Unity 分离贴图 alpha 通道实践

Chengsoul

在做手机游戏时可能会遇到这些问题：

UI 同学天天抱怨 iOS 上一些透明贴图压缩后模糊不堪

一些古早的 Android 手机上同样的贴图吃内存超过其他手机数倍，游戏经常闪退

这篇文章给出了一种手机游戏项目中通用的解决方案：分离贴图 alpha 通道，及其基于 Unity 引擎的实现过程和细节。其中思路主要来自于 https://zhuanlan.zhihu.com/p/32674470，本文是对该方法的实践和补充。

为什么要分离

1. 为什么会出现这些问题

要弄明白这些问题的由来，首先要简单解释一下贴图压缩格式的基础概念。

为了让贴图在手机中运行时占用尽可能少的内存，需要设置贴图的压缩格式，目前 Unity 支持的主要压缩格式有：android 上的 ETC/ETC2，iOS 上的 PVRTC，以及未来可能会使用的 ASTC。这几个压缩格式有自己的特点：

• ETC：不支持透明通道，被所有 android 设备支持
• ETC2：支持透明通道，Android 设备的 GPU 必须支持 OpenGL es 3.0 才可以使用，对于不支持的设备，会以未压缩的形式存在内存中，占用更多内存
• PVRTC：所有苹果设备都可以使用，要求压缩纹理长宽相等，且是 2 的幂次（POT，Power of 2）
• ASTC：高质量低内存占用，未来可能普遍使用的压缩格式，现在有一部分机型不支持
  

一般来说，目前 Unity 的手机游戏 android 上非透明贴图会使用 RGB Compressed ETC 4bits，透明贴图可以使用 RGBA Compressed ETC2 8bit，iOS 非透明贴图使用 RGB Compressed PVRTC 4bits，透明贴图使用 RGBA Compressed PVRTC 4bits。

这里的 bits 概念的意思为：每个像素占用的比特数，举个例子，RGB Compressed PVRTC 4bits 格式的 1024x1024 的贴图，其在内存中占用的大小 = 1024x1024x4 (比特) = 4M (比特) = 0.5M (字节)。

我们可以看到，在 iOS 上，非透明贴图和透明贴图都是 4bpp（4bits per pixel）的，多了透明通道还是一样的大小，自然 4bpp 的透明贴图压缩出来效果就会变差，而实机上看确实也是惨不忍睹。这是第一个问题的答案。

一些古早的 android 机，由于不支持 OpenGL es 3.0，因此 RGBA Compressed ETC2 8bit 的贴图一般会以 RGBA 32bits 的格式存在于内存中，这样内存占用就会达到原来的 4 倍，在老机器低内存的情况下系统杀掉也不足为奇了。这是第二个问题的答案。当然，需要说明的是，现在不支持 OpenGL es 3.0 的机器的市场占有率已经相当低了（低于 1%），大多数情况下可以考虑无视。

更多的贴图压缩格式相关内容可以参考这里：https://zhuanlan.zhihu.com/p/113366420

2. 如何解决问题

要解决上面图片模糊的问题，可以有这些做法：

• 透明贴图不压缩，内存占用 32bpp
• 分离 alpha 通道，内存占用 4bpp+4bpp（或 4bpp+8bpp）
  

不压缩显然是不可能的，毕竟 32bpp 的内存消耗对于手机来说过大了，尤其对于小内存的 iOS 设备更是如此。所以我们考虑分离 alpha 通道，将非透明部分和透明部分拆成两张图（如下所示）。

至于其内存占用，一般来说会把非透明部分拆成 RGB Compressed PVRTC 4bits，而透明通道部分可以使 RGB Compressed PVRTC 4bits，也可以是 Alpha8 格式（8bpp）。Alpha8 格式似乎不同版本 Unity 对于 Mali 芯片的手机支持度不同，我没有做深入研究。测试中，我使用了 RGB Compressed PVRTC 4bits 格式来压缩透明通道贴图，效果已经完全可以接受了。

如何分离

1. 方案 1

我们很自然而然的会想到，继承 SpriteRenderer/Image 组件去实现运行时替换材质来达到目的。这种方案有一些缺点，对于已经开发到后期的项目来说，要修改所有的组件成本非常高，更不用说在加入版本控制的项目中，修改 prefab 的合并成本也非常高了；另外对于已经使用自定义材质的组件来说也很不方便。

2. 方案 2

直接修改 Sprite 的 RenderData，让其关联的 texture，alphaTexture 等信息直接在打包时被正确打入包内。

这样做的好处就是不需要去修改组件了，只要整个打包流程定制化好以后就能够一劳永逸了。而对于大多数商业项目来说，定制打包流程基本是必须的，所以这个也就不算是什么问题了。

实现细节

首先说明一下，本方案在 2017.4 测试通过，其中打图集是采用已经废弃的 Sprite Packer 的方式，至于 Sprite Atlas 的方式，我没有研究过，但我觉得应该都可以实现，只是可能要改变不少流程。

下面说明一下具体实现，在打包之前大致流程如下：

// 刷新图集缓存
UpdateAtlases(buildTarget);

// 找到所有要处理的项
FindAllEntries(buildTarget, m_spriteEntries, m_atlasEntries);

// 生成 alpha 纹理
GenerateAlphaTextures(m_atlasEntries);

// 保存纹理到文件
SaveTextureAssets(m_atlasEntries);

// 刷新资源
AssetDatabase.Refresh();

// 从文件中加载 alpha 纹理
ReloadTextures(m_atlasEntries);

// 修改所有 sprite 的 Render Data
WriteSpritesRenderData(m_atlasEntries);

// 禁用 SpritePacker 准备打包
EditorSettings.spritePackerMode = SpritePackerMode.Disabled;

大致解释一下上面的流程：

• UpdateAtlases：强制刷新图集缓存（需要分离 alpha 通道的图集要修改其压缩格式为去掉 A 通道的）
• FindAllEntries：找到所有的 sprite，检查其 PackingTag，分类整理所有 sprite 和图集的信息
• GenerateAlphaTextures/SaveTextureAssets：根据图集的信息绘制 alpha 通道的纹理并保存文件
• AssetDatabase.Refresh()：实践中如果不重新刷新的话，可能导致某个贴图无法找到
• ReloadTextures：从文件加载纹理，作为写入 RenderData 的数据
• WriteSpritesRenderData：最重要的一步，将 texture，alphaTexture 等信息写入 Sprite 的 RenderData
  

最后，在打包前，禁用 SpritePacker，避免其在打包时重写打了图集并覆写了 Sprite 的 RenderData

其中，关于生成 Alpha 通道贴图，需要注意的是使用图集中的散图位置等信息，将压缩前的顶点信息直接渲染到贴图上，这样透明通道贴图就不会受到压缩的影响。

// 临时渲染贴图
var rt = RenderTexture.GetTemporary(texWidth, texHeight,
0, RenderTextureFormat.ARGB32);
Graphics.SetRenderTarget(rt);
GL.Clear(true, true, Color.clear);
GL.PushMatrix();
GL.LoadOrtho();

foreach (var spriteEntry in atlasEntry.SpriteEntries)
{
    var sprite = spriteEntry.Sprite;
    var uvs = spriteEntry.Uvs;
    var atlasUvs = spriteEntry.AtlasUvs;

    // 将压缩前 sprite 的顶点信息渲染到临时贴图上
    mat.mainTexture = spriteEntry.Texture;
    mat.SetPass(0);
    GL.Begin(GL.TRIANGLES);
    var triangles = sprite.triangles;
    foreach (var index in triangles)
    {
        GL.TexCoord(uvs[index]);
        GL.Vertex(atlasUvs[index]);
    }

    GL.End();
}

GL.PopMatrix();

// 最终的 alpha 贴图
var finalTex = new Texture2D(texWidth, texHeight, TextureFormat.RGBA32, false);
finalTex.ReadPixels(new Rect(0, 0, texWidth, texHeight), 0, 0);

// 修改颜色
var colors = finalTex.GetPixels32();
var count = colors.Length;
var newColors = new Color32[count];
for (var i = 0; i < count; ++i)
{
    var a = colors.a;
    newColors = new Color32(a, a, a, 255);
}

finalTex.SetPixels32(newColors);
finalTex.Apply();

RenderTexture.ReleaseTemporary(rt);

在将透明通道贴图写文件有一点需要注意的是：由于可能打的图集会产生多个 Page，这些 Page 的贴图名都是相同的，如果直接保存可能造成错误覆盖，所以需要使用一个值来区分不同 Page，这里我们使用了 Texture 的 hash code。

// 支持多 page 图集
var hashCode = atlasEntry.Texture.GetHashCode();

// 导出 alpha 纹理
if (atlasEntry.NeedSeparateAlpha)
{
    var fileName = atlasEntry.Name + "_" + hashCode + "_alpha.png";
    var filePath = Path.Combine(path, fileName);
    File.WriteAllBytes(filePath, atlasEntry.AlphaTexture.EncodeToPNG());
    atlasEntry.AlphaTextureAssetPath = Path.Combine(assetPath, fileName);
}

接下来再说明一下最重要的写 SpriteRenderData 部分。

var spr = spriteEntry.Sprite;
var so = new SerializedObject(spr);

// 获取散图属性
var rect = so.FindProperty("m_Rect").rectValue;
var pivot = so.FindProperty("m_Pivot").vector2Value;
var pixelsToUnits = so.FindProperty("m_PixelsToUnits").floatValue;
var tightRect = so.FindProperty("m_RD.textureRect").rectValue;
var originSettingsRaw = so.FindProperty("m_RD.settingsRaw").intValue;

// 散图(tight)在散图(full rect)中的位置和宽高
var tightOffset = new Vector2(tightRect.x, tightRect.y);
var tightWidth = tightRect.width;
var tightHeight = tightRect.height;

// 计算散图(full rect)在图集中的 rect 和 offset
var fullRectInAtlas = GetTextureFullRectInAtlas(atlasTexture,
    spriteEntry.Uvs, spriteEntry.AtlasUvs);
var fullRectOffsetInAtlas = new Vector2(fullRectInAtlas.x, fullRectInAtlas.y);

// 计算散图(tight)在图集中的 rect
var tightRectInAtlas = new Rect(fullRectInAtlas.x + tightOffset.x,
    fullRectInAtlas.y + tightOffset.y, tightWidth, tightHeight);

// 计算 uvTransform
// x: Pixels To Unit X
// y: 中心点在图集中的位置 X
// z: Pixels To Unit Y
// w: 中心点在图集中的位置 Y
var uvTransform = new Vector4(
    pixelsToUnits,
    rect.width * pivot.x + fullRectOffsetInAtlas.x,
    pixelsToUnits,
    rect.height * pivot.y + fullRectOffsetInAtlas.y);

// 计算 settings
// 0 位：packed。1 表示 packed，0 表示不 packed
// 1 位：SpritePackingMode。0 表示 tight，1 表示 rectangle
// 2-5 位：SpritePackingRotation。0 表示不旋转，1 表示水平翻转，2 表示竖直翻转，3 表示 180 度旋转，4 表示 90 度旋转
// 6 位：SpriteMeshType。0 表示 full rect，1 表示 tight
// 67 = SpriteMeshType(tight) + SpritePackingMode(rectangle) + packed
var settingsRaw = 67;

// 写入 RenderData
so.FindProperty("m_RD.texture").objectReferenceValue = atlasTexture;
so.FindProperty("m_RD.alphaTexture").objectReferenceValue = alphaTexture;
so.FindProperty("m_RD.textureRect").rectValue = tightRectInAtlas;
so.FindProperty("m_RD.textureRectOffset").vector2Value = tightOffset;
so.FindProperty("m_RD.atlasRectOffset").vector2Value = fullRectOffsetInAtlas;
so.FindProperty("m_RD.settingsRaw").intValue = settingsRaw;
so.FindProperty("m_RD.uvTransform").vector4Value = uvTransform;
so.ApplyModifiedProperties();

// 备份原数据，用于恢复
spriteEntry.OriginTextureRect = tightRect;
spriteEntry.OriginSettingsRaw = originSettingsRaw;

需要修改的部分的含义，这里面的注释已经写的很清楚了，简单看一下能够大致理解。其中还有几个概念需要说明一下：

在 Sprite 的导入设置中，会被要求设置 MeshType，默认的是 Tight，其效果会基于 alpha 尽可能多的裁剪像素，而 Full Rect 则表示会使用和图片纹理大小一样的矩形。

这两个选项在达成图集时，如果你的散图周围的 alpha 部分比较多，使用 full rect 时就会看到图片分的很开，而使用 tight，表现出来的样子就会很紧凑，效果为下面几张图：

上面这个散图原图，可以看到周围透明部分较多

上面这个是使用 Tight 的 mesh type 打成的图集，可以看到中间的间隔较少

上面这个是使用 full rect 的 mesh type 打成的图集，可以看到中间的间隔较大。

一般我们会使用 Tight，那么我在上面代码中就需要对 tight 相关的一些数值做计算，具体如何计算直接看代码吗，应该不难理解。

其中还有一个获取计算散图（full rect）在图集中的 rect 的方法 GetTextureFullRectInAtlas，代码如下：

private static Rect GetTextureFullRectInAtlas(Texture2D atlasTexture, Vector2[] uvs, Vector2[] atlasUvs)
{
    var textureRect = new Rect();

    // 找到某一个 x/y 都不相等的点
    var index = 0;
    var count = uvs.Length;
    for (var i = 1; i < count; i++)
    {
        if (Math.Abs(uvs.x - uvs[0].x) > 1E-06 &&
            Math.Abs(uvs.y - uvs[0].y) > 1E-06)
        {
            index = i;
            break;
        }
    }

    // 计算散图在大图中的 texture rect
    var atlasWidth = atlasTexture.width;
    var atlasHeight = atlasTexture.height;
    textureRect.width = (atlasUvs[0].x - atlasUvs[index].x) / (uvs[0].x - uvs[index].x) * atlasWidth;
    textureRect.height = (atlasUvs[0].y - atlasUvs[index].y) / (uvs[0].y - uvs[index].y) * atlasHeight;
    textureRect.x = atlasUvs[0].x * atlasWidth - textureRect.width * uvs[0].x;
    textureRect.y = atlasUvs[0].y * atlasHeight - textureRect.height * uvs[0].y;

    return textureRect;
}

最后，需要在自定义打图集规则，并在判断需要分离 alpha 通道的贴图，修改其对应压缩格式，如 RGBA ETC2 改 RGB ETC，RGBA PVRTC 改 RGB PVRTC。这样做是为了打图集生成一份不透明贴图的原图。大致代码如下：

// 需要分离 alpha 通道的情况
if (TextureUtility.IsTransparent(settings.format))
{   
    settings.format = TextureUtility.TransparentToNoTransparentFormat(settings.format);        
}

至于如何自定义打图集的规则，可以参考官方文档：https://docs.unity3d.com/Manual/SpritePacker.html

一些补充

1. 在手机上 UI.Image 显示的贴图为丢失材质的样子

原因在于 Image 组件使用这套方案时，使用了一个内置的 shader：DefaultETC1，需要在 Editor -> Project Settings -> Graphics 中将其加入到 Always Included Shaders 中去。

2. 分离 alpha 通道的贴图的 sprite 资源打入包内的形式

通过 AssetStudio 工具看到，下图是没有分离 alpha 通道的散图的情况，可以看到每一个 Sprite 引用了一张 Texture2D

下图是分离了 Alpha 通道的图集的情况，可以看到，这个 AssetBundle 包中只有数个 Sprite，以及 2 张 Texture2D（非透明贴图和透明通道贴图）。

3. 如何知道需要修改 Sprite 的哪些 Render Data

在实践尝试的过程中，通过 UABE 工具来比较不分离 alpha 通道和分离 alpha 通道的两种情况下 Sprite 内的 Render Data 的不同，来确定需要修改哪些数据来达到目的。

从下图可以看出（左边是正常图集的数据，右边是我尝试模拟写入 RenderData 的错误数据），m_RD 中的 texture，alphaTexture，textureRect，textureRectOffset，settingsRaw，uvTransform 这些字段都需要修改。因为我无法接触到源码，所以其中一些值的算法则是通过分析猜测验证得出的。

4. m_RD.settingsRaw 的值的意义是什么

从 AssetStudio 源码中可以找到 settingsRaw 的一部分定义：

• 0 位：packed。1 表示 packed，0 表示不 packed
• 1 位：SpritePackingMode。0 表示 tight，1 表示 rectangle
• 2-5 位：SpritePackingRotation。0 表示不旋转，1 表示水平翻转，2 表示竖直翻转，3 表示 180 度旋转，4 表示 90 度旋转
• 6 位：SpriteMeshType。0 表示 full rect，1 表示 tight
  

其中正常生成的图集的值 67，表示 SpriteMeshType(tight) + SpritePackingMode(rectangle) + packed。

5. 在 Unity 2017 测试通过，其他版本可以通过吗

并不确定。通过查看 AssetStudio 源码，可以看到序列化后有许多跟 Unity 版本相关的不同处理（下图），如果在不同版本出现问题，可以通过上面对比打好的 AssetBundle 包的 Sprite 的 RenderData 的方式来排查是否需要填写其他数据。

延伸思考

如果我们把一开始刷新图集缓存的操作更换成 TexturePacker 的话，是否可以使用 TexturePacker 中的一些特性来为图集做优化和定制呢？这是可能的，但是这也不是简单就能做到的东西，还是很繁琐的，不过的确是一个不错的思路，有需要的同学可以研究一下。

参考资料

IOS 下拆分 Unity 图集的透明通道（不用 TP）：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/32674470

[2018.1] Unity 贴图压缩格式设置：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/113366420

(Legacy) Sprite Packer：
https://docs.unity3d.com/Manual/SpritePacker.html

文中提到的工具：

AssetStudio，一个可以轻松查看 AssetBundle 内容的工具：
https://github.com/Perfare/AssetStudio

UABE，可以解包/打包 AssetBundle，并查看其中详细数据的工具：
https://github.com/DerPopo/UABE

代码仓库：

以上的代码都会整理在代码仓库中，该 demo 包含了一个完整的测试实例
https://github.com/RayRiver/UnityAlphaSeparateDemo

文/rayriver
来源：indienova
原文：https://indienova.com/indie-game-development/unity-alpha-separate/