5.3 滤波与 mipmap：采样质量裁判

5.3 滤波与 mipmap：采样质量裁判

本节摘要：屏幕像素与纹理单元很少一一对应，滤波决定"取一个点还是插一片"，mipmap 决定"查原版还是查缩版"。本节把放大、缩小两类问题分开讲透，解释 mip 金字塔的运作机制，并给出各向异性过滤与手动选层的实战用法。

学习目标

读完本节，你应当能够：解释邻近过滤与线性过滤的视觉差异及适用场景；说出 mipmap 链的构造与选层原理；面对远景闪烁与摩尔纹给出正确的采样配置；用 textureLod 手动控制模糊程度。

放大与缩小是两类不同的问题

把一张 256 见方的贴图贴到一个只占屏幕 64 像素的物体上，平均每个像素要代表 16 个纹理单元——信息太多了，只能挑。反过来，把 4K 贴图怼到一个占满全屏的物体上，像素又比纹理单元多——信息不够，只能猜。滤波就是在解决"挑"与"猜"：

放大场景里，邻近过滤（NEAREST）取离 UV 最近的单个纹理单元，得到复古像素风；线性过滤（LINEAR）插值周围四个纹理单元，得到柔和平滑。两种都是合法风格，像素游戏刻意选前者。

缩小场景才是重灾区：单个像素代表一大片纹理单元时，"挑最近一个"完全是抽签——相机每挪一点，抽中的纹理单元就换一批，画面高频闪烁；规则条纹还会与像素网格干涉出摩尔纹。线性过滤帮一点忙但不够，因为问题不在插值而在"根本该换一张更小的图"。这正是 mipmap 登场的地方。

图：mipmap 金字塔与按距离选层

mipmap：用三成空间换稳定

mip 链的构造朴素而有效：把原图逐级减半预生成（1024、512、256……直到 1），加载时全部放进显存。采样时 GPU 根据该片元附近 UV 的变化率判断"这个像素大概代表多大一片纹理"，直接取对应层级——远处取高层的模糊小图，近处取低层的清晰大图。闪烁与摩尔纹的根源（大图硬塞给少像素）从机制上消失。

显存代价约多三成（金字塔总体积是原图的 1.5 倍），换来的是远景稳定与缓存命中率上升，这笔账在几乎所有 3D 场景里都划算——mipmap 默认开几乎是行业共识。相邻层级直接切换会有接缝感，三线性过滤（在两个 mip 层之间再插值）让过渡不可察觉，通常与 mipmap 搭配出厂。

选层的依据是 UV 的屏幕空间导数——正是 4.2 节讲过的 fwidth 同族机制。这也解释了 5.2 节的提醒：旋转、极坐标这类打乱 UV 梯度的变换会误导选层，偏糊偏闪都要先想到这里。

各向异性过滤与手动选层

默认的 mip 选层按"最陡方向"取保守值，斜视地面这类场景会过度模糊——你斜着看一条长路，近处路面明明清晰却发糊。各向异性过滤（anisotropic filtering）允许沿纹理各方向分别采样多个 mip 层，斜视时保住该清晰的维度。它的开销随倍率上升，16x 是桌面平台司空见惯的设置，移动端酌情降档。

另一件趁手的工具是手动选层。texture 函数自动选层，textureLod 让你指定层级：

// 自动选层：常规采样
vec4 sharp = texture(uTex, vUv);

// 手动指定第 3 层：等于预置模糊，做景深近似、光晕扩散都好用
vec4 blurry = textureLod(uTex, vUv, 3.0);
​

第三个参数是浮点数，允许小数（在两层之间取插值）。"用 lod 换模糊"是后处理章节会复用的技巧：泛光的高斯模糊要跑多趟，而廉价场景里一趟 textureLod 就能糊出雏形。lod 参数本身还能用噪声扰动，做出手绘抖动风格的采样。

⚠️ 常见坑：把贴图缩小寄望于"加载时省内存"是反向操作——mip 链只在加载原尺寸图时才有意义。给远景用的装饰贴图直接出小图即可，别用 4K 图加满级 mip 充数。

动手验证：把 mip 层级画成颜色

机制讲再多不如亲眼看一次选层。用一个调试技巧把"GPU 实际选了哪层"直接显示出来——用图层序号做色带：

#version 330 core
in vec2 vUv;
out vec4 FragColor;
uniform sampler2D uTex;

void main() {
    // textureQueryLod 返回驱动为该 UV 建议的 mip 层级（x 分量）
    float lod = textureQueryLod(uTex, vUv).x;
    // 调试色带：蓝（近，层级 0）渐变到红（远，高层级）
    vec3 dbg = mix(vec3(0.1, 0.3, 0.9), vec3(0.9, 0.2, 0.1), clamp(lod / 8.0, 0.0, 1.0));
    FragColor = vec4(dbg, 1.0);
    // 正式输出注释备用：FragColor = texture(uTex, vUv);
}
​

对着这个调试视图移动相机，能亲眼看到层级随距离爬升；换成 5.2 节的极坐标采样再看，会发现层级被虚高——那就是旋转 UV 干扰选层的实锤。textureQueryLod 属于较新的查询接口，环境不支持时可退而求其次：用 textureLod 手动遍历各层级采样对比，效果同等直观。

两问两答

问：为什么我的远景贴图看起来"水波纹"一样闪？ 典型的 mip 缺失或选层不足症状。检查三项：贴图导入时 mip 链有没有生成；采样器有没有启用 mip 过滤；贴图尺寸是不是 2 的幂（部分移动环境缺一不可）。三项都正常还闪，上各向异性过滤。

问：UI 贴图需要 mipmap 吗？ 多数不需要。UI 元素基本按像素一比一显示（不缩小），mip 链白白多占三成显存。反过来，3D 场景内所有会被透视缩小的贴图——墙面、地面、角色——都必须有。判断标准就一条：这张图会不会被缩小显示。

本节要点回顾

• 两类问题分开治：放大靠插值补信息（像素风选邻近、平滑选线性），缩小靠降采样保稳定；
• mip 链机制：逐级减半预生成，按 UV 变化率自动选层，显存加三成换远景稳定；
• 三线性搭配：层级间再插值，切换无感，默认与 mipmap 成对出现；
• 各向异性：斜视场景保住清晰维度，桌面 16x 常见，移动端按带宽降档；
• textureLod：手动指定层级即预置模糊，是廉价模糊与风格化采样的入口。

素材质量问题收尾。下一章进入表现力的高地：光照模型，把贴图、法线、点积全部串成一条完整的光照链。