《Unity URP中的MipMap技術(shù)解析》摘要：本文詳解Unity URP管線中的MipMap多級(jí)漸遠(yuǎn)紋理技術(shù)，通過(guò)預(yù)生成分辨率遞減的紋理金字塔（如256×256→128×128→...→1×1），根據(jù)物體距離動(dòng)態(tài)選擇紋理層級(jí)。重點(diǎn)闡述：1）硬件自動(dòng)生成與計(jì)算著色器手動(dòng)生成兩種構(gòu)建方式；2）基于紋理坐標(biāo)導(dǎo)數(shù)的動(dòng)態(tài)層級(jí)選擇算法；3）三線性過(guò)濾消除層級(jí)突變。該技術(shù)可優(yōu)化顯存帶寬、提升緩存命中率，有效解決遠(yuǎn)景鋸齒問(wèn)題，適用于3D開(kāi)放世界等場(chǎng)景，但會(huì)增加33%內(nèi)存開(kāi)銷。文中包含Hi-Z深度金字塔等實(shí)用案例代碼，

【從UnityURP開(kāi)始探索游戲渲染】專欄-直達(dá)

MipMap是Unity中用于優(yōu)化紋理渲染的多級(jí)漸遠(yuǎn)紋理技術(shù)，其核心原理是通過(guò)預(yù)生成一系列分辨率遞減的紋理金字塔（從原始尺寸逐級(jí)減半至1×1像素），根據(jù)物體與攝像機(jī)的距離動(dòng)態(tài)選擇合適層級(jí)的紋理進(jìn)行采樣。在URP（Universal Render Pipeline）中，該技術(shù)通過(guò)減少遠(yuǎn)處物體的紋理細(xì)節(jié)來(lái)提升渲染效率，同時(shí)避免因紋理縮小導(dǎo)致的摩爾紋和鋸齒現(xiàn)象。

原理詳解

?紋理金字塔構(gòu)建?：

• 原始紋理經(jīng)過(guò)濾波處理生成多級(jí)縮略圖，例如256×256的紋理會(huì)生成128×128、64×64等層級(jí)，每級(jí)分辨率遞減50%。

?動(dòng)態(tài)層級(jí)選擇?：

• GPU根據(jù)像素在屏幕空間中的覆蓋面積自動(dòng)計(jì)算合適的Mip層級(jí)（公式為level = log2(max(ddx,ddy))，其中ddx/ddy為紋理坐標(biāo)導(dǎo)數(shù)）。

?過(guò)濾技術(shù)配合?：

• ?雙線性過(guò)濾?：在單一Mip層級(jí)內(nèi)插值。
• ?三線性過(guò)濾?：在相鄰兩個(gè)Mip層級(jí)間插值，消除層級(jí)切換的突兀感。

構(gòu)建 紋理金字塔

在Unity URP中，Mipmap紋理金字塔的構(gòu)建是通過(guò)GPU逐級(jí)下采樣實(shí)現(xiàn)的，其核心流程分為硬件自動(dòng)生成和計(jì)算著色器手動(dòng)生成兩種方式。

硬件自動(dòng)生成原理

• ?基礎(chǔ)紋理處理?：原始紋理（如2048×2048）經(jīng)過(guò)雙線性/三線性濾波處理，生成分辨率逐級(jí)減半的子紋理（1024×1024、512×512等），直至1×1像素。
• ?層級(jí)關(guān)系計(jì)算?：GPU根據(jù)屏幕像素覆蓋率自動(dòng)選擇Mip層級(jí)，公式為：$lod=log2(max(\frac{\partial u}{\partial x},\frac{\partial v}{\partial y}))$其中偏導(dǎo)數(shù)通過(guò)紋理坐標(biāo)微分計(jì)算。

計(jì)算著色器手動(dòng)生成示例（Hi-Z技術(shù)）

• 通過(guò)Compute Shader構(gòu)建深度紋理的金字塔：

  • 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();
                // 從深度紋理生成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區(qū)域取最大深度值作為下采樣結(jié)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;
    }
    

關(guān)鍵步驟解析

• ?層級(jí)生成邏輯?：每級(jí)Mipmap通過(guò)對(duì)上一級(jí)4個(gè)像素取平均值（顏色紋理）或最大值（深度紋理）生成，例如256×256紋理生成128×128層級(jí)時(shí)，每個(gè)新像素由原紋理2×2區(qū)域計(jì)算得出。
• ?過(guò)濾模式影響?：
  • ?雙線性過(guò)濾?：在單層Mip內(nèi)插值4個(gè)相鄰紋素。
  • ?三線性過(guò)濾?：在相鄰兩層Mip間進(jìn)行二次插值，消除層級(jí)切換突變。

應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比

生成方式	適用場(chǎng)景	性能開(kāi)銷
硬件自動(dòng)生成	常規(guī)顏色紋理	低
計(jì)算著色器生成	深度紋理/特殊效果（如Hi-Z）	中高

通過(guò)調(diào)整RenderTexture.useMipMap屬性和GenerateMipMaps標(biāo)志位可控制生成行為。手動(dòng)生成更適合需要自定義下采樣規(guī)則的場(chǎng)景，如遮擋剔除優(yōu)化.

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)層級(jí)選擇

在Unity URP中，Mipmap的動(dòng)態(tài)層級(jí)選擇是通過(guò)GPU硬件自動(dòng)計(jì)算紋理坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù)（ddx/ddy）實(shí)現(xiàn)的.

動(dòng)態(tài)選擇原理

• ?導(dǎo)數(shù)計(jì)算?$lod=log2(max(∥\frac{\partial u}{\partial x}∥,∥\frac{\partial v}{\partial y}∥))$

  GPU通過(guò)片元著色器中的紋理坐標(biāo)偏導(dǎo)數(shù)（ddx(uv)和ddy(uv)）確定屏幕像素覆蓋的紋理區(qū)域大小。當(dāng)物體距離攝像機(jī)越遠(yuǎn)，UV坐標(biāo)變化率越大，導(dǎo)數(shù)值越高。

  示例：若屏幕像素覆蓋4×4紋素區(qū)域，則Mip層級(jí)計(jì)算公式為：

  此時(shí)計(jì)算結(jié)果為2（因4=22），選擇Mip Level 2的紋理。

• ?層級(jí)插值?

  啟用三線性過(guò)濾時(shí)，GPU會(huì)在計(jì)算出的層級(jí)（如2.3級(jí)）相鄰兩層（Level 2和Level 3）之間進(jìn)行插值，消除突變感。

• ?LOD偏移控制?

  URP通過(guò)Texture2D.mipMapBias參數(shù)手動(dòng)調(diào)整層級(jí)偏移，正值使紋理更模糊（強(qiáng)制使用更高層級(jí)），負(fù)值保留細(xì)節(jié)（偏向低級(jí)）。

實(shí)現(xiàn)示例

以下Shader代碼演示手動(dòng)控制Mip層級(jí)的兩種方式：

hlsl
// 方式1：通過(guò)tex2Dlod硬編碼層級(jí)
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
    float4 uv = float4(i.uv, 0, _ManualLod); // _ManualLod為自定義層級(jí)
    return tex2Dlod(_MainTex, uv);
}

// 方式2：根據(jù)距離動(dòng)態(tài)計(jì)算層級(jí)
float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
float dist = distance(_WorldSpaceCameraPos, worldPos);
float lod = log2(dist * _LodScale); // _LodScale控制距離敏感度
fixed4 col = tex2Dlod(_MainTex, float4(i.uv, 0, lod));

層級(jí)選擇優(yōu)化

• ?Hi-Z技術(shù)?

  對(duì)深度紋理構(gòu)建Mip金字塔時(shí)，每層級(jí)存儲(chǔ)最大深度值（而非顏色平均值），加速遮擋剔除。

  流程：

  • 生成深度紋理Mipmap時(shí)，通過(guò)Compute Shader對(duì)4×4區(qū)域取最大值下采樣。
  • 渲染時(shí)根據(jù)層級(jí)深度快速判斷可見(jiàn)性。

• ?ShaderGraph節(jié)點(diǎn)?

  URP的Calculate Level Of Detail節(jié)點(diǎn)提供兩種模式：

  • ?Clamped?：限制在紋理最大層級(jí)內(nèi)，避免越界。
  • ?Unclamped?：允許超出現(xiàn)有層級(jí)，需配合邊界處理。

性能與質(zhì)量平衡

• ?過(guò)模糊問(wèn)題?：通過(guò)QualitySettings.masterTextureLimit全局限制最高層級(jí)。
• ?銳化需求?：禁用Mipmap或使用Unlit Shader避免自動(dòng)插值。

典型應(yīng)用場(chǎng)景包括地形渲染（遠(yuǎn)山使用高M(jìn)ip層級(jí)）和動(dòng)態(tài)LOD系統(tǒng)（根據(jù)物體重要性調(diào)整mipMapBias）

解決的問(wèn)題

?性能優(yōu)化?：

• 減少顯存帶寬占用，遠(yuǎn)處物體使用低分辨率紋理降低GPU負(fù)載。

?視覺(jué)質(zhì)量?：

• 消除遠(yuǎn)景的像素閃爍（Texture Aliasing）和鋸齒，提升平滑度。

?緩存命中率?：

• 低分辨率紋理占用更少緩存空間，提高采樣效率。

使用場(chǎng)景與限制

• ?適用場(chǎng)景?：
  • 3D開(kāi)放世界地形（如遠(yuǎn)山、建筑）。
  • 動(dòng)態(tài)縮放的物體（如角色模型在遠(yuǎn)距離時(shí)）。
• ?不適用場(chǎng)景?：
  • 2D像素游戲（需保持銳利像素風(fēng)格）。
  • UI元素（通常無(wú)需動(dòng)態(tài)縮放）。
• ?限制?：
  • 內(nèi)存開(kāi)銷增加33%（存儲(chǔ)多級(jí)紋理）。
  • 可能引起遠(yuǎn)處紋理過(guò)度模糊（需調(diào)整Mip Bias參數(shù)）。

具體示例

• ?Shader實(shí)現(xiàn)?：

  在URP Shader中，可通過(guò)tex2Dlod函數(shù)手動(dòng)指定Mip層級(jí)（float4參數(shù)的w分量控制層級(jí)）。例如：

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

  調(diào)整_MipLevel可觀察不同層級(jí)的模糊效果.

• ?Unity編輯器演示?：

  • 導(dǎo)入紋理后勾選Generate Mip Maps，觀察Inspector面板中的Mipmap預(yù)覽滑塊（0-10級(jí)）。
  • 對(duì)比開(kāi)啟/關(guān)閉Mipmap的相同紋理，遠(yuǎn)處物體在開(kāi)啟時(shí)會(huì)自然模糊，關(guān)閉則出現(xiàn)像素噪點(diǎn)。

通過(guò)權(quán)衡內(nèi)存與性能，Mipmap在URP中成為優(yōu)化大規(guī)模場(chǎng)景渲染的關(guān)鍵技術(shù)之一

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