[官方培训] 05-虚幻引擎中的纹理 | 周澄清 Epic

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一. 纹理知识概述

1.1 虚幻引擎中的纹理

• 纹理贴图：是用来记录色彩信息的数据载体

• 一般会用纹理贴图来装载除颜色，包括高光，金属，法线，粗糙，蒙板等数据信息
• 纹理是三维渲染输入数据的主要来源，在进行真实光照模拟时，如果只知道光照角度、强度，而不知道模拟物体表面特性，纹理贴图则会提供特性数据来源
• 纹理贴图制作中的长宽尺寸一般是 2 的幂次方

• （个别渲染硬件支持非 2 的幂次方，但是大都支持 2 的幂次方）
• 虚幻中，要求纹理必须产出 2 的幂次方
• 在向显卡传递数据时，非 2 的幂次方纹理会被转换为2的幂次方（虚幻在资产预处理阶段已经将纹理进行了转换），但这非常浪费时间

 

• UV：表示纹理贴图上每个像素点的位置信息

• 把 2D 纹理引用到 3D 模型上，需要设定贴图的循环模式（平铺）
• 均匀 UV 将是一张标准坐标系，左上角为(0,0)点，右下角为(1,1)点

 

• 纹理与 UV 相互配合

• UV 决定了纹理中像素在三维模型上的位置，而 UV 数据存在于模型上
• 在制作美术模型中，将模型完成后必须要进行 UV 展开，以便进行纹理制作

 

 

1.2 Compression 纹理压缩

• 目的：显存有限，牺牲视觉质量换取显存空间
• 颜色 color 数据与原始 raw 数据

• UE 的工作色彩空间是线性 sRGB
• 启用 sRGB：纹理提亮， 开启颜色纹理（Base / Albedo / Emissive map），本质是将 DCC 软件中保存的 sRGB 编码的颜色数据，转为线性编码（UE 的 PBR 渲染管线必须在线性编码的 sRGB 空间下进行）
• 不同压缩选项对 sRGB 选项的支持不同

• Normalmap 法线贴图不支持 sRGB
• Masks 遮罩不支持 sRGB
• Alpha 透明度不支持 sRGB

 

• 压缩算法的异同与适用场合

• DXT（BC1） / DXT3（BC3）：默认有损压缩
• BC5：默认法线贴图
• 压缩 RGB 通道时，因为人眼对绿色更敏感，G 通道会比 R、B 通道保留更多信息（如：在默认压缩方式中，G 通道占有 6 位，而 R、B 通道只占有了 5 位的数据）
• 当打包一个含金属性、粗糙度、AO 的 RGB 纹理时，通常会把对结果影响最大的粗糙度放在 G 通道，其他放在 R、B 通道里
• 压缩设置不同，但压缩方法可能相同（如：Grayscale 灰阶、Displacementmap 置换贴图两种不同的压缩设置，均使用了 G8 的压缩方法）

 

• Compress Without Alpha 无透明度压缩：压缩 RGB 纹理，不压缩 Alpha 通道（压缩 RGB 纹理比压缩 RGBA 纹理的占用资源小一倍）

 

• Normalmap 法线贴图：默认使用 BC5 的压缩格式，Normalmap 法线贴图只压缩了 R、G 通道（B通道可根据 R、G 通道求解，减少资源占用），不支持 sRGB

 

• Masks 遮罩：默认使用 DXT1 的压缩格式，不支持 sRGB

 

• Grayscale 灰阶、Displacementmap 置换贴图：均使用 G8 （非压缩格式）的压缩格式，但 Grayscale 灰阶使用的是原始数据的 R 通道，Displacementmap 置换使用 Alpha 通道

 

• VectorDisplacementmap 向量置换贴图：使用 B8G8R8A8 的压缩格式，启不启用 Compress Without Alpha 无透明度压缩对资源大小没影响

 

• HDR：使用 FloatRGBA 的压缩格式，无损存储（非压缩格式），最占资源，但精度最高

 

• HDR Compressed 压缩 HDR：有损保存 HDR 的方式

 

• UserInterface2D 用户界面2D：根据原始 HDR 文件中的信息，选择使用 B8G8R8A8 还是 FloatRGBA 的压缩格式

 

• Alpha 透明度：使用 BC4 的压缩格式，以更高精度的方式单独压缩 R 通道，不支持 sRGB

 

• DistanceFieldFont 距离场字体：很多情况下，表现与 Displacementmap 置换贴图相同，但 Displacementmap 置换贴图会根据文件信息选择 8 或 16 位，距离场仅 8 位

 

• BC7：用法上与 Default 默认压缩接近，但会耗费更多资源

 

• HalfFloat 半浮点：将 R 通道以 16 位的半精度浮点数的格式保存

 

 

 

 

1.3 纹理采样方式

• 引擎中大部分采样，默认使用线性采样的方式（过渡更柔和），但有时候（如：遮罩贴图采样）也需要得到锐利清晰的边界

 

1. Nearest Point 最近点采样

• 取离其最近一个整数像素点的值，进行采样

2. Bilinear 双线性采样

• 取离其最近一个2*2像素区域，根据其小数值做加权平均，进行采样

3. Trilinear 三线性采样

• 主要和层级贴图 Mipmap 结合使用
• 在两层的 Mipmap 上，分别各做一次双线性采用，将得到的值做一次线性采样插值得到最终结果

4. Anisotropic 各向异性采样

• 采样时，根据相机视角，离相机近的用更大采样区域，离相机远的用更窄的采样区域

 

 

1.4 Mipmap 层级纹理

• 目的：预计算增加了内存占用，换取视觉效果提升（和纹理流送结合使用，降低显存占用）
• 尺寸：长宽为 2 的幂（不一定是正方形）

• 1、2、4、8、16、32...
• 如果尺寸不满足，可以在纹理设置中选择 Power Of Two Mode：Pad to Power Of Two 自动填充纹理尺寸为 2 的幂次方

• 内存：使用了 Mipmap，会多消耗约 33% 的空间
• 生成方式：模糊或锐化（上一级的 4 个像素加权平均后生成下一级的一个像素）
• LOD Bias 偏移量 = 平台偏移 + group 组偏移 + Per tex 逐材质偏移（偏移后，近距离纹理变糊）

 

 

1.5 Texture Group 纹理组

• 目的：将纹理按其用途进行归类，便于统一批处理操作
• 通过编辑 Device Profiler 配置文件或 BaseDeviceProfiles.ini 工具，调整纹理组各参数

 

 

1.6 Texture Streaming 纹理流送

• 目的：消耗 CPU、IO 等资源，以动态加载需要用到的纹理层级，使得场景能用更多的纹理资源而不出现显存不足的情况
• 原理概述：

• 运行前，构建 Texture Streaming Data 纹理流送数据
• 运行时，CPU 根据视角、可见性、遮挡、Texture Streaming Data 等计算需要的 LOD 贴图层级
• 根据 LODBias，调整贴图层级
• 根据纹理流送池的大小（占用情况），决定加载或卸载贴图层级（贴图优先级）
• 发送异步 IO 请求，加载相关资源

 

• 常见问题与调试：

1. 显存池不足造成模糊：通过命令行输入Stat Streaming，查看当前纹理流送相关信息 r.streaming.poolsize 查看/调整默认显存纹理池大小（强行设置流送池大小为1：r.Streaming.PoolSize 1，则会报错）

 

2. 贴图精度不够或过高，导致模糊或浪费显存，可以通过肉眼观察或使用优化视图定位问题，打开优化视图，绿色则表示过高（可通过设置纹理的 LOD Bias 偏移数值，进行优化）

 

3. 调试时，r.Streaming.DropMips 2 ：禁用纹理池中的缓存或被隐藏的贴图，只保留当前使用的纹理层级，使调试数据更准确

• 设置纹理为流送

 

• 命令行输入 Statistics，开启统计数据，查看当前纹理占用情况

 

4. 渲染 Sequence 时，如果镜头快速切换会导致纹理猝不及防，可以给纹理先预热 Warm up 个几帧

 

 

二. 常用纹理类型

 

 

2.1 Texture2D 二维纹理

• 上文介绍的纹理流送这些都是二维纹理（可理解为图片纹理）

 

 

2.2 Cubemap 立方体纹理

• 由 6 张二维纹理组合成立方体的纹理
• 不再通过 UV 坐标进行采样，而是通过方向向量采样，主要用于：

• 天光、天空盒、室内橱窗映射 Interior mapping

 

• 创建方式：

1. 在 DCC 软件中创建 .dds 或 .hdr 文件，导入引擎

• 导入外部制作的 HDR 全景图

 

• 使用导入的纹理作为天光

 

2. 在引擎中动态创建

• 添加 Scene Capture Cube 场景捕获立方体，放置在场景中的封闭空间中（模拟全局环境），并设置立方体纹理渲染目标

 

• 将立方体纹理渲染目标映射到平面，不同角度观察有不同效果（类似于室内橱窗映射）

 

 

2.3 Volumetric Texture 体积纹理

• 目的：表达 3D 空间信息，而不仅仅表达物体表面信息
• 原理：将 2D 纹理分块，每块代表 3D 空间一个横截面的信息
• 用途：

• 将复杂的着色预计算后烘培到体积纹理
• 常用于云雾烟等特效表现

 

• 假定有一张 16*16 像素的噪点纹理材质，基础通道着色器含 223 条指令

 

• 将此纹理材质烘培到 RT 渲染目标，由 RT 转静态纹理，再由静态纹理最终生成 Volumetric Texture 体积纹理

 

• 将 Volumetric Texture 体积纹理运用于材质，可以制作波光粼粼效果，基础通道着色器指令数减少到 45 条

 

 

2.4 RenderTarget 渲染目标

• 目的：运行时动态创建纹理内容（如上节案例所示，使用 Draw Marital to Render Target 节点运行时创建）
• 用途：

• 将引擎模拟的内容烘培成静态纹理，减少消耗
• 引擎延迟渲染管线中的 Gbuffer 就是一系列的渲染目标
• Shader Map 阴影贴图等也用到
• 各种特效（如水底倒影、雪地轨迹...）

 

 

2.5 Streaming Virtual Texture 流式虚拟纹理

• 使用固定的内存开销情况下，支持更大尺寸的纹理，运行时，由引擎动态调度加载/卸载哪个纹理层级的哪个部分
• Streaming Virtual Texture 流式虚拟纹理采样（相较于普通纹理采样），需要更高的 GPU 开销，有利于更好地 batching

 

• Streaming Virtual Texture 流式虚拟纹理与 Texture Streaming 纹理流送的区别：

	Streaming Virtual Texture 流式虚拟纹理	Texture Streaming 纹理流送
信息计算	GPU 基于 G-Buffer 信息（精确度更高）	CPU 基于包围盒信息/UV 信息等计算当前一帧所需纹理的 LOD 层级（信息未必准确）
加载	按需加载可见区域，将纹理细分为 tile（默认尺寸 128*128），以节省资源和内存开销	会加载整个 mip 层级（哪怕只显示了一小部分）

 

• UDIM 支持超大尺寸贴图拼接：将几个正常尺寸的贴图拼接成超大尺寸虚拟纹理，方便统一多种物体的材质（使用同一个 Shader），进行合拼渲染，减少 DrawCall，提升渲染效率

1. UDIM 文件格式命名规范：文件名.UDIM数值编码.png
2. 修改 UV 范围为：0-2

 

3. 打开优化视图：虚拟纹理待定 Mips，查看是否理想

 

• Virtual Lightmap 虚拟光照贴图的支持：导入一个超大尺寸纹理时会自动转换为虚拟纹理

 

1. 将一般纹理右键 Convert to Virtual Texture 转换为虚拟纹理，右下角出现 VT 提示

 

2. 采样器类型：相应的变化为虚拟

 

3. 假如导入一张超大的纹理，Streaming Virtual Texture 流式虚拟纹理被自动勾选

 

• 控制台命令 r.vt.borders 1 查看流式虚拟纹理的 debug 信息

 

 

2.6 Runtime Virtual Texture 运行时虚拟纹理

• 目的：运行时支持动态生成的超大纹理
• 用途：

• 超大的过程纹理 / 渲染目标（Render Target），可用于大地形
• 支持更多的纹理混合，提升品质
• 用作超大的作为一个巨大的渲染结果缓存，优化运行效果（空间换时间）
• 地图分层渲染

• 使用：

• 不适合动态物体（不能保证每帧及时更新），适合扁平的物体（如：道路）
• 可以存储 YCoCg 编码的颜色以替代 RGB 颜色，可以改善 Color Banding and Shade 色带和色差（但会多出 25% 的内存消耗）
• 瓦片拼合时边界的处理 Tile Border anisotropic filtering（Tile Border 默认 4，可设置更高，）

 

1. 同 Streaming Virtual Texture 流式虚拟纹理，使用 Runtime Virtual Texture 运行时虚拟纹理前，需先打开

 

2. 创建 Runtime Virtual Texture 运行时虚拟纹理，设置需要保存的信息

 

3. 在场景中放置 Runtime Virtual Texture Volume 运行时虚拟纹理体积，指定使用的范围