揭开3D纹理的面纱

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3D 揭开纹理的面纱 作者：朱云 今年早些时候，nVidia公司宣布微软将在新一代DirectX中采用nVidia开发的Volume TextureCompressionFormat（体积纹理压缩格式），简称VTC。这标志着3D纹理的压缩格式 第一次正式进入了主流3D软件和硬件领域，它的出现将缓解因特网上传输高质量纹理的高带宽 需求，也将使高质量的PC游戏更为真实、细腻。 3D纹理(VolumeTexture)的缘起 现有的纹理贴图，就是将各种不同的2D平面图形贴在3D物体的表面上，同种物体使用同样的 2D纹理，以此来简化表现不同种类物体的不同表面效果，既节省了系统存储和物体表面信息的 资源，又比较真实地反映出了客观（或想象）的世界。2D纹理就是一张张的平面图形（往往是 正方形的），因此只包括一个平面上的像素点（称图素，Texel），每个点在纹理内部只有二维 的相对坐标（贴在物体上后就有三维的实际坐标了）。2D纹理由于过于简化，因此在各个方向 上看起来并没有质地上的不同，如果物体是平滑的就很难表现出局部的高低，光线从不同角度照 射也基本没有区别。 为了达到更真实多变的纹理贴图效果，各大硬件、软件公司想出了很多改进方法，其中3D 纹理是最为彻底的革新途径。3D纹理可以看作是各种不同的立方体材料，内部包括整个体积的 像素点（称体素，Voxel），每个点在纹理内部空间中有三维的相对坐标——你把它想象成有内 部花纹的大理石（或水晶）立方体就行了。3D纹理贴图其实称作3D立方体的雕刻和变形更为合 适，因为不再需要将图案贴在表面，而是将3D纹理部分地取舍和扭曲，把它变成最终物体的形 状。这样我们就有了非常接近于实际物体的材料来构成虚幻的3D世界（最终取消纹理、让每个 物体都各不相同的3D系统还非常遥远），尽管我们付出的系统资源将随着纹理的复杂程度呈立 方级数增加（2D纹理耗费的系统资源只随着纹理的复杂程度呈几何级数增加）。 3D纹理的发展 很难准确地说3D纹理是从何时开始出现的：当年3Dlabs在Permedia3中提出有少许高度 的纹理概念，Matrox从G400开始使用凹凸纹理，其他3D芯片也可以实现简单的凹凸纹理，后 来又出现了多种环境贴图纹理（从各方向上看起来有些不同）：有G400凹凸环境贴图（3层纹 理）、nVidia的GeForce256的立方环境贴图(CubicEnvironmentTextureMapping)（6层纹 理）和ATI的Rage6C的各种环境贴图（从1层纹理到6层纹理）。现在，3D纹理终于有了真 正的内部三维相对坐标（相当于数十层、甚至数百层2D纹理），至今已经有包括Rage6C的3D 纹理和开头说到的nVidia的VTC。 3D纹理的优点不言而喻，它为新一代更加细腻、拟真的3D图形系统提供了发展基础。3D纹 理的缺点也同优点一样明显：首先是非常大的数据量会占用难以想象的系统资源，3D处理的过 程中进行纹理数据的过滤和半透明混合等工作也都比较困难——3D纹理的双线性过滤涉及8个 点的平均数据（2D纹理是只要4个点），接近于2D纹理三线性过滤的运算量（9个点）；3D纹 理的半透明混合则涉及很多层体素点数据的色彩混合，运算量也相当大；另外，3D纹理仅仅是 现在这样直接被“雕刻”成物体倒还简单，今后不可避免地将对3D纹理进行几何变形，以往T ＆L引擎（以及CPU）只负责物体顶点的几何变换，这样一来就得计算3D纹理中每一个点的空间 坐标，难以想象的浮点几何变换的运算量恐怕不是短时间内能实现的。