引言

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）。

Image title

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。

Image title

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[i].a;
    newColors[i] = 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。

Image title

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：

散图原图，可以看到周围透明部分较多

上面这个散图原图，可以看到周围透明部分较多

Image title

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

Image title

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[i].x - uvs[0].x) > 1E-06 && 
            Math.Abs(uvs[i].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。

Image title

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

Image title

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，已经2张Texture2D（非透明贴图和透明通道贴图）。

Image title

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。

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