概述
纹理压缩（Texture Compression）是实时渲染中降低显存占用和带宽消耗的核心技术。与通用图像压缩（如 PNG、JPEG）不同，硬件纹理压缩格式支持随机访问——GPU 无需解压整幅图像即可直接读取单个 texel，这对纹理缓存和着色器采样至关重要。
本文系统梳理主流硬件纹理压缩格式的技术细节、适用场景及硬件支持情况，所有关键数据均来自官方文档与公开规范。
BC 系列（Block Compression）
BC 系列是 DirectX 生态中最主流的压缩格式，由 S3TC（DXT）发展而来，后续经 RGTC、BPTC 扩展为今日形态。所有 BC 格式均以固定 4×4 texel 块为单位进行编码。
BC1（原 DXT1 / S3TC）
- 数据量：64 bits / 4×4 block（4 bpp）
- 结构：两个 16-bit RGB565 端点色 + 16 个 2-bit 索引
- 色板：4 色（两个端点 + 两个插值色）
- Alpha：无独立 alpha，仅支持 1-bit “镂空”（punch-through）透明
- 支持通道：RGB（无独立 Alpha）
- 典型用途：不透明漫反射贴图、简单遮罩
据 Khronos Data Format Specification 描述，BC1 的 1-bit alpha 行为由两个端点值的相对大小决定：
color0 > color1（按无符号整数比较）：4 色不透明模式，00/01/10/11均为插值颜色，无透明color0 <= color1：3 色 + 透明模式，11表示完全透明像素（alpha = 0）
实际使用方式
编码端：向压缩器提供带 Alpha 的源图（如 PNG with 1-bit alpha），大多数 BC1 编码器（如 DirectXTex、nvcompress、Compressonator）会自动判断 block 是否需要透明模式。若源图 alpha 为纯 0/255，编码器会尽量使用 color0 <= color1 模式将 11 映射为透明。
API/格式：DirectX/Vulkan 中统一使用 DXGI_FORMAT_BC1_UNORM（或 _SRGB），API 层面不区分"带不带 alpha"，alpha 行为完全由 block 数据中的 color0/color1 顺序决定。
Shader 端：BC1 的 1-bit alpha 只能用于 Alpha Test / Alpha Cutout，不能做平滑混合。在 HLSL/GLSL 中需显式 clip(alpha - 0.5) 或设置管线 Alpha Test。若直接用于 Alpha Blend，透明边缘会出现锯齿与排序瑕疵。
注意事项：透明模式下 block 只有 3 个有效颜色（+ 1 个透明），比不透明模式的 4 色少一个插值色，因此带镂空的 BC1 贴图在颜色丰富区域的质量会略低于纯不透明贴图。
BC3（原 DXT5 / S3TC）
- 数据量：128 bits / block（8 bpp）
- 结构：前半 64 bits 存储独立 alpha；后半 64 bits 与 BC1 相同（RGB）
- Alpha 编码：两个 8-bit alpha 端点 + 16 个 3-bit 索引（最多 8 级插值）
- 支持通道：RGBA
- 典型用途：需要平滑透明度的漫反射贴图
BC4（RGTC1）
- 数据量：64 bits / 4×4 block（4 bpp）
- 结构：单个通道（R），两个 8-bit 端点 + 16 个 3-bit 索引
- 支持通道：R（无符号
DXGI_FORMAT_BC4_UNORM或有符号DXGI_FORMAT_BC4_SNORM） - 典型用途：单通道数据（如高度图、粗糙度、金属度、AO）
据 Khronos Data Format Specification 描述，BC4 是 RGTC（Red-Green Texture Compression）规范中的单通道部分，BC5 则是其双通道扩展。
BC5（RGTC2）
- 数据量：128 bits / block（8 bpp）
- 结构：等效于两个 BC4 块拼接——一个存储 Red 通道，一个存储 Green 通道
- 通道编码：每通道两个 8-bit 端点 + 16 个 3-bit 索引
- 支持通道：RG（双通道独立）
- 典型用途：法线贴图（R 存 X，G 存 Y，Shader 中重建 Z）、双通道遮罩
据 Microsoft DirectXTex Wiki 描述，BC5 是压缩法线贴图时带宽与质量的最佳折中之一。
BC7（BPTC）
- 数据量：128 bits / block（8 bpp）
- 结构：8 种模式（mode 0–7），支持每 block 最多 3 个子集（subset）
- 端点精度：依模式不同，RGB 端点精度可达 4–8 bit/通道，alpha 可独立或共享
- 支持通道：RGBA（模式决定 Alpha 是否独立）
- 特点：同 8 bpp 下质量显著优于 BC3，尤其适合平滑渐变与精细细节
- 硬件要求：DirectX 11 Feature Level 11_0 及以上
- 典型用途：高品质漫反射、法线、任何 BC3 出现色带的场景
BC7 的 8 种模式在 Khronos Data Format Specification 中有完整位域定义。微软亦在 DirectXTex 中提供了 CPU 与 GPU 压缩实现，其中 BC6H/BC7 的软件编码计算开销较大。
BC 格式对比
| 格式 | 原名 | bpp | 支持通道 | Alpha | 最佳用途 |
|---|---|---|---|---|---|
| BC1 | DXT1 | 4 | RGB | 1-bit 镂空 | 不透明/镂空漫反射 |
| BC3 | DXT5 | 8 | RGBA | 8-bit 插值 | 透明漫反射 |
| BC4 | RGTC1 | 4 | R | 无 | 单通道数据（高度、粗糙度等） |
| BC5 | RGTC2 | 8 | RG | 无 | 法线贴图、RG 遮罩 |
| BC7 | BPTC | 8 | RGBA | 模式可变 | 高品质 RGBA |
ETC 系列（Ericsson Texture Compression）
ETC 是 OpenGL ES 3.0 强制要求支持的标准压缩格式，由 Ericsson 贡献给 Khronos，旨在解决 ES 2.0 时代各厂商格式互不兼容的碎片化问题。
ETC1
- 数据量：64 bits / 4×4 block（4 bpp）
- 结构：两种子块模式——独立模式（两个 RGB444 基色）或差分模式（一个 RGB555 基色 + RGB333 有符号差值）；每个子块由 3 位码字从 8 个亮度修改表中选择一张，每个像素 2 位索引从表中取 4 个偏移值之一
- 兼容性：ETC2 解码器可完全向后兼容 ETC1
- 局限：不支持 alpha 通道
- 典型用途：早期 Android 不透明贴图
ETC2
- 数据量：64 bits / 4×4 block（4 bpp，RGBA 需配合 EAC 达 8 bpp）
- 向后兼容：ETC2 解码器可直接解压 ETC1 数据
- 新增模式：利用 ETC1 位流中原本"非法"的编码组合，引入三种新模式：
- T-mode：衍生 4 色，适合复杂色块
- H-mode：另一套 4 色衍生方式
- Planar mode：三基色（C0、CH、CV，均为 RGB676 精度）+ 线性滤波，适合平滑渐变
据 Khronos Data Format Specification 描述，ETC2 的 Planar mode 在渐变区域的质量提升尤为明显。
EAC（Ericsson Alpha Compression）
EAC 是单通道压缩格式，常与 ETC2 组合使用：
| 格式 | 内部枚举名 | bpp | 说明 |
|---|---|---|---|
| EAC R11 | GL_COMPRESSED_R11_EAC | 4 | 无符号单通道 |
| EAC RG11 | GL_COMPRESSED_RG11_EAC | 8 | 无符号双通道 |
ETC2 RGBA8（GL_COMPRESSED_RGBA8_ETC2_EAC）即 ETC2 RGB + EAC Alpha，总 8 bpp。
ETC 格式要点
- OpenGL ES 3.0+：强制支持
- Vulkan / OpenGL 4.3+：核心支持
- 局限：仅支持 2D 纹理与 2D 数组，不支持 3D 纹理
PVRTC 系列（PowerVR Texture Compression）
PVRTC 由 Imagination Technologies 开发，是 PowerVR GPU 的原生格式，最大特点是非块化插值算法，在极低码率下仍能保持相对平滑的渐变。
核心技术
与 BC、ETC、ASTC 等块化格式不同，PVRTC 的解码流程如下：
- 存储两幅低频颜色图像 Image A 与 Image B，每个 8×4（或 4×8）像素区域共享一个颜色值，块间做双线性插值上采样至全分辨率
- 使用全分辨率、低精度的 调制信号 M（4bpp 时每像素 2 位，2bpp 时每像素 1 位）逐像素混合两幅上采样图像
这种设计避免了块边界处的明显不连续，但代价是解压时需引用相邻块数据，硬件实现复杂度更高。
格式变体
| 格式 | bpp | 支持颜色 | 关键限制 |
|---|---|---|---|
| PVRTC1 4bpp | 4 | RGB/RGBA | 需各维度为 2 的幂次（不必正方形） |
| PVRTC1 2bpp | 2 | RGB/RGBA | 同上，质量更低 |
| PVRTC2 4bpp | 4 | RGB/RGBA | 支持 NPOT、纹理图集 |
| PVRTC2 2bpp | 2 | RGB/RGBA | 同上 |
据 Imagination PVRTC 文档 描述，PVRTC2 引入了硬过渡标志（Hard Transition Flag）、非插值模式（Non-interpolated mode）和局部调色板模式（Local Palette Mode），显著改善了锐利边缘与特定纹理类型的质量。
硬件与生态
- 主要平台：早期 iOS 设备（A7 之前）、部分 Android PowerVR GPU
- 加载枚举（OpenGL ES 扩展
GL_IMG_texture_compression_pvrtc）：GL_COMPRESSED_RGB_PVRTC_4BPPV1_IMGGL_COMPRESSED_RGBA_PVRTC_4BPPV1_IMG- 对应 2bpp 变体
- 工具：Imagination 官方提供 PVRTexTool，支持编码至 PVRTC、ASTC、ETC、BC 等格式
ASTC（Adaptive Scalable Texture Compression）
ASTC 由 Arm 与 AMD 联合开发，2012 年被 Khronos 采纳为 OpenGL ES、Vulkan 的官方扩展，是目前灵活性最高的硬件纹理压缩标准。
核心特性
- 固定块大小：每 block 固定 128 bits（16 bytes）
- 可变 footprints：128 bits 可表示不同数量的 texel，实现 0.89 bpp ~ 8 bpp 的连续码率调节
据 Arm ASTC Compression Formats 文档 提供的官方数据，2D 常用块尺寸与码率对应关系如下：
| Block 尺寸 | bpp | Block 尺寸 | bpp |
|---|---|---|---|
| 4×4 | 8.00 | 8×5 | 3.20 |
| 5×4 | 6.40 | 8×6 | 2.67 |
| 5×5 | 5.12 | 8×8 | 2.00 |
| 6×5 | 4.27 | 10×5 | 2.56 |
| 6×6 | 3.56 | 10×6 | 2.13 |
| 10×8 | 1.60 | ||
| 10×10 | 1.28 | ||
| 12×10 | 1.07 | ||
| 12×12 | 0.89 |
ASTC 亦支持 3D 纹理，码率范围为 0.59 bpp（6×6×6）~ 4.74 bpp（3×3×3）。
Profile 与 API 支持
ASTC 分为多个 Profile，以支持分阶段的硬件普及：
| Profile | 支持特性 | OpenGL ES | Vulkan |
|---|---|---|---|
| LDR Profile | 2D LDR 纹理 | GL_KHR_texture_compression_astc_ldr | 可选核心特性 textureCompressionASTC |
| HDR Profile | LDR + HDR 纹理 | GL_KHR_texture_compression_astc_hdr | Vulkan 1.3 核心可选（原 VK_EXT_texture_compression_astc_hdr） |
| sRGB + 3D | LDR + sRGB + 3D 纹理 | GL_OES_texture_compression_astc | 可选核心特性（需 LDR 特性支持） |
颜色与通道灵活性
- 通道数：支持 1–4 通道（L、LA、RGB、RGBA）
- 非相关通道：RGB 与 Alpha 可在 block 级别动态选择是否相关编码，非常适合带遮罩的贴图与法线贴图
- 颜色空间：LDR Linear、LDR sRGB（RGB 解码时应用 gamma，Alpha 保持线性）、HDR
- 法线贴图推荐：使用
rrrg（Luminance+Alpha endpoint）编码两通道（X、Y），Shader 中重建 Z
解码模式与性能
ASTC 规范默认解码为每通道 16-bit RGBA，但现代 GPU 普遍支持解码模式扩展，允许应用选择更低精度中间值：
- RGBA8：用于 LDR 纹理，提升纹理缓存效率
- RGB9E5：用于 HDR 纹理
据 Arm Mali GPU Texture Compression 文档 描述，使用低精度解码模式可在全精度非必需时改善 GPU 纹理吞吐。
官方工具：astcenc
Arm 提供开源参考编解码器 astcenc，特性包括：
- 输入：BMP、JPEG、PNG、TGA（LDR）；EXR、HDR（HDR）
- 输出：KTX 容器或裸
.astc文件 - 质量预设：
exhaustive、verythorough、thorough、medium、fast、fastest - SIMD 优化：SSE2、SSE4.1、AVX2（x86-64）、NEON（Arm）
.astc 裸文件格式含 16-byte 头：Magic（0x5CA1AB13）、blockdimX/Y/Z、24-bit 维度（xsize/ysize/zsize），随后紧跟原始 128-bit ASTC block。
格式选择速查
| 场景 | 推荐格式 | 理由 |
|---|---|---|
| PC/主机不透明漫反射 | BC7 / BC1 | BC7 质量最高；BC1 最小 |
| PC/主机透明漫反射 | BC7 / BC3 | BC7 无 banding；BC3 兼容更广 |
| PC/主机法线 | BC5 / BC7 | BC5 带宽最优；BC7 质量最高 |
| Android 通用（GLES 3.0+） | ETC2 | 强制支持，无兼容性风险 |
| Android 高品质/法线 | ASTC 4×4~6×6 | 灵活码率，质量显著优于 ETC2 |
| iOS（现代 A8+） | ASTC | 硬件支持，取代 PVRTC |
| iOS（旧设备 A7 前） | PVRTC1/2 | 唯一原生支持 |
| 移动端统一 | ASTC 4×4/6×6 | iOS A8+、Android Mali/Adreno 主流硬件支持 |
参考
官方文档与规范
- Khronos Data Format Specification — BC1–BC7、ETC2、EAC、ASTC 的位域级规范定义
- Arm ASTC Compression Formats — ASTC 技术细节与 Mali GPU 纹理压缩指南
- Microsoft DirectXTex Compress Wiki — BC 格式压缩 API 与实现说明
- Arm ASTC Encoder (astcenc) GitHub — 开源编解码器源码与格式文档
- Imagination PVRTC 文档 — PVRTC 算法原理与编码说明
- Imagination PVRTexTool — 官方纹理压缩工具
- NVIDIA ASTC Texture Compression for Game Assets — ASTC 在游戏资源中的应用建议