2026/7/26大约 7 分钟
GPU 纹理压缩详解 (BC / ASTC / ETC)
引言：为什么需要 GPU 纹理压缩
一张未压缩的 1024×1024 RGBA32 贴图占 4 MB 显存。一个场景成百上千张贴图，显存和带宽瞬间爆炸。GPU 纹理压缩要解决两件事：
- 省显存 / 省带宽：贴图在显存里始终保持压缩态，采样时由纹理单元现场解码。
- 且必须满足一个硬约束：能被 GPU 在采样时实时、随机地硬件解码。
正是这个"随机 + 实时"的约束，决定了 GPU 纹理压缩不能用 PNG/JPEG，而要走块压缩（Block Compression） 路线。
一、共同基础：块压缩
无论 BC 还是 ASTC，底层思想一致：
四个关键性质：
| 性质 | 含义与价值 |
|---|---|
| 定块 | 切成固定小块（BC 恒 4×4 纹素；ASTC 可变） |
| 定长 | 每块压成固定字节数 → 压缩率可预测、内存可预算 |
| 随机访问 | 采样任意纹素只需解码它所在的一个块，常数时间 —— 硬件采样的硬需求 |
| 有损 | 固定比特预算 → 丢弃信息 |
为什么不能用 PNG / JPEG
PNG/JPEG 是整图、变长、非随机访问的：要取一个像素，几乎得解开整张图。GPU 采样一个纹素时无法只解一小块，所以它们不能直接作为 GPU 纹理（只能先全解压成 RGBA 再上传，那就没有省显存的意义了）。
二、收益：码率与内存对比
块压缩把每纹素的比特数（bpp）从未压缩的 32 bpp 大幅降低：
- 未压缩 RGBA32 = 32 bpp；BC1 = 4 bpp（8:1）；BC7/BC3 = 8 bpp（4:1）。
- ASTC 靠块大小在 8 ~ 0.89 bpp 之间连续可选。
- 显存与带宽收益与 bpp 成正比 —— 这是纹理压缩在性能优化里的核心价值。
三、BC 系列（Block Compression，即老 DXT / S3TC 家族）
基本手法：端点 + 插值 + 索引
以 BC1（DXT1） 为例，对每个 4×4 块：把这 16 个纹素的颜色近似看作分布在颜色空间的一条线段上，只存两端点，中间靠插值：
每个块存：
· 2 个端点颜色 (RGB565, 各 16 bit) = 32 bit
· 由端点插值出 4 色调色板 (端点0/1、1/3、2/3处)
· 16 个纹素各存 1 个 2-bit 索引 (指向 4 色之一) = 32 bit
合计 64 bit = 8 字节 / 16 纹素 → 4 bpp本质：假设小块内颜色变化不大、可用"两端点之间的一条线"近似，每个纹素只存"落在线上哪个刻度"的索引。
BC 各变体分工
| 格式 | 内容 | bpp | 典型用途 |
|---|---|---|---|
| BC1 (DXT1) | RGB(+1bit alpha) | 4 | 不透明漫反射贴图 |
| BC3 (DXT5) | RGB + 插值 alpha | 8 | 带平滑透明的贴图 |
| BC4 | 单通道插值 | 4 | 高度图 / 灰度 / 遮罩 |
| BC5 | 双通道 (BC4×2) | 8 | 法线贴图（存 XY，重建 Z） |
| BC6H | HDR RGB (16bit float) | 8 | HDR 环境 / 光照贴图 |
| BC7 | 高质量 RGBA (LDR) | 8 | 高质量彩色 / 带 alpha |
BC1~5 vs BC6H / BC7 的进化
- BC1~5：简单"两端点一条线 + 索引"，一个块只有一对端点。
- BC6H / BC7：引入分区（partition） 与多模式（mode）—— 一个块可切成几个区域、各用自己的端点对，并能选不同比特分配方案。于是能拟合更复杂的块，同 8 bpp 下质量大幅提升。BC7 是 LDR 彩色贴图的高质量首选。
四、ASTC（Adaptive Scalable Texture Compression）
由 ARM / AMD 主导，移动端主流。它把块压缩的灵活性推到极致，两个关键词：
Scalable —— 块大小可变、码率可选
ASTC 每块恒为 128 bit（16 字节），但这个块可覆盖 4×4 到 12×12（含非正方形）不等的纹素：
| 块大小 | 码率 | 定位 |
|---|---|---|
| 4×4 | 8 bpp | 质量最高 |
| 6×6 | ≈ 3.56 bpp | 平衡 |
| 8×8 | 2 bpp | 省 |
| 12×12 | ≈ 0.89 bpp | 最省 |
同一格式，仅靠选块大小就能在"质量 ↔ 体积"间平滑取舍 —— 这是 BC（固定 4×4）做不到的。
Adaptive —— 块内布局自适应
每个 128-bit 块里有个 Block Mode（配置字段），描述这 128 位如何分配，可自适应调整：
| 可调项 | 作用 |
|---|---|
| 分区（最多 4 个） | 块内分区域、各自独立端点 → 拟合复杂块 |
| 端点格式 / 精度 | 按需选颜色端点编码方式与位数 |
| 权重网格 | 逐纹素插值权重存在可低于块分辨率的网格上再上采样，权重分辨率与块大小解耦 |
正因每块能自适应选择这些配置，ASTC 在同码率下质量普遍优于 BC，并原生支持 1~4 通道、LDR 与 HDR、2D 与 3D。代价是解码更复杂、编码（压缩）很慢。
五、ETC（Ericsson Texture Compression）
移动端的老标准，了解即可：
- ETC1：RGB，4 bpp，无 alpha；OpenGL ES 2.0 时代标配。
- ETC2：RGB / RGBA，向后兼容 ETC1；OpenGL ES 3.0 标配。
- 现在移动端首选 ASTC，ETC2 作为老设备回退。
六、横向对比
| 维度 | BC 系列 | ASTC | ETC2 |
|---|---|---|---|
| 块大小 | 固定 4×4 | 可变 4×4~12×12 | 固定 4×4 |
| 每块字节 | 8 或 16 | 恒 16（128 bit） | 8 或 16 |
| 码率 | 4 / 8 bpp | 0.89~8 bpp 连续 | 4 / 8 bpp |
| HDR | BC6H | 支持 | 不支持 |
| 通道 | 按格式固定 | 1~4 灵活 | RGB/RGBA |
| 平台 | 桌面 / 主机（DX） | 移动端主流（现代 GPU 普遍支持） | 移动端（老） |
| 质量 / 码率 | BC7 已很好 | 通常更优、更灵活 | 一般 |
| 编码速度 | 较快 | 较慢 | 较快 |
七、选型实践
| 场景 | 推荐 |
|---|---|
| 桌面/主机 彩色贴图 | BC7（高质）/ BC1（省） |
| 桌面/主机 法线贴图 | BC5（避免 BC1 破坏法线） |
| 桌面/主机 HDR 贴图 | BC6H |
| 桌面/主机 高度/遮罩 | BC4 |
| 移动端 通用 | ASTC（按重要度选块大小：重要 4×4/6×6，次要 8×8+） |
| 移动端 老设备回退 | ETC2 |
八、注意点
- 法线贴图别用 BC1：三通道线性压缩会破坏法线方向；用 BC5（XY 双通道重建 Z）或 ASTC。
- sRGB vs Linear：颜色贴图按 sRGB 采样、法线/数据贴图按 Linear，压缩格式要选对对应变体。
- Mipmap：压缩与 Mipmap 配合能进一步省远处采样带宽（呼应各向异性/Mipmap 抗锯齿）。
- 不要二次压缩：已压缩贴图再压会累积损失；从无损源重新压。
- 编码耗时：ASTC / BC7 高质量编码很慢，通常离线在资源导入/打包时完成。
附：核心概念速查
| 概念 | 说明 |
|---|---|
| 块压缩 | 切固定块、每块定长、随机访问、硬件实时解码 |
| bpp | 每纹素比特数，越低越省（未压缩 RGBA32 = 32） |
| 端点 + 索引 | BC 的核心：存两端点色 + 每纹素索引落点 |
| 分区 / 模式 | BC6H/BC7、ASTC 拟合复杂块的手段 |
| ASTC 可变块 | 4×4~12×12，码率 8~0.89 bpp 连续可选 |
| BC5 | 双通道，法线贴图首选 |
| BC6H | HDR 纹理压缩 |
总结
- GPU 纹理压缩使用块压缩（Block Compression）实现随机访问和硬件实时解码，与 PNG/JPEG 等整图变长压缩有本质区别。
- BC 系列以固定 4×4 块为基础，通过端点和索引插值实现压缩，BC1~5 适合不同类型素材，BC6H/BC7 引入分区和多模式带来更高质量。
- ASTC 支持可变块大小（4×4 到 12×12），码率在 0.89~8 bpp 间连续可选，块内布局自适应，质量和灵活性更高，是移动端主流方案。
- ETC2 作为移动端老标准，现主要用于老设备回退。
- 选型上桌面/主机推荐 BC 系列（BC7 彩色、BC5 法线、BC6H HDR），移动端首选 ASTC 并按素材重要度选择块大小。