纹理压缩

本文以 ASTC 为主线，介绍块纹理压缩的基本原理、编码与解码流程，并对比 ETC 与 BC 两大主流格式。

目录

1. 简介
2. ASTC
3. ETC
4. BC
5. 格式对比与选型
6. 参考资料

1. 简介

1.1 为什么需要纹理压缩

纹理通常是游戏和实时渲染中占用显存最多的资源之一。一张 2048 × 2048 的 RGBA8 纹理约占 16 MiB，如果有 Mipmap、法线贴图、遮罩、光照贴图和 UI 图集，显存占用会迅速上升。除了容量，纹理还会持续消耗：

• 显存带宽：采样、Mipmap、各向异性过滤都会读取纹理数据；
• 缓存容量：纹理越大，越容易造成缓存未命中；
• 功耗：移动设备上，内存访问往往比算术运算更昂贵；
• 加载时间：未压缩资源的传输和解码成本更高。

通用无损压缩（如 PNG、ZIP）可以减少磁盘体积，但不适合直接用于 GPU 实时采样，因为它的数据长度不固定、随机访问困难，而且每次采样都可能需要昂贵的串行解压。纹理压缩采用的是另一种思路：块压缩（Block Compression）。

1.2 块压缩的基本模型

块压缩把纹理切成固定大小的小块，每个块独立编码、独立解码。常见块尺寸是 4 × 4 texel，也有 5 × 5、6 × 6、8 × 8、12 × 12 等。

一个压缩块通常包含以下信息：

块压缩有三个非常重要的工程性质：

1. 固定码率：每个块固定占用若干字节，因此可以精确计算显存和带宽；
2. 随机访问：解码一个块不依赖其他块，GPU 可以在任意位置直接读取；
3. 硬件解码：格式由 GPU 固定功能单元解码，采样时不需要运行通用计算程序。

代价是有损压缩。解码出来的纹理不是原始像素，而是在端点、权重和量化精度限制下得到的近似结果。

1.3 比特率与块大小

压缩格式常用 bpp（bits per pixel） 描述平均每个像素占用的位数：

bpp = 每块位数 / (块宽 × 块高)

例如：

• ASTC 每块固定 128 bit，4 × 4 块为 128 / 16 = 8 bpp；
• ASTC 8 × 8 块为 128 / 64 = 2 bpp；
• ASTC 12 × 12 块为 128 / 144 ≈ 0.89 bpp；
• ETC1 / BC1 每块 64 bit，4 × 4 块为 4 bpp；
• BC3 / BC7 每块 128 bit，4 × 4 块为 8 bpp。

块越大，每个 texel 分到的位数越少，压缩率越高，但块内可表达的细节也越少。对于文字、边缘、法线、粗糙度遮罩等高频内容，盲目使用大块会造成明显的块状伪影。

1.4 主流纹理压缩类型

在现代跨平台项目中，常见的组合是：

• ASTC 为主：移动端和现代桌面端统一使用，块尺寸按内容选择；
• ETC2 作为 Android 回退：覆盖不支持 ASTC 的旧设备；
• BC 系列作为桌面/DirectX 路径：BC7 用于高质量 RGBA，BC6H 用于 HDR，BC5 用于法线。

1.5 解码与采样的关系

需要区分“块”和“texel”：

• 块是显存中的压缩数据单元，例如一个 ASTC 块固定 128 bit；
• texel 是解码后纹理中的一个像素颜色。

GPU 采样纹理时，会定位到覆盖采样位置的压缩块，读出 128 bit（或 64 bit）块数据，解出块内的 texel 颜色，再在 texel 颜色上执行双线性、三线性或各向异性过滤。采样不是直接对 128 bit 做插值，而是对解码后的 texel 颜色做过滤。

2. ASTC

2.1 ASTC 的设计目标

ASTC（Adaptive Scalable Texture Compression）是 Khronos 制定的块纹理压缩标准，目标是用同一套编码框架覆盖从高质量到高压缩率、从 LDR 到 HDR、从 RGB 到 RGBA 的广泛场景。

ASTC 最核心的两个特点：

1. 每块固定 128 bit（16 字节）；
2. 块尺寸可选，因此比特率可以在约 0.89–8 bpp 之间变化。

ASTC 规范允许的二维块尺寸共有 14 种：

注意：表中的 5 × 4 和 4 × 5 在编码语义上是等价的旋转关系，具体存储时以规范定义的块尺寸编码为准。

2.2 ASTC 的编码流程

ASTC 的编码器不是按固定格式往 128 bit 里填字段，而是先选择一种块模式（Block Mode），再由该模式决定后续字段如何解释。

一个典型的编码流程如下：

选择块尺寸和 Block Mode
        │
        ▼
把块划分成 1–4 个 partition
        │
        ▼
为每个 partition 估计两个颜色端点
        │
        ▼
选择端点量化模式和权重网格
        │
        ▼
把每个 texel 投影到端点渐变线上，得到权重
        │
        ▼
量化端点与权重，打包成 128 bit

2.2.1 选择块模式

块模式决定了：

• 块尺寸；
• partition 的数量和模式；
• 端点量化方式；
• 权重网格尺寸；
• 权重位宽；
• 是否使用 dual-plane；
• 颜色分量和 HDR/LDR 模式。

因此，ASTC 的位流没有一个“从 bit 0 到 bit 127 永远不变”的布局。Block Mode 是解码器理解其余位的入口。

2.2.2 分区

一个块内的颜色可能不属于同一条渐变线。例如一个 8 × 8 块里同时有皮肤、头发和背景，单个 Min/Max 端点无法拟合。

ASTC 支持把块分成 1–4 个 partition。每个 partition 有自己的一对端点，并共享或独立使用权重信息。分区模式由块模式和分区索引共同决定，解码端可以通过规范中的哈希函数还原每个 texel 属于哪个 partition。

分区不是任意多边形划分，而是规范定义的有限模式集合。它足以把块内颜色聚类到几个区域，在比特预算内显著改善质量。

2.2.3 端点

对每个 partition，编码器需要选择两个端点，通常表示该区域颜色分布的两个极值或主方向端点。

在简化编码器中，可以直接取 partition 内所有 texel 的 min/max 颜色：

E0 = min(color of texels)
E1 = max(color of texels)

更高质量的编码器会搜索端点位置，或者使用主成分分析、最小二乘、误差迭代等方法，使所有 texel 到端点渐变线的整体误差最小。

ASTC 的端点量化不是只有 8 bit 一种选择。常见端点量化模式包括：

• 8 bit；
• 6 bit；
• 5 bit + trit（三进制值）；
• 4 bit + quint（五进制值）。

trit 和 quint 的意义在于：用非 2 的幂的量化级数，在有限位数内获得更细的端点精度。例如 QUANT80 每通道有 80 个级别，接近 6.32 bit 的表达能力，但实际只需要 4 bit + 一个 quint 分量。

这里容易产生误解：“两个端点”不是每个 texel 都存两个颜色。 端点属于整个 partition，一个块通常只存少量的端点；大量 texel 通过权重共享这对端点。

2.2.4 权重与权重网格

给定端点 E0、E1，一个 texel 的颜色可以写成：

color = E0 + t × (E1 - E0)

其中 t 是 0 到 1 之间的插值参数。编码器把 texel 颜色投影到 E0 → E1 的向量上，求出 t，再量化为 n bit：

t = dot(p - E0, E1 - E0) / dot(E1 - E0, E1 - E0)
Index = clamp(round(t × (2ⁿ - 1)), 0, 2ⁿ - 1)

实际实现中通常会预先计算每块的缩放和偏置：

Range  = E1 - E0
Scale  = (2ⁿ - 1) / dot(Range, Range)
Scaled = Range × Scale
Bias   = (dot(E0, E0) - dot(E1, E0)) × Scale

Index = clamp(round(dot(p, Scaled) + Bias), 0, 2ⁿ - 1)

这样每个 texel 只需要一次 dot、一次加法和一次 round。

ASTC 的权重不一定是“每个 texel 一个”。规范允许权重网格的尺寸小于块尺寸，解码时通过双线性插值把粗网格扩展到每个 texel。这样做可以节省大量权重位，尤其适合 8 × 8、10 × 10、12 × 12 等大块。

2.2.5 打包成 128 bit

最终编码器需要把以下信息写入 128 bit：

• Block Mode；
• partition 数量和 partition 模式；
• 每个 partition 的端点量化值；
• 权重网格尺寸与权重位宽；
• 每个网格点的量化权重；
• dual-plane、HDR、通道模式等标志。

由于不同 Block Mode 的字段数量不同，ASTC 的打包逻辑必须严格遵循规范的位布局。解码器不能靠“猜”字段，只能先解析 Block Mode，再按对应模式读取。

2.3 ASTC 的解码流程

解码端大致执行以下步骤：

读取 128 bit 块
      │
      ▼
解析 Block Mode
      │
      ▼
确定块尺寸、partition 和端点模式
      │
      ▼
反量化端点，得到 E0、E1
      │
      ▼
读取权重网格，按 texel 位置双线性插值
      │
      ▼
color = E0 + w / (2ⁿ - 1) × (E1 - E0)
      │
      ▼
输出 texel 颜色

对于 dual-plane 模式，RGB 和 Alpha 可以使用不同的权重网格；对于 HDR 模式，端点反量化和颜色表示会使用不同的数值范围。无论哪种模式，核心结构都可以概括为：

端点 + 权重 + 分区 + 插值

2.3.1 权重网格如何对应到 texel

假设一个 8 × 8 块使用 4 × 4 权重网格。4 × 4 网格不是只有 4 个值，而是 4 列 × 4 行 = 16 个权重值。每个网格点位于一个 2 × 2 texel 单元的中心：

8 × 8 texel 块                4 × 4 权重网格
┌────┬────┬────┬────┐
│ G00│ G01│ G02│ G03│          G00 覆盖左上 2 × 2 texel
├────┼────┼────┼────┤          G01 覆盖下一组 2 × 2 texel
│ G10│ G11│ G12│ G13│          ...
├────┼────┼────┼────┤
│ G20│ G21│ G22│ G23│
├────┼────┼────┼────┤
│ G30│ G31│ G32│ G33│
└────┴────┴────┴────┘

解码某个 texel 时，先根据它的块内坐标计算网格坐标：

gx = (x + 0.5) × gridWidth  / blockWidth  - 0.5
gy = (y + 0.5) × gridHeight / blockHeight - 0.5

然后把 gx、gy 夹取到合法范围，再对周围 2 × 2 个网格权重做双线性插值。例如 8 × 8 块、4 × 4 网格、texel (3,3)：

gx = (3 + 0.5) × 4 / 8 - 0.5 = 1.25
gy = (3 + 0.5) × 4 / 8 - 0.5 = 1.25

它使用 G11、G12、G21、G22 四个权重：

w = 0.75 × 0.75 × G11
  + 0.75 × 0.25 × G12
  + 0.25 × 0.75 × G21
  + 0.25 × 0.25 × G22

这解释了为什么粗网格不会让整个块只有一个颜色：网格虽然粗，但每个 texel 仍然会得到独立的、连续变化的权重。

2.4 不同块大小的处理方式

ASTC 的编码框架相同，但块尺寸不同会导致明显的策略差异：

具体来说：

• 4 × 4：一个块只有 16 个 texel，128 bit 相对充裕。ASTC 可以给端点分配较高精度，并使用全尺寸权重网格。例如，一种单分区、全尺寸权重网格的简化编码器可以使用两个 RGB888 端点（48 bit）加 16 个 3-bit 权重（48 bit），其余位留给块模式和配置。高质量 ASTC 编码器还会在这个块尺寸上尝试多个 partition 和端点模式。
• 5 × 5：25 个 texel，如果使用 3-bit 权重需要 75 bit。例如使用 RGB666 端点时，两个端点约 36 bit，加上 75 bit 权重和模式位，仍能放进 128 bit。相比 4 × 4，它节省约 36% 的存储，但块内细节拟合能力下降。
• 6 × 6：36 个 texel。如果仍然使用 3-bit 权重，需要 108 bit，留给端点和模式的位太少。因此通常把权重降为 2-bit，并使用 QUANT80 端点，权重占 72 bit，端点和模式占其余部分。6 × 6 的质量通常已能看出下降，适合对体积敏感、内容较平滑的纹理。
• 8 × 8 及以上：权重位预算更紧。8 × 8 如果存 2-bit 权重且每个 texel 一个权重，就需要 128 bit，完全没有空间放端点、分区和模式。因此必须使用缩减权重网格，并通常配合分区。例如 8 × 8 块使用 4 × 4 网格、2-bit 权重时，权重只需 32 bit，剩下的位可以用于端点和配置。
• 10 × 10 / 12 × 12：块内 texel 数达到 100/144，几乎只能表达低频变化。编码器通常依赖更粗的权重网格、多个 partition 和内容自适应搜索；如果原图细节丰富，就会出现明显的块状模糊或颜色渗漏。

这里的“必须/通常”是工程上的实际约束：规范虽然定义了合法的模式组合，但 128 bit 的总预算决定了哪些组合真正可用。具体合法组合应以 ASTC 规范中的 block mode 表为准。

2.5 ASTC 的采样过程

渲染时对 ASTC 纹理采样，硬件大致执行：

1. 根据 UV 和 Mip 选择定位纹理坐标；
2. 找到覆盖该坐标的一个或多个 128 bit 块；
3. 解码这些块中的 texel 颜色；
4. 在解码后的 texel 颜色上做双线性/三线性/各向异性过滤；
5. 返回最终的 RGBA 值。

硬件只解码采样所需的块，而不是一次性解码整张贴图。相邻采样点如果落在同一个块内，可以复用块解码结果和缓存。

3. ETC

3.1 ETC 的定位

ETC（Ericsson Texture Compression）是为移动端设计的块纹理压缩家族。它在 Android/OpenGL ES 生态中非常普及：

• ETC1：OpenGL ES 2.0 时代的基础格式，仅支持 RGB；
• ETC2：OpenGL ES 3.0 起强制支持，增加差分模式、T/H/Planar 模式和 EAC 透明通道；
• ETC2 + EAC：可以组合成 RGBA 压缩。

ETC 的基本块是固定的 4 × 4 texel。ETC1 的颜色块为 64 bit，因此是 4 bpp；ETC2 的 RGBA 通常由两个 64 bit 块组成，达到 8 bpp。

3.2 ETC1 的编码与解码

3.2.1 块结构

ETC1 的 64 bit 块通常包含：

• 两个子块（2 × 4 或 4 × 2）；
• 每个子块一个基色（RGB444）；
• 每个子块一个 3-bit 调制表索引；
• 每个 texel 一个 2-bit 索引；
• flip 位和 differential 位。

一个简化的逻辑布局如下：

┌──────────────────────────────────────────────┐
│ Base Color 0 │ Base Color 1 │ Table │ Indices │
│    RGB444    │    RGB444    │ 3×2   │ 2×16    │
└──────────────────────────────────────────────┘
                64 bit / 4×4 块

3.2.2 解码公式

ETC1 的核心是“基色 + 调制表”：

color(texel) = BaseColor[subblock]
             + Modifier[tableIndex][pixelIndex]

每个 texel 的 2-bit 索引不是直接表示颜色，而是从 4 个调制值中选择一个。调制表中的值通常是正负亮度偏移，例如 {-8, -2, 2, 8} 这样的形式。这样，一个子块可以表示基色附近的四个明暗台阶。

3.2.3 编码流程

ETC1 编码器大致需要：

1. 选择 flip 方向，把 4 × 4 块分成 2 × 4 或 4 × 2 两个子块；
2. 对每个子块估计基色，通常取子块的平均色或颜色范围中心；
3. 选择调制表，使每个 texel 的量化误差尽量小；
4. 为每个 texel 选择最优的 2-bit 索引；
5. 把基色、表索引、像素索引和标志位打包成 64 bit。

由于每个子块只有一个基色和一张调制表，ETC1 对色相变化和复杂渐变的表达能力有限。它适合颜色相对均匀的漫反射纹理，不适合高质量法线、文字和细节丰富的贴图。

3.3 ETC2 的扩展

ETC2 在保持 4 × 4 / 64 bit 结构的基础上，增加了多种模式：

Individual 模式

两个子块各自使用独立的 RGB444 基色。适合两个区域颜色差异较大的情况。

Differential 模式

第一个子块使用 RGB555 基色，第二个子块的颜色通过与第一个子块的 3-bit 有符号差值表示。这样可以在两个子块颜色接近时获得更高精度；如果差值超出范围，编码器会退回 individual 模式。

T 模式

T 模式使用两个颜色端点和一个中间色，适合双色内容和边缘。它比 ETC1 的“单基色 + 调制表”更灵活。

H 模式

H 模式从两个端点派生出更多明暗级别，适合平滑渐变和具有明显方向性的颜色变化。

Planar 模式

Planar 模式使用一个基色和两个斜率来表示平滑的颜色平面。它特别适合低频、缓变的区域。

EAC 透明通道

EAC（ETC2 Alpha Compression）是单独的 64 bit 单通道块，使用基值、倍数和逐 texel 索引表示 Alpha 或单通道数据。一个 ETC2 RGBA 纹理通常由一个 64 bit 颜色块和一个 64 bit Alpha 块组成，总计 128 bit / 4 × 4，即 8 bpp。

ETC2 的编码器需要在多种模式之间选择。通常会对每种模式计算误差，再选出最优模式；这也是 ETC2 编码比 ETC1 更复杂的原因。

3.4 ETC 的块大小与处理方式

ETC 家族没有 ASTC 那样可自由选择的块尺寸，通常固定为 4 × 4：

因为块尺寸固定，ETC 无法通过“把块变大”继续降低码率。要获得更低的码率，需要使用其他格式或降低分辨率。这也是 ASTC 在大块、低码率场景中更有弹性的原因之一。

3.5 ETC 的使用场景

• Android OpenGL ES 3.0 及以上设备的保底格式；
• 对兼容性要求高、不能假设 ASTC 可用的项目；
• 颜色相对简单、分辨率不高的漫反射贴图；
• 需要与 ETC1 旧资源保持兼容的项目。

在高通、Mali、PowerVR 等移动 GPU 上，ETC2 通常都有硬件解码支持。工程上常见策略是：优先 ASTC，ETC2 作为最低端设备回退。

4. BC

4.1 BC 家族概览

BC（Block Compression）是 Microsoft DirectX 体系中的块压缩格式家族，常见于桌面 GPU 和 DirectX 纹理管线。BC 系列通常使用固定的 4 × 4 块：

• BC1–BC3：颜色和 Alpha，64 bit 或 128 bit；
• BC4–BC5：单通道/双通道，常用于法线、粗糙度、遮罩；
• BC6H：HDR RGB，128 bit；
• BC7：高质量 RGBA，128 bit。

4.2 BC1

BC1（也称 DXT1）是最经典的颜色块格式：

64 bit / 4×4 块
┌──────────────┬──────────────┬────────────────┐
│ Endpoint 0   │ Endpoint 1   │ Pixel Indices  │
│ RGB565·16bit │ RGB565·16bit │ 2bit × 16      │
└──────────────┴──────────────┴────────────────┘

解码时，两个 RGB565 端点生成四个候选颜色：

C0 = E0
C1 = E1
C2 = 2/3 × E0 + 1/3 × E1
C3 = 1/3 × E0 + 2/3 × E1

每个 texel 用 2-bit 索引选择其中一个颜色。通过调整端点顺序，BC1 还可以启用 1-bit Alpha 或透明模式。

BC1 的编码重点是选择两个端点和每个 texel 的 2-bit 索引，使整体误差最小。它适合不透明或简单透明颜色纹理，但不适合高质量渐变和法线。

4.3 BC2 与 BC3

BC2 使用 128 bit：

• 64 bit 颜色块，结构类似 BC1；
• 64 bit 显式 4-bit Alpha，每个 texel 一个 4-bit Alpha 值。

BC3 也使用 128 bit，但 Alpha 采用“端点 + 索引”的方式：

64 bit 颜色块（类似 BC1）
+ 64 bit Alpha 块
  ├─ 2 个 8-bit Alpha 端点
  └─ 16 个 3-bit Alpha 索引

BC3 的 Alpha 渐变比 BC2 的 4-bit 显式 Alpha 更平滑，适合带柔和透明边缘的纹理。

4.4 BC4 与 BC5

BC4 是单通道格式，64 bit / 4 × 4：

• 两个 8-bit 通道端点；
• 16 个 3-bit 索引；
• 解码时在端点之间插值。

BC5 由两个 BC4 块组成，共 128 bit / 4 × 4，包含两个独立通道。它常用于法线贴图：把法线 X/Y 两个分量分别压缩，运行时根据 X/Y 重建 Z，避免直接压缩 RGB 法线导致的归一化误差。

4.5 BC6H 与 BC7

BC6H 面向 HDR RGB，128 bit / 4 × 4，支持半精度端点、分区和多种模式。它适合 HDR 环境贴图、光照贴图和高质量 HDR 颜色数据。

BC7 面向 LDR RGBA，128 bit / 4 × 4，提供 8 种模式。不同模式可以组合：

• 0–3 个 partition；
• 不同位宽的端点；
• 2–4 bit 的 per-texel 索引；
• 显式或隐含的 Alpha；
• 多种端点预测方式。

BC7 的编码器需要在多个模式、分区模式和端点组合中搜索，复杂度较高，但质量明显优于 BC1/BC3，特别适合高质量 UI、颜色纹理和带 Alpha 的贴图。

4.6 BC 的编码与解码核心

BC 家族的格式差异很大，但核心都可以抽象为：

对每个 partition：
    选择端点
    选择索引位宽和分区模式
    为每个 texel 选择索引

解码：
    color = endpoint0 + index / maxIndex × (endpoint1 - endpoint0)

BC1/BC3 的搜索空间相对较小；BC7 需要在 8 个模式、多个分区和不同端点量化之间搜索，因此编码速度和质量的取舍更明显。

4.7 BC 的块大小与平台

BC 通常固定为 4 × 4：

BC 主要在 DirectX / 桌面 GPU 上使用。移动端是否支持 BC 取决于 GPU、图形 API 和具体格式能力；在跨平台项目中，通常需要为不同平台准备 ASTC、ETC2 或 BC 的资源变体。

5. 格式对比与选型

5.1 核心对比

5.2 选型建议

颜色纹理

• 高质量移动端：ASTC 5 × 5 或 6 × 6；
• 桌面高质量：BC7；
• Android 兼容回退：ETC2；
• 细节很多且显存充足：ASTC 4 × 4 或 BC7。

法线贴图

• ASTC 4 × 4 / 5 × 5；
• 桌面优先 BC5；
• 避免低质量 BC1/ETC1 直接压缩 RGB 法线。

带 Alpha 的纹理

• ASTC RGBA；
• BC3 或 BC7；
• ETC2 RGBA + EAC；
• 注意 Alpha 边缘的块状伪影，必要时使用更小块或独立 Alpha 通道。

HDR 纹理

• ASTC HDR；
• BC6H。

超低码率、远距离或低频内容

• ASTC 8 × 8、10 × 10、12 × 12；
• 配合 Mipmap 和流式加载；
• 不建议对文字、UI、硬边法线使用大块。

5.3 工程注意事项

1. 尺寸对齐：块压缩要求纹理宽高是块尺寸的倍数。带 Mipmap 时，最低一级也要满足对齐要求。
2. sRGB 标记：压缩格式本身不等于颜色空间，创建纹理时要正确设置 sRGB/线性标记。
3. Mipmap：压缩前生成 Mipmap，或按 Mip 逐级压缩；不能简单把压缩块直接平均。
4. 平台变体：同一资源通常需要 ASTC、ETC2、BC 等多个变体。
5. 质量验证：压缩质量与内容强相关，必须用目标内容在目标 GPU 上验证，不能只看理论 bpp。
6. 运行时代价：GPU 编码适合实时/运行时生成纹理，但完整 ASTC 搜索通常还是离线编码质量更高。

6. 参考资料

• Khronos Data Format Specification（ASTC、ETC 等）：https://registry.khronos.org/DataFormat/specs/1.3/dataformat.1.3.html
• ARM astc-encoder：https://github.com/ARM-software/astc-encoder
• Microsoft BC7 格式文档：https://learn.microsoft.com/en-us/windows/win32/direct3d11/bc7-format
• Microsoft BC6H 格式文档：https://learn.microsoft.com/en-us/windows/win32/direct3d11/bc6h-format
• 参考实现库：UnityAstcGpuEncoder（当前项目，仅作参考实现记录）

附：一句话总结

纹理压缩的本质，是用固定大小的块、少量端点和小型权重网格近似表示大量 texel；ASTC 通过可变的块尺寸、分区、端点量化和权重网格，在质量、码率和平台覆盖之间提供了最大的可调空间。

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