有其他的类型（比如：RGBA32、RGBA16、Alpha8等有兴趣的可以去了解下）

纹理压缩格式不需要CPU解码

ETC/ETC2纹理压缩格式

说到ETC ，就要说到OpenGL ES，OpenGL ES 是 OpenGL 三维图形 API 的子集，针对手机、平板和游戏主机等嵌入式设备而设计. OpenGL ES2 支持ETC 格式，所以我们可以在支持OpenGL ES2的显卡的设备上使用ETC这种纹理压缩格式；而ETC2 则需要OpenGL ES3才能支持，而OpenGL ES3已经发布了三四年，所以现在市面上的显卡都支持，也就是说，现在市面上的移动设备都支持ETC2这种纹理压缩格式了，可以放心使用了；

ETC不支持透明通道，所以以前很多项目的做法是用2张纹理来保存一张图片。ETC+Alpha8的组合形式，然后用自定义Shader合并。不过现在基本淘汰，可以直接使用ETC2代替。

Alpha压缩率适用机型

ETC1N6:1OpenGLES 2.0支持几乎所有市面上的Android机，所有iPhone

ETC2Y6:1OpenGLES3.0支持大部分高端Android机，iPhone 5S及以上

PVRTC纹理压缩格式

iPhone的图形芯片（PowerVR MBX）对 PVRTC 的压缩提供硬件支持，Apple推荐在开发iPhone应用程序时使用 PVRTC 压缩纹理格式。而且，根据图像成图质量以及占用内存等，有多种格式可选择(pvtrc_rgba2,pvrtc_rbga4等);缺点是需要图片的长宽相等而且为2的幂次方(针对这种情况，可以考虑把图片打包在一张2的幂次方图集内）

支持的Android机型需要GPU为 PowerVR系列
总结

在实际游戏引擎内(以Unity为例)，图片显示流程大概是：原图 —> 纹理压缩(ETC/ETC2等)—>OpenGL ES3—>显卡—>游戏内显示；

而一张图片在游戏引擎中运行时占用的显存大小，与这种图片本身占用磁盘大小无关，只和图片的宽和高相关；

图片导入到Unity引擎中，之所以很慢，是因为在进行纹理压缩编码生成新的文件，这一步很耗时间；

AssetBundle打包图片，不是打包原图，而是针对你对图片设置的纹理压缩格式而生成的新的文件打包，所以ab文件的大小也和原图本身占用磁盘大小无关；

AssetBundle文件的大小与加载成正比关系，同时，纹理压缩格式的解码时间也有差异(差异不是很大)

平台的最佳纹理压缩格式是:astc_rgba_4x4 它兼顾了成像质量,内存占用，ab大小，解码时间，跨平台等因素

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