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【URP】Unity中Mipmap是如何实现的？

news 2025/10/19 15:00:14

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

MipMap是Unity中用于优化纹理渲染的多级渐远纹理技术，其核心原理是通过预生成一系列分辨率递减的纹理金字塔（从原始尺寸逐级减半至1×1像素），根据物体与摄像机的距离动态选择合适层级的纹理进行采样。在URP（Universal Render Pipeline）中，该技术通过减少远处物体的纹理细节来提升渲染效率，同时避免因纹理缩小导致的摩尔纹和锯齿现象。

原理详解

‌纹理金字塔构建‌：

原始纹理经过滤波处理生成多级缩略图，例如256×256的纹理会生成128×128、64×64等层级，每级分辨率递减50%。

‌动态层级选择‌：

GPU根据像素在屏幕空间中的覆盖面积自动计算合适的Mip层级（公式为level = log2(max(ddx,ddy))，其中ddx/ddy为纹理坐标导数）。

‌过滤技术配合‌：

‌双线性过滤‌：在单一Mip层级内插值。
‌三线性过滤‌：在相邻两个Mip层级间插值，消除层级切换的突兀感。

构建纹理金字塔

在Unity URP中，Mipmap纹理金字塔的构建是通过GPU逐级下采样实现的，其核心流程分为硬件自动生成和计算着色器手动生成两种方式。

硬件自动生成原理

‌基础纹理处理‌：原始纹理（如2048×2048）经过双线性/三线性滤波处理，生成分辨率逐级减半的子纹理（1024×1024、512×512等），直至1×1像素。
‌层级关系计算‌：GPU根据屏幕像素覆盖率自动选择Mip层级，公式为：$lod=log2(max(\frac{\partial u}{\partial x},\frac{\partial v}{\partial y}))$其中偏导数通过纹理坐标微分计算。

计算着色器手动生成示例（Hi-Z技术）

通过Compute Shader构建深度纹理的金字塔：

HiZFeature.cs

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;
using UnityEngine.Rendering.Universal;public class HiZFeature : ScriptableRendererFeature {class HiZPass : ScriptableRenderPass {ComputeShader _hizShader;RenderTexture _hizPyramid;public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData data) {CommandBuffer cmd = CommandBufferPool.Get();// 从深度纹理生成Mipmap金字塔int width = _hizPyramid.width;int height = _hizPyramid.height;for (int mip = 0; width >= 8 || height >= 8; mip++) {cmd.SetComputeTextureParam(_hizShader, 0, "_HiZTexture", _hizPyramid, mip);cmd.DispatchCompute(_hizShader, 0, width/8, height/8, 1);width >>= 1; height >>= 1;}context.ExecuteCommandBuffer(cmd);CommandBufferPool.Release(cmd);}}
}

HiZ.compute

#pragma kernel CSMain_HiZ
Texture2D<float> _DepthTexture;
RWTexture2D<float> _HiZTexture;[numthreads(8, 8, 1)]
void CSMain_HiZ(uint3 id : SV_DispatchThreadID) {// 8x8区域取最大深度值作为下采样结果float maxDepth = 0;for (int x = 0; x < 8; x++) {for (int y = 0; y < 8; y++) {maxDepth = max(maxDepth, _DepthTexture[id.xy * 8 + uint2(x,y)]);}}_HiZTexture[id.xy] = maxDepth;
}

关键步骤解析

‌层级生成逻辑‌：每级Mipmap通过对上一级4个像素取平均值（颜色纹理）或最大值（深度纹理）生成，例如256×256纹理生成128×128层级时，每个新像素由原纹理2×2区域计算得出。
‌过滤模式影响‌：
- ‌双线性过滤‌：在单层Mip内插值4个相邻纹素。
- ‌三线性过滤‌：在相邻两层Mip间进行二次插值，消除层级切换突变。

应用场景对比

生成方式	适用场景	性能开销
硬件自动生成	常规颜色纹理	低
计算着色器生成	深度纹理/特殊效果（如Hi-Z）	中高

通过调整RenderTexture.useMipMap属性和GenerateMipMaps标志位可控制生成行为。手动生成更适合需要自定义下采样规则的场景，如遮挡剔除优化.

实现动态层级选择

在Unity URP中，Mipmap的动态层级选择是通过GPU硬件自动计算纹理坐标的导数（ddx/ddy）实现的.

动态选择原理

‌导数计算‌$lod=log2(max(∥\frac{\partial u}{\partial x}∥,∥\frac{\partial v}{\partial y}∥))$

GPU通过片元着色器中的纹理坐标偏导数（ddx(uv)和ddy(uv)）确定屏幕像素覆盖的纹理区域大小。当物体距离摄像机越远，UV坐标变化率越大，导数值越高。

示例：若屏幕像素覆盖4×4纹素区域，则Mip层级计算公式为：

此时计算结果为2（因4=2²），选择Mip Level 2的纹理。
‌层级插值‌

启用三线性过滤时，GPU会在计算出的层级（如2.3级）相邻两层（Level 2和Level 3）之间进行插值，消除突变感。
‌LOD偏移控制‌

URP通过Texture2D.mipMapBias参数手动调整层级偏移，正值使纹理更模糊（强制使用更高层级），负值保留细节（偏向低级）。

实现示例

以下Shader代码演示手动控制Mip层级的两种方式：

hlsl
// 方式1：通过tex2Dlod硬编码层级
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {float4 uv = float4(i.uv, 0, _ManualLod); // _ManualLod为自定义层级return tex2Dlod(_MainTex, uv);
}// 方式2：根据距离动态计算层级
float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
float dist = distance(_WorldSpaceCameraPos, worldPos);
float lod = log2(dist * _LodScale); // _LodScale控制距离敏感度
fixed4 col = tex2Dlod(_MainTex, float4(i.uv, 0, lod));

层级选择优化

‌Hi-Z技术‌

对深度纹理构建Mip金字塔时，每层级存储最大深度值（而非颜色平均值），加速遮挡剔除。

流程：
- 生成深度纹理Mipmap时，通过Compute Shader对4×4区域取最大值下采样。
- 渲染时根据层级深度快速判断可见性。
‌ShaderGraph节点‌

URP的Calculate Level Of Detail节点提供两种模式：
- ‌Clamped‌：限制在纹理最大层级内，避免越界。
- ‌Unclamped‌：允许超出现有层级，需配合边界处理。

性能与质量平衡

‌过模糊问题‌：通过QualitySettings.masterTextureLimit全局限制最高层级。
‌锐化需求‌：禁用Mipmap或使用Unlit Shader避免自动插值。

典型应用场景包括地形渲染（远山使用高Mip层级）和动态LOD系统（根据物体重要性调整mipMapBias）

解决的问题

‌性能优化‌：

减少显存带宽占用，远处物体使用低分辨率纹理降低GPU负载。

‌视觉质量‌：

消除远景的像素闪烁（Texture Aliasing）和锯齿，提升平滑度。

‌缓存命中率‌：

低分辨率纹理占用更少缓存空间，提高采样效率。

使用场景与限制

‌适用场景‌：
- 3D开放世界地形（如远山、建筑）。
- 动态缩放的物体（如角色模型在远距离时）。
‌不适用场景‌：
- 2D像素游戏（需保持锐利像素风格）。
- UI元素（通常无需动态缩放）。
‌限制‌：
- 内存开销增加33%（存储多级纹理）。
- 可能引起远处纹理过度模糊（需调整Mip Bias参数）。

具体示例

‌Shader实现‌：

在URP Shader中，可通过tex2Dlod函数手动指定Mip层级（float4参数的w分量控制层级）。例如：
```
hlsl
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {return tex2Dlod(_MainTex, float4(i.uv, 0, _MipLevel));
}
```
调整_MipLevel可观察不同层级的模糊效果.
‌Unity编辑器演示‌：
- 导入纹理后勾选Generate Mip Maps，观察Inspector面板中的Mipmap预览滑块（0-10级）。
- 对比开启/关闭Mipmap的相同纹理，远处物体在开启时会自然模糊，关闭则出现像素噪点。