3.2 纹理系统：采样、mipmap与压缩

3.2 纹理系统：采样、mipmap与压缩

本节摘要：纹理是 GPU 侧的多维像素阵列，采样是从阵列里按浮点坐标取色的过程。本节剖开「坐标 → 颜色」这步看似简单的映射：环绕与过滤规则决定边缘和缩放的行为，mipmap 金字塔同时解决远处闪烁与带宽爆炸，各向异性过滤修正斜视角的采样失真，压缩纹理把带宽成本砍掉四分之三。结尾给出采样的完整决策表。这是第 5 章全部贴图技术的地基。

「取一个像素」为什么值得解剖一章

片元着色器里一行 texture(tex, uv) 背后藏着至少四层决策：坐标落在纹理边界外怎么办（环绕模式）？浮点坐标落在两个像素之间怎么办（过滤模式）？纹理在屏幕上被缩成一小块时取哪个分辨率的版本（mipmap 层级）？这块纹理值不值得为它花显存带宽（压缩格式）？每一层都有默认值，默认值能跑，但四层全用默认值的画面，正是「远处闪成噪点、斜着看全糊」的典型患者。

先建立数据观：纹理在 GPU 眼里只是「带宽度高度深度的像素数组」。数组本身无语义——用法线当颜色画出来是蓝紫色的调试常用技巧，反过来把颜色数据当法线采样就是病变。语义由采样它的着色器代码决定，这个「数据与解释分离」的思想贯穿第 5 章所有花式贴图（法线贴图、粗糙度贴图都是同一数组不同解释）。

环绕与过滤：边界的两条规则

环绕模式（GL_REPEAT、GL_MIRRORED_REPEAT、GL_CLAMP_TO_EDGE、GL_CLAMP_TO_BORDER）回答边界外的问题。砖墙、地面这类需要无缝平铺的贴图必须 REPEAT；镜面地板的倒影纹理常用 MIRRORED 省一半贴图；而 CLAMP_TO_EDGE 是「边缘像素拉出去」的封口处理，非平铺纹理的默认安全选项。选错的症状很直白：该平铺的贴了 CLAMP，地面远处拉成条纹；该封口的贴了 REPEAT，贴图边缘出现诡异的接缝渗色。

过滤模式回答「像素之间」的问题。GL_NEAREST 取最近的那个像素——像素风、马里奥式硬边效果的正选，也是诊断纹理坐标是否正确的调试工具（硬块状至少看得清采样到哪）。GL_LINEAR 双线性插值四个邻居——平滑质感的默认选择。纹素与像素的尺寸关系决定谁更合适：纹理被放大（一个纹素占多个屏幕像素）时 LINEAR 显著更平滑；纹理被缩小时，双线性只插值 4 个邻居远远不够——这引出主角 mipmap。

mipmap：金字塔的两层收益

把 1024×1024 的纹理缩到屏幕上 16×16 的区域，双线性过滤每次只在纹素网格里取 4 个样本——这 4 个样本随机落点，帧与帧之间相机一动就换一批，表现为远处的闪噪。更深的问题是带宽：缩小 64 倍意味着要正确表现颜色，理论需要把约 4096 个纹素平均成一个颜色，而管线只肯采 4 个。

图 3-2 mipmap 金字塔：按屏幕尺寸取对的那一层

生成 mipmap 只要一行 glGenerateMipmap，但忘记调用是新手高发病：只上传了第 0 层却请求 mip 过滤，采样落到不存在的层，整张纹理黑掉；或者没开 GL_TEXTURE_MIN_FILTER 的 mip 档位（注意最小过滤与放大过滤是两个独立参数，mip 只属于最小侧），金字塔生成了也没用上。

压缩纹理：带宽视角的选型

未压缩的 RGBA 纹理每像素 4 字节。4K 贴图一按计算器：4096×4096×4 ≈ 64 兆字节，VRAM 吃紧之外，每帧被采样的带宽才是真账单。GPU 原生压缩格式（桌面端的 BC 系列、移动端的 ETC/ASTC）按 4×4 像素块压缩，每像素约 0.5 到 1 字节——带宽与显存同时砍到四分之一到八分之一，且解压由采样硬件即时完成、零运行时成本。代价是固定的块状有损压缩，渐变色带、法线精度需要留意（法线贴图有专门的压缩变体）。

压缩格式里有两处选型细节。其一，BC7 与 BC1 的分水岭：BC1 每像素半字节、适合漫反射这类容差大的贴图；BC7 每像素一字节、质量接近无损，法线与需要精确颜色的贴图选它——同一套资产里混用两种格式是常态，按贴图语义分配预算。其二，压缩是资产管线的一环：压缩在离线工具里完成、随资产分发，运行时直接上传压缩数据（glCompressedTexImage2D 一族）；把未压缩贴图留到运行时再压，既慢又白白多传一遍数据。

选型逻辑一句话：运行时下载的中间产物（渲染到纹理的中间层）保持原生格式；美术资产（漫反射、法线、粗糙度）一律离线压成块格式。

采样决策表

⚠️ 常见坑：纹理尺寸不是 2 的幂。旧时代直接不可采样；现代OpenGL 放开了限制，但非 2 幂纹理拿不到完整 mipmap 链和 REPEAT 环绕，性能路径也劣化。贴图尺寸尽量对齐 2 的幂，资产管线里就当规矩定死。

再补一个新手高频疑问：同一张纹理被多个着色器共用时要重复绑定吗？绑定是纹理单元级的状态——同一帧里换着色器但不换纹理时，纹理绑定可以不动（省一次切换）；反过来，一个着色器要同时读多张纹理（PBR 的四张贴图）时才需要多单元绑定（4.1 节三车道图的 sampler 多槽位）。理解「纹理单元是插槽、绑定是把图插进插槽」这个模型，绑定策略就有章可循：按「材质切换频率」组织插槽，而不是随手乱占——6.2 节的无绑定纹理正是把这套插槽管理整个免掉的升级件。

本节要点回顾

• 纹理是无语义数组：数据与解释分离，法线贴图只是「同一数组换种解释」
• 环绕管边界、过滤管像素之间：两个独立参数，症状对照表排查
• mipmap 双收益：消灭远处闪噪 + 带宽骤降，代价仅多 1/3 显存
• 忘生成 mipmap 的指纹：远处闪噪或整片黑，一行 glGenerateMipmap 的账
• 各向异性治斜视角：地板糊成条是它的主治，倍数按需设
• 美术资产一律块压缩：带宽显存双赢，解压免费

纹理这条补给线通了。下一节解剖输出端的路由器——帧缓冲对象：渲染结果怎么离开屏幕、进入纹理、再被下一遍渲染消费，离屏渲染的闭环就此建立。