【URP】Unity中Mipmap Streaming原理与实现

news/2025/10/20 9:06:38/文章来源:https://www.cnblogs.com/SmalBox/p/19151765

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

纹理流送技术，其核心在于动态加载纹理的 Mipmap 级别，而非一次性加载所有层级的纹理数据。传统 Mipmap 会预生成并加载所有层级的纹理（从原始尺寸到最小尺寸），占用显存为原始纹理的 4/3 倍。

Mipmap Streaming 优化机制：

‌分级加载‌：

根据物体与摄像机的距离，仅加载当前所需的 Mip 层级，其他层级按需从磁盘异步加载。

‌DDX/DDY 计算‌：

GPU 通过内部值 DDX 和 DDY（基于像素的 UV 坐标变化率）动态决定采样所需的 Mip 层级，匹配像素覆盖的 Texel 大小。

‌纹理金字塔管理‌：

Unity 维护一个纹理金字塔（14 个层级，最高支持 8192x8192），运行时仅激活必要的层级。

解决的问题

‌显存优化‌：

避免一次性加载所有 Mip 层级，显著降低显存占用，尤其对移动端（如 HUAWEI P30 测试案例）和高分辨率纹理场景至关重要。

‌带宽效率‌：

减少 GPU 带宽压力，仅传输可见层级的纹理数据，提升渲染性能。

‌摩尔纹消除‌：

通过动态匹配 Mip 层级，避免远距离物体因像素与 Texel 不匹配产生的锯齿和摩尔纹。

原理详解

当物体远离摄像机时主要流程：

GPU 通过 DDX/DDY 计算当前像素覆盖的 Texel 面积，选择 Mip 10（512x512）。
Unity 释放更高层级的显存（如 Mip 11-12），从磁盘按需加载更低层级（如 Mip 9）。
若物体突然靠近，高优先级层级的 Mip 会优先加载，避免视觉卡顿。

‌Mip 层级选择计算‌

GPU 通过 DDX/DDY 导数计算当前像素的 UV 变化率，推导出纹理采样所需的理想 Mip 层级（记为 MipLevelideal）。例如，当物体远离摄像机时，UV 变化率降低，MipLevelideal 值增大（选择更低分辨率的层级）。

‌层级动态加载与卸载‌

Unity 仅将 MipLevelideal 及其相邻层级（如 ±1 级）加载到显存，其他层级保留在磁盘。例如：
- 若 MipLevelideal=4（对应 256x256 纹理），则加载 Mip 3-5 级，卸载其他层级。
- 通过 Texture2D.streamingMipmaps 属性可强制指定加载特定层级（如 MipLevelideal+2）。

‌内存预算控制‌

系统根据 QualitySettings.streamingMipmapsMemoryBudget 全局预算动态调整层级。若总纹理内存超限，自动降低非关键纹理的 Mip 层级（如将 MipLevelideal 强制偏移 +1）。

具体示例：开放世界地形纹理流送

假设场景中存在 2048x2048 的地形纹理（Mip 0-11 级），摄像机由近及远移动：

‌近距离阶段‌
- 计算得 MipLevelideal=2（512x512），加载 Mip 1-3 级。
- 显存占用：512² + 256² + 1024²（约 1.75MB）。
‌中距离阶段‌
- 摄像机拉远，MipLevelideal 变为 5（64x64），卸载 Mip 1-3，加载 Mip 4-6。
- 显存降至 64² + 32² + 128²（约 24KB）。
‌突发情况处理‌

若摄像机快速切近，通过 Texture.streamingMipmapPriority 提高优先级，强制预加载 Mip 0-2 级以避免卡顿。

关键 API 与配置

‌纹理设置‌：在 Inspector 中启用 Streaming Mip Maps 并设置 Mip Map Priority（默认 0，范围 -128 到 127）。

‌代码控制‌：

csharp
// 强制某纹理使用 Mip 5 级
Texture2D tex = GetComponent<Renderer>().material.mainTexture as Texture2D;
tex.streamingMipmaps = true;
tex.RequestMipLevel(5);// 异步加载

‌摄像机覆盖‌：通过 Streaming Controller 组件设置 Mipmap Bias，全局偏移所有纹理的 MipLevelideal（如 +2 级以降低画质）

纹理金字塔的共享机制

Unity 的纹理金字塔（Mipmap 层级）是‌基于纹理资源本身维护的‌，而非每个物体单独维护。所有使用同一纹理的物体共享同一套纹理金字塔数据，运行时根据物体的屏幕空间覆盖率和摄像机距离动态激活所需的 Mip 层级。

‌资源级管理‌

每个导入的纹理（如 2048x2048 的 PNG）在 Unity 中生成独立的 Mipmap 金字塔（14 个层级）。这些层级存储在磁盘和内存中，作为纹理资源的固有属性，而非物体属性。

‌动态层级激活‌

GPU 通过 DDX/DDY 计算当前像素的 UV 变化率，推导出适合的 Mip 层级（如远距离物体使用 Mip 5 级）。
Unity 的 Mipmap Streaming 系统仅加载当前需要的层级（如 Mip 4-6），其他层级保留在磁盘或按需异步加载。

‌显存优化‌

多个物体共享同一纹理时，显存中仅存储该纹理的激活层级。例如：
- 物体 A 和 B 使用纹理 Tex_01，当前需 Mip 3 级，显存仅保留 512x512 版本。
- 物体 C 使用同一纹理但需 Mip 5 级，系统复用已有金字塔数据，无需重复加载。

示例场景分析

假设场景中有 100 个岩石模型共用同一 4K 纹理：

‌未启用 Streaming‌：所有 14 个 Mip 层级（总计约 5.3MB）加载到显存，无论物体远近。
‌启用 Streaming‌：
- 近处岩石使用 Mip 2（1024x1024），远处使用 Mip 6（256x256）。
- 显存仅保留 Mip 2-4 和 Mip 5-7，其他层级卸载，总占用降至 1.2MB。

性能影响与配置

‌全局控制参数‌：QualitySettings.streamingMipmapsMemoryBudget 限制所有纹理的流送内存总和，超限时自动降低非关键纹理的层级。
‌优先级设置‌：通过 Texture.mipMapPriority 调整纹理加载顺序，确保重要纹理（如角色贴图）优先获取高精度层级。

这种设计避免了重复资源存储，同时通过动态流送优化显存和带宽