【URP】Unity中Mipmap是如何实现的？

【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
    1. using UnityEngine;
    2. using UnityEngine.Rendering;
    3. using UnityEngine.Rendering.Universal;
    5. public class HiZFeature : ScriptableRendererFeature {
    6.     class HiZPass : ScriptableRenderPass {
    7.         ComputeShader _hizShader;
    8.         RenderTexture _hizPyramid;
    10.         public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData data) {
    11.             CommandBuffer cmd = CommandBufferPool.Get();
    12.             // 从深度纹理生成Mipmap金字塔
    13.             int width = _hizPyramid.width;
    14.             int height = _hizPyramid.height;
    15.             for (int mip = 0; width >= 8 || height >= 8; mip++) {
    16.                 cmd.SetComputeTextureParam(_hizShader, 0, "_HiZTexture", _hizPyramid, mip);
    17.                 cmd.DispatchCompute(_hizShader, 0, width/8, height/8, 1);
    18.                 width >>= 1; height >>= 1;
    19.             }
    20.             context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
    21.             CommandBufferPool.Release(cmd);
    22.         }
    23.     }
    24. }

    复制代码
  • HiZ.compute
    1. #pragma kernel CSMain_HiZ
    2. Texture2D<float> _DepthTexture;
    3. RWTexture2D<float> _HiZTexture;
    5. [numthreads(8, 8, 1)]
    6. void CSMain_HiZ(uint3 id : SV_DispatchThreadID) {
    7.     // 8x8区域取最大深度值作为下采样结果
    8.     float maxDepth = 0;
    9.     for (int x = 0; x < 8; x++) {
    10.         for (int y = 0; y < 8; y++) {
    11.             maxDepth = max(maxDepth, _DepthTexture[id.xy * 8 + uint2(x,y)]);
    12.         }
    13.     }
    14.     _HiZTexture[id.xy] = maxDepth;
    15. }

    复制代码
  
  

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：

1. hlsl
2. // 方式1：通过tex2Dlod硬编码层级
3. fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
4.     float4 uv = float4(i.uv, 0, _ManualLod); // _ManualLod为自定义层级
5.     return tex2Dlod(_MainTex, uv);
6. }
8. // 方式2：根据距离动态计算层级
9. float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
10. float dist = distance(_WorldSpaceCameraPos, worldPos);
11. float lod = log2(dist * _LodScale); // _LodScale控制距离敏感度
12. fixed4 col = tex2Dlod(_MainTex, float4(i.uv, 0, lod));

复制代码

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：
  1. hlsl
  2. fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
  3.     return tex2Dlod(_MainTex, float4(i.uv, 0, _MipLevel));
  4. }

  复制代码
  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。
    
  
  

通过权衡内存与性能，Mipmap在URP中成为优化大规模场景渲染的关键技术之一
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