Android 使用压缩纹理

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