【URP】Unity中Mipmap Streaming原理与实现

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

纹理流送技术，其核心在于动态加载纹理的 Mipmap 级别，而非一次性加载所有层级的纹理数据。传统 Mipmap 会预生成并加载所有层级的纹理（从原始尺寸到最小尺寸），占用显存为原始纹理的 4/3 倍。
Mipmap Streaming 优化机制：

‌分级加载‌：

• 根据物体与摄像机的距离，仅加载当前所需的 Mip 层级，其他层级按需从磁盘异步加载。
  

‌DDX/DDY 计算‌：

• GPU 通过内部值 DDX 和 DDY（基于像素的 UV 坐标变化率）动态决定采样所需的 Mip 层级，匹配像素覆盖的 Texel 大小。
  

‌纹理金字塔管理‌：

• Unity 维护一个纹理金字塔（14 个层级，最高支持 8192x8192），运行时仅激活必要的层级。
  

解决的问题

‌显存优化‌：

• 避免一次性加载所有 Mip 层级，显著降低显存占用，尤其对移动端（如 HUAWEI P30 测试案例）和高分辨率纹理场景至关重要。
  

‌带宽效率‌：

• 减少 GPU 带宽压力，仅传输可见层级的纹理数据，提升渲染性能。
  

‌摩尔纹消除‌：

• 通过动态匹配 Mip 层级，避免远距离物体因像素与 Texel 不匹配产生的锯齿和摩尔纹。
  

原理详解

当物体远离摄像机时主要流程：

• GPU 通过 DDX/DDY 计算当前像素覆盖的 Texel 面积，选择 Mip 10（512x512）。
  
• Unity 释放更高层级的显存（如 Mip 11-12），从磁盘按需加载更低层级（如 Mip 9）。
  
• 若物体突然靠近，高优先级层级的 Mip 会优先加载，避免视觉卡顿。
  

‌Mip 层级选择计算‌

• GPU 通过 DDX/DDY 导数计算当前像素的 UV 变化率，推导出纹理采样所需的理想 Mip 层级（记为 MipLevelideal）。例如，当物体远离摄像机时，UV 变化率降低，MipLevelideal 值增大（选择更低分辨率的层级）。
  

‌层级动态加载与卸载‌

• Unity 仅将 MipLevelideal 及其相邻层级（如 ±1 级）加载到显存，其他层级保留在磁盘。例如：
  
  
  
  • 若 MipLevelideal=4（对应 256x256 纹理），则加载 Mip 3-5 级，卸载其他层级。
    
  • 通过 Texture2D.streamingMipmaps 属性可强制指定加载特定层级（如 MipLevelideal+2）。
    
  
  

‌内存预算控制‌

• 系统根据 QualitySettings.streamingMipmapsMemoryBudget 全局预算动态调整层级。若总纹理内存超限，自动降低非关键纹理的 Mip 层级（如将 MipLevelideal 强制偏移 +1）。
  

具体示例：开放世界地形纹理流送

假设场景中存在 2048x2048 的地形纹理（Mip 0-11 级），摄像机由近及远移动：

• ‌近距离阶段‌
  
  
  
  • 计算得 MipLevelideal=2（512x512），加载 Mip 1-3 级。
    
  • 显存占用：512² + 256² + 1024²（约 1.75MB）。
    
  
  
• ‌中距离阶段‌
  
  
  
  • 摄像机拉远，MipLevelideal 变为 5（64x64），卸载 Mip 1-3，加载 Mip 4-6。
    
  • 显存降至 64² + 32² + 128²（约 24KB）。
    
  
  
• ‌突发情况处理‌
  若摄像机快速切近，通过 Texture.streamingMipmapPriority 提高优先级，强制预加载 Mip 0-2 级以避免卡顿。
  

关键 API 与配置

• ‌纹理设置‌：在 Inspector 中启用 Streaming Mip Maps 并设置 Mip Map Priority（默认 0，范围 -128 到 127）。
  
• ‌代码控制‌：
  1. csharp
  2. // 强制某纹理使用 Mip 5 级
  3. Texture2D tex = GetComponent<Renderer>().material.mainTexture as Texture2D;
  4. tex.streamingMipmaps = true;
  5. tex.RequestMipLevel(5);// 异步加载

  复制代码
• ‌摄像机覆盖‌：通过 Streaming Controller 组件设置 Mipmap Bias，全局偏移所有纹理的 MipLevelideal（如 +2 级以降低画质）
  

纹理金字塔的共享机制

Unity 的纹理金字塔（Mipmap 层级）是‌基于纹理资源本身维护的‌，而非每个物体单独维护。所有使用同一纹理的物体共享同一套纹理金字塔数据，运行时根据物体的屏幕空间覆盖率和摄像机距离动态激活所需的 Mip 层级。
‌资源级管理‌

• 每个导入的纹理（如 2048x2048 的 PNG）在 Unity 中生成独立的 Mipmap 金字塔（14 个层级）。这些层级存储在磁盘和内存中，作为纹理资源的固有属性，而非物体属性。
  

‌动态层级激活‌

• GPU 通过 DDX/DDY 计算当前像素的 UV 变化率，推导出适合的 Mip 层级（如远距离物体使用 Mip 5 级）。
  
• Unity 的 Mipmap Streaming 系统仅加载当前需要的层级（如 Mip 4-6），其他层级保留在磁盘或按需异步加载。
  

‌显存优化‌

• 多个物体共享同一纹理时，显存中仅存储该纹理的激活层级。例如：
  
  
  
  • 物体 A 和 B 使用纹理 Tex_01，当前需 Mip 3 级，显存仅保留 512x512 版本。
    
  • 物体 C 使用同一纹理但需 Mip 5 级，系统复用已有金字塔数据，无需重复加载。
    
  
  

示例场景分析

假设场景中有 100 个岩石模型共用同一 4K 纹理：

• ‌未启用 Streaming‌：所有 14 个 Mip 层级（总计约 5.3MB）加载到显存，无论物体远近。
  
• ‌启用 Streaming‌：
  
  
  
  • 近处岩石使用 Mip 2（1024x1024），远处使用 Mip 6（256x256）。
    
  • 显存仅保留 Mip 2-4 和 Mip 5-7，其他层级卸载，总占用降至 1.2MB。
    
  
  

性能影响与配置

• ‌全局控制参数‌：QualitySettings.streamingMipmapsMemoryBudget 限制所有纹理的流送内存总和，超限时自动降低非关键纹理的层级。
  
• ‌优先级设置‌：通过 Texture.mipMapPriority 调整纹理加载顺序，确保重要纹理（如角色贴图）优先获取高精度层级。
  

这种设计避免了重复资源存储，同时通过动态流送优化显存和带宽
使用场景与限制

适用场景

• ‌开放世界或大场景‌：远处物体自动使用低分辨率 Mip 层级，减少不必要的细节加载。
  
• ‌移动端项目‌：显存和带宽受限的设备（如 Unity 测试案例中的 HUAWEI P30）。
  
• ‌高分辨率纹理‌：如 4K/8K 纹理，传统全加载方式显存消耗过大。
  

限制

• ‌内存额外开销‌：需存储所有 Mip 层级到磁盘，占用约 33% 额外空间。
  
• ‌加载延迟风险‌：动态流送可能导致远处物体短暂显示低清纹理（需优化加载优先级）。
  
• ‌UI 纹理不适用‌：UI 元素通常需保持高清，关闭 Mipmap 更高效。
  

具体示例与实现

示例 1：基础配置

在 Unity URP 中启用 Mipmap Streaming：

• ‌纹理导入设置‌：勾选 Generate Mip Maps 和 Streaming Mipmaps，设置 Mip Map Priority（优先级越高越早加载）。
  
• ‌代码控制‌：通过 Texture.streamingMipmaps API 动态启用/禁用流送。
  

示例 2：性能对比

• ‌未启用 Streaming‌：2048x2048 纹理加载所有 12 个 Mip 层级（显存占用约 5.3MB）。
  
• ‌启用 Streaming‌：仅加载 Mip 10（512x512）时显存占用降至 0.8MB，随距离变化动态加载其他层级。
  

总结

Mipmap Streaming 通过动态管理纹理金字塔，平衡了显存占用与渲染质量，是 URP 管线中优化大规模场景的关键技术。其核心优势在于按需加载，但需注意磁盘空间和加载延迟的权衡
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