第九章 · 采样器与纹理过滤

9.1 Sampler 概述 🔥

Sampler = 纹理采样配置
类比：放大镜的设置

采样器控制:
┌────────────────────────────────────┐
│ 1. 坐标处理                         │
│    • 超出边界如何处理？(Wrap Mode)  │
│    • 重复 / 镜像 / clamp / mirror │
│                                     │
│ 2. 缩放（当纹理比显示区域大/小时）  │
│    • 最小（缩小）: NEAREST / LINEAR │
│    • 最大（放大）: NEAREST / LINEAR │
│                                     │
│ 3. Mipmap                            │
│    • 是否使用 Mipmap？              │
│    • 哪种 Mipmap 模式？             │
│                                     │
│ 4. 各向异性过滤                     │
│    • 过滤级别 (1.0 - 最大)          │
│                                     │
│ 5. 比较函数                          │
│    • 深度比较（Shadow Maps）        │
│                                     │
│ 6. 颜色格式                         │
│    • 归一化 vs 未归一化             │
│    • 边界颜色                        │
└─────────────────────────────────────┘

9.2 创建 Sampler

9.2.1 基本 Sampler

python

import vkbottle

# --- 创建 Sampler ---
sampler_create_info = vkbottle.SamplerCreateInfo(
    magFilter=vkbottle.Filter.LINEAR,  # 放大过滤
    minFilter=vkbottle.Filter.LINEAR,  # 缩小过滤
    mipmapMode=vkbottle.SamplerMipmapMode.LINEAR,  # Mipmap 过滤
    addressModeU=vkbottle.SamplerAddressMode.REPEAT,  # U 方向寻址
    addressModeV=vkbottle.SamplerAddressMode.REPEAT,  # V 方向寻址
    addressModeW=vkbottle.SamplerAddressMode.REPEAT,  # W 方向寻址
    mipLodBias=0.0,  # Mipmap LOD 偏置
    anisotropyEnable=vkbottle.Bool(1),  # 启用各向异性
    maxAnisotropy=16.0,  # 最大各向异性级别
    compareEnable=vkbottle.Bool(0),  # 比较模式（用于阴影）
    compareOp=vkbottle.CompareOp.LESS_OR_EQUAL,
    minLod=0.0,  # 最小 LOD
    maxLod=vkbottle.INFINITYF,  # 最大 LOD
    borderColor=vkbottle.BorderColor.FLOAT_OPAQUE_WHITE,  # 边界颜色
    unnormalizedCoordinates=vkbottle.Bool(0),  # 归一化坐标
)

sampler = device.create_sampler(sampler_create_info)

9.2.2 寻址模式（Address Mode）

模式	说明	适用场景
REPEAT	重复纹理	地面/背景 ✅
MIRRORED_REPEAT	镜像重复	无缝重复
CLAMP_TO_EDGE	夹到边缘	UI/菜单 ✅
CLAMP_TO_BORDER	夹到边界色	HUD
MIRRORED_CLAMP_TO_EDGE	镜像到边缘	特殊效果

9.2.3 过滤模式（Filter）

模式	说明
NEAREST	最近邻（像素化）
LINEAR	双线性（平滑）

9.2.4 Mipmap LOD 模式

模式	说明
`NEAREST`	最近 LOD 层级
`LINEAR`	线性插值 LOD
`NEAREST_MIP_LINEAR`	最近 + 线性
`LINEAR_MIP_NEAREST`	线性 + 最近

9.3 Mipmap LOD

9.3.1 LOD 计算

LOD（Level of Detail）:

LOD 0: 原始纹理 (256x256)
LOD 1: 128x128
LOD 2: 64x64
LOD 3: 32x32
LOD 4: 16x16
LOD 5: 8x8
LOD 6: 4x4
LOD 7: 2x2
LOD 8: 1x1

LOD 范围: [0, numMipLevels - 1]

minLod: 最小使用的 LOD
maxLod: 最大使用的 LOD
mipLodBias: LOD 偏置（正值=使用更小的纹理）

应用:
  mipLodBias = log2(distance / 256.0)  # 距离越远 LOD 越大

9.3.2 LOD 采样

python

# 控制 LOD 范围的 Sampler
sampler_lod_create_info = vkbottle.SamplerCreateInfo(
    magFilter=vkbottle.Filter.LINEAR,
    minFilter=vkbottle.Filter.LINEAR,
    mipmapMode=vkbottle.SamplerMipmapMode.LINEAR,
    mipLodBias=2.0,  # 偏置 +2，优先使用更小的 Mipmap
    minLod=0.0,
    maxLod=4.0,  # 最大使用 LOD 4（不会用更小的纹理）
)
sampler_lod = device.create_sampler(sampler_lod_create_info)

9.4 各向异性过滤

9.4.1 原理

各向异性过滤解决的是"远处纹理倾斜"的问题:

正常采样:
  ┌───┬───┐
  │ A │ B │  ← 均匀采样
  ├───┼───┤
  │ C │ D │
  └───┴───┘

倾斜采样（远处地面）:
  ┌─────┬──────┐
  │ A   │ B    │  ← 拉伸的不均匀采样
  ├───┬───┼───┬──┤
  │ C │   │ D │
  └───┴───┴───┴──┘

各向异性过滤 = 从多个角度采样 + 加权平均
结果: 倾斜纹理依然清晰 ✅

9.4.2 设置各向异性

python

sampler_aniso = vkbottle.SamplerCreateInfo(
    magFilter=vkbottle.Filter.LINEAR,
    minFilter=vkbottle.Filter.LINEAR,
    mipmapMode=vkbottle.SamplerMipmapMode.LINEAR,
    anisotropyEnable=vkbottle.Bool(1),
    maxAnisotropy=16.0,  # 最大各向异性级别
)
# 1.0 = 无各向异性
# 2.0 - 4.0 = 低质量（移动设备推荐）
# 8.0 - 16.0 = 高质量（桌面端推荐）

9.5 纹理格式

9.5.1 常见纹理格式

格式	每像素	说明
`R8_UNORM`	1 byte	单通道 8 位
`RG8_UNORM`	2 bytes	双通道 8 位
`RGBA8_UNORM`	4 bytes	标准 8 位 RGBA
`RGBA8_SRGB`	4 bytes	sRGB 空间 ✅
`BGR8A8_UNORM`	4 bytes	非标准（某些 GPU）
`B8G8R8A8_UNORM`	4 bytes	Vulkan 标准
`D32_SFLOAT`	4 bytes	深度 32 位
`D24_UNORM_S8_UINT`	4 bytes	深度+模板
`R16_SFLOAT`	2 bytes	HDR 单通道
`RGBA32_SFLOAT`	16 bytes	HDR RGBA
`RGBA16_SFLOAT`	8 bytes	HDR RGBA 半精度
`BC1_RGB_SRGB_BLOCK`	8 bytes	DXT1（压缩）
`BC3_RGBA_UNORM_BLOCK`	16 bytes	DXT5（压缩）
`BC7_SRGB_BLOCK`	8 bytes	BC7（高质量压缩）
`ETC2_R8G8B8A8_BLOCK`	16 bytes	ETC2（移动设备）
`ASTC_4x4`	16 bytes	ASTC（移动设备）

9.5.2 压缩纹理格式

压缩格式	压缩比	质量	平台
BC1/BC7	4:1	高	PC (DXT)
ETC2	4:1	中	Android
ASTC	可变	高	Android/iOS
PVRTC	4:1	中	iOS
FXT1	4:1	低	Android

9.5.3 查询支持的格式

python

# 查询设备支持的纹理格式
props = device.get_physical_device().get_properties()
format_props = device.get_physical_device().get_format_properties(vkbottle.Format.R8G8B8A8_UNORM)

print(f"支持的线性采样: {format_props.linearTilingFeatures}")
print(f"支持的优化采样: {format_props.optimalTilingFeatures}")
print(f"支持的 Buffer 使用: {format_props.bufferFeatures}")

# 获取所有支持的格式
formats = device.get_physical_device().get_format_properties()

9.6 创建 Sampler 速查

参数	常用值	说明
`magFilter`	`LINEAR`	放大过滤
`minFilter`	`LINEAR`	缩小过滤
`mipmapMode`	`LINEAR`	Mipmap 过滤
`addressModeU/V/W`	`REPEAT`/`CLAMP_TO_EDGE`	寻址
`mipLodBias`	`0.0`	LOD 偏置
`anisotropyEnable`	`1`	启用各向异性
`maxAnisotropy`	`16.0`	最大级别
`compareEnable`	`0`	比较模式（阴影）
`minLod/maxLod`	`0.0/∞`	LOD 范围
`borderColor`	`FLOAT_OPAQUE_WHITE`	边界颜色

9.7 纹理采样（GLSL）

glsl

// Sampler 在 Shader 中的使用
layout(binding = 1) uniform sampler2D texSampler;
layout(binding = 2) uniform sampler2D tex;

// 采样
vec4 color = texture(texSampler, texCoord);

// 带 LOD 采样
vec4 colorLOD = textureLod(texSampler, texCoord, lod);

// 带偏置采样
vec4 colorBias = texture(texSampler, texCoord, bias);

// Mipmap 自动
vec4 colorMip = texture(texSampler, texCoord);  // 自动选 LOD

9.8 常用 Sampler 预设

python

# --- 默认 Sampler（点采样 + 无 mipmap + 边缘夹紧）---
sampler_default = device.create_sampler(
    magFilter=vkbottle.Filter.NEAREST,
    minFilter=vkbottle.Filter.NEAREST,
    mipmapMode=vkbottle.SamplerMipmapMode.NEAREST,
    addressModeU=vkbottle.SamplerAddressMode.CLAMP_TO_EDGE,
    addressModeV=vkbottle.SamplerAddressMode.CLAMP_TO_EDGE,
    addressModeW=vkbottle.SamplerAddressMode.CLAMP_TO_EDGE,
)

# --- 线性 Sampler（双线性 + mipmap + 重复）---
sampler_linear = device.create_sampler(
    magFilter=vkbottle.Filter.LINEAR,
    minFilter=vkbottle.Filter.LINEAR,
    mipmapMode=vkbottle.SamplerMipmapMode.LINEAR,
    addressModeU=vkbottle.SamplerAddressMode.REPEAT,
    addressModeV=vkbottle.SamplerAddressMode.REPEAT,
    addressModeW=vkbottle.SamplerAddressMode.REPEAT,
    anisotropyEnable=vkbottle.Bool(1),
    maxAnisotropy=16.0,
)

# --- 阴影 Sampler（比较模式）---
sampler_shadow = device.create_sampler(
    magFilter=vkbottle.Filter.LINEAR,
    minFilter=vkbottle.Filter.LINEAR,
    mipmapMode=vkbottle.SamplerMipmapMode.NEAREST,
    compareEnable=vkbottle.Bool(1),
    compareOp=vkbottle.CompareOp.LESS_OR_EQUAL,
    addressModeU=vkbottle.SamplerAddressMode.CLAMP_TO_EDGE,
    addressModeV=vkbottle.SamplerAddressMode.CLAMP_TO_EDGE,
)

# --- 无 Mipmap Sampler ---
sampler_no_mip = device.create_sampler(
    magFilter=vkbottle.Filter.LINEAR,
    minFilter=vkbottle.Filter.LINEAR,
    mipmapMode=vkbottle.SamplerMipmapMode.NEAREST,
    minLod=0.0,
    maxLod=0.0,  # 强制使用 LOD 0
)

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第九章 · 采样器与纹理过滤 ​

9.1 Sampler 概述 🔥 ​

9.2 创建 Sampler ​

9.2.1 基本 Sampler ​

9.2.2 寻址模式（Address Mode） ​

9.2.3 过滤模式（Filter） ​

9.2.4 Mipmap LOD 模式 ​

9.3 Mipmap LOD ​

9.3.1 LOD 计算 ​

9.3.2 LOD 采样 ​

9.4 各向异性过滤 ​

9.4.1 原理 ​

9.4.2 设置各向异性 ​

9.5 纹理格式 ​

9.5.1 常见纹理格式 ​

9.5.2 压缩纹理格式 ​

9.5.3 查询支持的格式 ​

9.6 创建 Sampler 速查 ​

9.7 纹理采样（GLSL） ​

9.8 常用 Sampler 预设 ​

第九章 · 采样器与纹理过滤

9.1 Sampler 概述 🔥

9.2 创建 Sampler

9.2.1 基本 Sampler

9.2.2 寻址模式（Address Mode）

9.2.3 过滤模式（Filter）

9.2.4 Mipmap LOD 模式

9.3 Mipmap LOD

9.3.1 LOD 计算

9.3.2 LOD 采样

9.4 各向异性过滤

9.4.1 原理

9.4.2 设置各向异性

9.5 纹理格式

9.5.1 常见纹理格式

9.5.2 压缩纹理格式

9.5.3 查询支持的格式

9.6 创建 Sampler 速查

9.7 纹理采样（GLSL）

9.8 常用 Sampler 预设