Android 使用压缩纹理的方案

目录

• 一、压缩纹理概念
• 二、OpenGL 接口
• 1.glCompressedTexImage2D
• 2.判断压缩纹理是否支持
• 三、压缩纹理加载
• 1.ETC1
• 2.ETC2
• 3.ASTC
• 四、总结

本文介绍了什么是压缩纹理，以及加载压缩纹理的核心步骤。并在 Android OpenGLES 平台上实现了压缩纹理的显示。

一、压缩纹理概念

传统的图片文件格式有 PNG 、 JPEG 等，这种类型的图片格式无法直接被 GPU 读取，需要先经过 CPU 解码后再上传到 GPU 使用，解码后的数据以 RGB(A) 形式存储，无压缩。

纹理压缩顾名思义是一种压缩的纹理格式，它通常会将纹理划分为固定大小的块(block)或者瓦片(tile)，每个块单独进行压缩，整体显存占用更低，并且能直接被 GPU 读取和渲染(无需 CPU 解码)。

纹理压缩支持随机访问，随机访问是很重要的特性，因为纹理访问的模式高度随机，只有在渲染时被用到的部分才需要访问到，且无法提前预知其顺序。而且在场景中相邻的像素在纹理中不一定是相邻的 ，因此图形渲染性能高度依赖于纹理访问的效率。综上，相比普通格式图片，纹理压缩可以节省大量显存和 CPU 解码时间，且对 GPU 友好。

二、OpenGL 接口

想要使用 OpenGL 加载压缩纹理，只需要了解一个接口：glCompressedTexImage2D。

1.glCompressedTexImage2D

接口声明如下，注释里说明了各参数的含义：

void glCompressedTexImage2D (GLenum target, 
                             GLint level, 
                             GLenum internalformat, // 格式
                             GLsizei width,  // 纹理宽度
                             GLsizei height, // 纹理高度
                             GLint border, 
                             GLsizei imageSize, // 纹理数据大小
                             const void *data) // 纹理数据

所以加载一个压缩纹理，主要有以下几个要点：

• 获取到压缩纹理存储格式
• 获取压缩纹理的大小
• 获取压缩纹理的图像大小

2.判断压缩纹理是否支持

有的设备可能不支持压缩纹理，使用前需要进行判断。

std::string extensions = (const char*)glGetString(GL_EXTENSIONS);
if (extensions.find("GL_OES_compressed_ETC1_RGB8_texture")!= string::npos) {
 // 支持 ETC1 纹理
}

if (extensions.find("GL_OES_texture_compression_astc") != std::string::npos) {
 // 支持 ASTC 纹理
}

三、压缩纹理加载

为了方便描述，定义了一个压缩纹理的结构体：

// 压缩纹理相关信息
struct CompressedTextureInfo {
 bool is_valid; // 是否为一个有效的压缩纹理信息
 GLsizei width;
 GLsizei height;
 GLsizei size;
 GLenum internal_format;
 GLvoid *data;
};

下面介绍ETC1、ETC2和ASTC格式的压缩纹理如何解析成CompressedTextureInfo对象。

1.ETC1

ETC1格式是OpenGL ES图形标准的一部分，并且被所有的Android设备所支持。
扩展名为: GL_OES_compressed_ETC1_RGB8_texture，不支持透明通道，所以仅能用于不透明纹理。且要求大小是2次幂。
当加载压缩纹理时，参数支持如下格式： GL_ETC1_RGB8_OES(RGB，每个像素0.5个字节)
ETC1 压缩纹理的加载，主要参考了Android源码：etc1.cpp
解析 ETC1 纹理：

// 解析 ETC1 纹理
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 的扩展，压缩比率一样，但压缩质量更高，而且支持透明通道，能完整存储 RGBA 信息。ETC2 需要 OpenGL ES 3.0（对应 WebGL 2.0）环境，目前还有不少低端 Android 手机不兼容，iOS 方面从 iPhone5S 开始都支持 OpenGL ES 3.0。ETC2 和 ETC1 一样，长宽可以不相等，但要求是 2 的幂次方。

首先定义好 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 数据：

// ETC2 魔数
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研发。ASTC同样是基于block的压缩方式，但块的大小却较支持多种尺寸，比如从基本的4x4到12x12；每个块内的内容用128bits来进行存储，因而不同的块就对应着不同的压缩率；相比ETC，ASTC不要求长宽是2的幂次方。

// ASTC 魔数
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;
    }
    // 映射为 ASTC 头
    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对象后，即可进行压缩纹理的显示了：

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、总结

压缩纹理的加载，主要是搞清楚如何解析压缩纹理数据。一般而言，压缩纹理加载到内存后，都有一个 Header，通过 Header 可以解析出其宽高等信息，计算出纹理图像大小。最后调用glCompressedTexImage2D方法即可渲染。
可见压缩纹理完全没有图像的解码工作，大大提升加载速度。

最后，介绍几款纹理压缩工具：

• etc2comp：支持生成etc2纹理
• etc1tool：支持生成etc1纹理，在Android SDK目录下，Android/sdk/platform-tools/etc1tool
• ISPCTextureCompressor：支持etc1、astc等
• astc-encoder：ASTC官方编码器

到此这篇关于Android 使用压缩纹理的文章就介绍到这了,更多相关Android压缩纹理内容请搜索自由互联以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持自由互联！