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DXT1 壓縮格式是 DirectX 紋理(DirectXTex)家族的一部分,它代表了影像壓縮技術的一個重大進步,特別是針對計算機圖形。它是一種有損壓縮技術,平衡了影像品質和存儲需求,使其非常適合於需要節省磁盤空間和帶寬的實時 3D 應用程式,如遊戲。DXT1 的核心是將紋理數據壓縮到原始大小的一小部分,無需實時解壓縮,從而減少了內存使用並提高了性能。

DXT1 作用於像素塊而不是單個像素。具體來說,它處理 4x4 像素塊,將每個塊壓縮到 64 位。這種基於塊的壓縮方法,使 DXT1 能夠大幅減少表示一個影像所需的數據量。DXT1 壓縮的本質在於它能在每個塊內找到色彩表示的平衡,從而在實現高壓縮率的同時保留盡可能多的細節。

DXT1 的壓縮過程可以分為幾個步驟。首先,它確定一個塊內最能代表該塊整體色彩範圍的兩種顏色。這些顏色是根據它們能夠包含塊內色彩變化而選擇的,並以 16 位 RGB 色彩存儲。儘管位深度低於原始影像數據,但這一步確保了最關鍵的色彩資訊得以保留。

確定兩種主色後,DXT1 使用它們生成另外兩種顏色,總共四種顏色來表示整個塊。這些額外的顏色是通過線性插值計算的,這是一個將兩種主色以不同比例混合的過程。具體來說,第三種顏色是通過等比混合兩種主色產生的,而第四種顏色要么是偏向第一種顏色的混合,要么是純黑色,這取決於紋理的透明度要求。

確定了四種顏色後,下一步是將原始 4x4 塊中的每個像素映射到四種代表性顏色中最接近的一種。這一映射通過簡單的最近鄰算法完成,計算原始像素顏色與四種代表性顏色之間的距離,將像素分配到最接近的顏色。這一過程有效地將塊的原始色彩空間量化為四種不同的顏色,這是 DXT1 實現壓縮的關鍵因素之一。

DXT1 壓縮過程的最後一步是對選定的兩種原色以及像素到顏色的映射資訊進行編碼。兩種原色直接以 16 位值的形式儲存在壓縮塊數據中。同時,每個像素到四種顏色之一的映射被編碼為一系列 2 位索引,每個索引指向其中一種顏色。這些索引被打包在一起,佔據了 64 位塊剩下的部分。因此,最終的壓縮塊包含了色彩資訊和重建塊外觀所需的映射。

DXT1 的解壓縮被設計為簡單快速的過程,非常適合實時應用。解壓算法的簡單性允許它由現代顯卡的硬體來執行,進一步減輕了 CPU 的負荷,為 DXT1 壓縮紋理提供了性能效益。在解壓過程中,從塊數據中取出兩種原色,並與 2 位索引一起用於重建每個像素的顏色。如有需要,再次採用線性插值法導出中間色彩。

DXT1 的一大優勢是顯著的檔案大小減少,與未壓縮的 24 位 RGB 紋理相比可達 8:1。這不僅節省了磁盤空間,還縮短了加載時間,在有限內存預算內增加了紋理的可能變化。此外,DXT1 的性能優勢不僅限於存儲和帶寬的節省;通過減少需要處理和傳輸到 GPU 的數據量,它還有助於提高渲染速度,使其成為遊戲和其他圖形密集型應用的理想格式。

儘管有諸多優勢,DXT1 也不無局限性。最明顯的是可能出現的可見工件,特別是在色彩對比度高或細節複雜的紋理中。這些工件是由量化過程和每個塊限制為四種顏色造成的,這可能無法準確地表現原始影像的全部色彩範圍。此外,為每個塊選擇兩種代表性顏色的要求也可能導致色帶問題,即色彩之間的過渡變得明顯突兀和不自然。

此外,DXT1 格式對透明度的處理增加了另一層複雜性。DXT1 支持 1 位 alpha 透明度,這意味著一個像素要么完全透明,要么完全不透明。這種二進制的透明度方法是通過選擇其中一種生成的顏色來表示透明度實現的,通常是在前兩種顏色的數值順序顛倒的情況下選擇第四種顏色。雖然這允許紋理中某種程度的透明度,但它相當有限,可能會導致透明區域周圍出現過於硬性的邊緣,使其不適用於需要細緻透明效果的情況。

使用 DXT1 壓縮紋理的開發者通常採用各種技術來緩解這些局限性。例如,精心設計紋理和使用抖動可以有助於減少壓縮工件和色帶的可見性。此外,在處理透明度時,開發者可能會選擇使用單獨的透明度數據紋理圖或選擇其他提供更細緻透明度處理的 DXT 格式(如 DXT3 或 DXT5)來處理對高品質透明度至關重要的紋理。

DXT1 的廣泛採用和其在 DirectX API 中的包含突出了它在實時圖形領域的重要性。它在質量和性能之間保持平衡的能力使它成為遊戲行業的標準,在該行業中對資源的有效利用通常是關鍵問題。除了遊戲,DXT1 還應用於需要實時渲染的各個領域,如虛擬現實、模擬和 3D 可視化,突顯了它作為一種壓縮格式的多功能性和有效性。

隨著技術的進步,紋理壓縮技術的發展仍在繼續,新的格式正試圖在繼承 DXT1 優勢的同時解決其局限性。硬體和軟體的進步推動了提供更高品質、更好透明度支持和更高效壓縮算法的新壓縮格式的開發。然而,DXT1 作為紋理壓縮先驅格式的地位仍然無可置疑。它的設計原則和在品質、性能與存儲效率之間的取捨繼續影響著未來壓縮技術的發展。

總之,DXT1 影像格式代表了紋理壓縮領域的一項重大進展,在影像品質和內存使用之間達到了有效的平衡。雖然它在色彩保真度和透明度處理方面存在局限性,但其在存儲和性能方面的好處是無可否認的。對於速度和效率至關重要的應用來說,DXT1 仍然是一個引人注目的選擇。隨著計算機圖形學的進步,DXT1 的設計和應用所獲得的經驗無疑將繼續為未來的影像壓縮技術創新提供啟發和指引。