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由於本人英語，3d圖形圖像領悟水平有限，難免文章翻譯有錯誤，強烈建議看原文。
超大地理空間紋理傳輸
2007年4月17日
J.M.P.範·波倫
?2007，Id Software，Inc.
抽象
提出了一種允許流量大的高速流水線，
來自諸如DVD播放器的慢存儲設備的地理空間紋理數據。低
級別，對齊非緩存讀取用於最大化吞吐量，並且避免內存和文件系統緩存污染。帶寬要求
通過壓縮顯着減少，並帶有紋理數據庫優化的佈局用於最小化尋道時間。而且，多線程被實現以提高吞吐量和卸載
壓縮計算到可用的單獨的CPU /核心。
介紹
特殊紋理的地形需要大量不能全部存儲的紋理數據記憶在同一時間。
紋理數據需要從一些存儲設備流傳輸到之前的內存可以用於渲染。高保真渲染步行/跑步/開車
在獨特紋理的地形上，快速需要很多帶寬來流式傳輸紋理數據。
假設一個視點在平坦的地形上移動，並且紋理細節顯示在平方
視點周圍的層。視點周圍的每一層都顯示相同的數字
紋素，但較低的細節層是世界單位的大小是直接比較高細節層的兩倍
它上面。要以1024 x 768或更高的分辨率渲染平坦的地形，這是一個典型的分辨率
每個方塊使用2048 x 2048的紋素。
如果有五個方塊2048 x 2048的層紋素總共有5 x 2048 x 2048 texels（約21 Mega Texels）可用於渲染
隨時。視圖移動時，層必須被更新，並且基本上是行和紋理列必須在方形圖層的方向上更新
觀點移動。
在最壞的情況下，視點沿對角線移動，並且都是一排需要更新紋素的列。假設每平方英寸有一個紋理細數
最高的細節層，這相當於每英寸移動必須更新的5610個紋素
沿對角線。人的平均步行速度約爲3英里/小時，相當於53英寸
第二。在這個速度上，大約0.3兆像素必須每秒流式傳輸才能更新紋理細節周圍的觀點。運行速度非常快的人的速度可達20英里
小時，等於352英寸/秒。在這個速度上，大約2兆的紋素必須流傳每秒。當以每小時80英里的速度駕駛汽車時，大約需要流過8兆兆像素
第二。這些數字用於渲染完全平坦的地形而沒有任何高程。爲一個丘陵和山脈的地形需要更新的紋理細節數量可以爲1.5倍以上。
可以理解的是，當觀察點附着在每小時80英里的汽車上時，沒有必要渲染每平方英寸獨特的紋理細節。
渲染較少的紋素可能不明顯，或者可能感覺爲運動模糊。然而，如果汽車很快就停下來，這是可取的立即在屏幕上可以看到每英寸獨特的紋理細數。
如果流式傳輸不能保持 在高速駕駛汽車時，所需的細節水平將不可用汽車來到一個快速的停止，將有一個延遲之前的細節彈出或淡入淡出。
這被認爲是一個瞬間的焦點損失，這是分散注意力，可能導致觀衆試圖重新聚焦他或她的眼睛。
從慢速存儲設備（如DVD播放器）流出大量紋理數據不是不重要的。首先，需要了解存儲設備的工作原理。
此外，必須使用各種技術來減少存儲和帶寬要求並最大化吞吐量。
從DVD讀取數據
以下重點是從DVD流式傳輸。但是，當嘗試改進流式傳輸時
性能，同樣的優化策略也適用於其他存儲設備。尤其是，
吞吐量和塊大小可能不同，但可以是相同或相似的優化
用於從任何基於磁盤的存儲設備（如CD或Blu-Ray）進行流式傳輸。
DVD上的數據像CD一樣作爲連續的螺旋存儲。數據被佈置在在這個螺旋上的扇區，每個扇區可以容納2048個字節。扇區分爲32 kB
糾錯碼（ECC）塊（每個塊16個扇區）。 ECC是一個用來代碼的代碼自動檢測並糾正錯誤。
DVD播放機必須讀取和驗證整個塊
每當從ECC塊請求任何數據時。因此，實現了最佳吞吐量
當一次讀取具有有用數據的整個ECC塊時。 DVD上的文件在扇區上對齊
邊界。換句話說，如果文件小於2 kB扇區大小，則扇區的其餘部分是
浪費了。在s上放置多個單獨的紋理文件不是個好主意
ector或ECC封鎖邊界之間浪費的空間。文件之間浪費的空間是相當的吊帶寬度。相反，使用單個紋理數據庫文件更好，其中紋理數據存儲儘可能的緊湊。紋理數據庫文件應該在ECC塊邊界中對齊，或者應該計算到ECC塊邊界的偏移量以讀取ECC塊對齊.DD驅動器通常具有128kB的物理高速緩存或更多。
爲了獲得最佳性能128 kBis從磁盤一次以四個ECC塊的形式讀取。打開紋理數據庫文件，禁用操作系統（OS）文件緩存。 （在Windows上使用CreateFile withFILE_FLAG_NO_BUFFERING）。非緩存讀取用於避免內存和文件系統緩衝區污染。在具有嚴格的內存限制的系統上，由於大量地理空間紋理數據的流量不斷增長的文件緩存可能會導致應用程序數據（例如幾何）的其他部分被交換出內存，這可能會對性能產生負面影響。
當傳輸大量數據時，通常應用程序本身只能緩存必要的數據。所有的應用程序知道或者可以預期數據訪問模式比操作系統好多了。當一次讀取整個128 kB塊時，可能還沒有一些額外的紋理數據被讀取，並不是立即需要的。然而，利用良好的數據庫佈局，128 kB塊可以包含儘可能多的有用的紋理數據。
此外，使用高效的緩存系統，最小量的存儲器用於對任何不立即使用的紋理數據進行時間檢測，從而不需要再次從磁盤中傳輸.DVD播放器的速度通常從1x速度到16倍速1x速度DVD播放器具有11.08 Mbps（1.32 MB / s）的最大吞吐量，16x速度的DVD播放器的最大輸出功率爲177.28 Mbps（21.13 MB / s）。但是，對於某些DVD播放器，只有從磁盤的外邊緣讀取數據時，才能實現最大的輸出。 DVD光盤直徑爲120毫米（mm）或4.72英寸。 DVD數據區距離中心距離24mm，距離中心不超過58mm。所有扇區具有相等的長度，並且一些DVD播放器以恆定的角速度旋轉盤。因此，在數據區的內邊緣和外邊緣之間每秒通過讀取頭的扇區數量可能達到2.4倍的差異。這可以導致基於將要讀取的數據存儲在DVD上的位置的顯着的吞吐量差異。如果沒有實時流式傳輸的DVD上的其他數據，則將此數據靠近磁盤的中心。
將數據實時地傳輸到紋理數據庫，儘可能靠近DVD的外邊緣。儘管有更快的DVD驅動器，但平均DVD尋道時間通常爲100毫秒或更長。對於短距離尋找玩家有時可以跳過幾個ECCblocks相對較快。然而，更長的距離尋求，這需要顯着移動的DVD播放器讀頭，通常是非常耗時的。非常重要的是儘量減少尋求，因爲任何時間花費在尋找相當於浪費帶寬。因此，重要的是設計一個紋理數據庫佈局，最大限度地減少所需的搜索以加載渲染任何特定場景所需的所有紋理數據。通常更重要的是最小化搜索的數量，而不是最小化搜索距離。隨着讀取頭必須進一步移動，尋找時間可能會變長，但是由於讀取頭必須重新聚焦，所以任何搜索至少造成潛在帶寬的重要基礎被浪費。
特定的數據庫結合一次讀取128 kB塊可能會導致讀取的數據不可用。就像尋求一樣，這也是浪費帶寬。然而，在尋找和潛在閱讀無用的數據之間有一個平衡。在這兩種情況下，帶寬都被浪費，但是讀取一些百分比的無用數據可能會避免尋找，這通常會導致更大的帶寬浪費，因爲讀取頭必須重新聚焦。比尋找更糟的是DVD層交換機-layerDVD。如果可能的話，最好不要使用雙層DVD，但是如果額外的空間是必需的，應用程序不應該從雙層DVD的兩層讀取數據，而在Streamtex數據3。紋理數據庫佈局要實現視圖相關的紋理級別的細節，需要一種能夠以不同分辨率表示紋理不同部分的層次結構。有不同的方法來渲染非常大的紋理。然而，幾乎所有的方法都採用mipmap鏈或紋理金字塔的形式[5]。 Mipmaps是預先過濾的收縮樣本紋理，伴隨着旨在減少別名的全分辨率紋理
通過允許快速訪問過濾的較低分辨率版本的紋理，在渲染過程中發生變化。每個渲染像素從一個或多個從mipmap層次結構的一個或多個層次取得的紋素樣本派生。特別是texel樣本取自mipmap級別，並且是與屏幕上渲染像素最接近的1：1映射的直接鄰居。當處理非常大的紋理時，mipmap級別通常被分解成可以獨立流式傳輸的manysmaller塊。雖然級別的數量取決於解決方案，但是各個瓦片通常也具有自己的mip映射鏈，以允許對當今圖形硬件進行過濾。下面的圖像顯示了介紹中描述的情況的紋理金字塔。當在地形上移動時，視點周圍的紋素的可見正方形通常不會使用紋素的行和/或列進行更新。當視點在一個方向上移動得足夠遠時，相應地更新瓦片的行和/或列。在磁盤上存儲磁貼的順序對於基於當前視頻或視圖點的更改流式傳輸圖塊時的吞吐量具有顯着影響。優化磁盤存儲在磁盤上的順序可以顯着減少浪費從一個磁貼到另一個磁盤的時間。最常用的存儲和排序磁貼的結構是四叉樹[6,7]。在四叉樹結構中，矩形區域被遞歸地細分爲四個統一象限。
以下圖形以線性順序和四叉樹順序顯示一層瓦片。每個單元格的位置表示瓦片的空間位置，單元格中的數字表示磁盤上的瓦片。1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14 1516 17 18 19 20 21 22 2324 25 26 27 28 29 30 3132 33 34 35 36 37 38 3940 41 42 43 44 45 46 4748 49 50 51 52 53 54 5556 57 58 59 60 61 62 630 1 4 5 16 17 20 212 3 6 7 18 19 22 238 9 12 13 24 25 28 2910 11 14 15 26 27 30 3132 33 36 37 48 49 52 5334 35 38 39 50 51 54 5540 41 44 45 56 57 60 6142 43 46 47 58 59 62 63線性順序四叉樹順序瓷磚的線性排序沒有尋找在閱讀一個rowof瓷磚之間需要瓷磚。
然而，當閱讀一列瓷磚時，每個瓷磚需要長時間的尋找。隨着紋理大小的增加，列的兩個瓦片之間的這些距離也變得越來越大。四叉樹排序使查找次數和搜索距離最小化。當通過一次讀取4個連續的塊的塊來精確地讀取一行或一列瓦片時，需要爲行或列的每兩個瓦片進行尋找。換句話說，當讀取4個連續瓦片的塊時，在讀取一列或一列瓦片之間的所需尋找次數沒有差異。此外，當使用許多連續碼讀取較大的塊時，尋找的次數顯着減少，同時讀取儘可能多的有用的塊。結構在讀取N×N個瓦片的整個平方時是最有效的，例如當視點被立即移動時到一個全新的位置。然而，當需要在視點的可見邊界的一側需要讀取多個行和列時，訪問也將變得更加有效，例如由於某種原因，流不能跟蹤。視圖周圍的紋素的可見正方形點都是移動的觀點。
換句話說，mipmap鏈的不同層的Tile需要同時流動，其中從一層傳輸的瓦片的數量是直接從下面從圖層流出的瓦片數量的兩倍。爲了減少mipmap鏈層之間的尋道量，可以將層間存儲在磁盤上。5 20 2510 15 30 3540 45 60 6550 55 70 751 2 6 7 21 22 26 273 4 8 9 23 24 28 2911 12 16 17 31 32 36 3713 14 18 19 33 34 38 3941 42 46 47 61 62 66 6743 44 48 49 63 64 68 6951 52 56 57 71 72 76 7753 54 58 59 73 74 78 79層N層N + 1
上圖顯示了四較高細節層的瓦片直接存儲在層的每個瓦片上。在這個例子中，只有來自兩個層的瓦片被交錯，但是可以以相同的方式存儲任何數量的層的瓦片。降低帶寬和存儲要求下圖顯示了硬件級別的流媒體流水線。根據手頭的系統，硬件組件的帶寬可能不同。然而，各種組件的相對帶寬通常不同於相同優化策略適用於各種硬件組合的程度。在該特定流水線中，使用16x速度的DVD驅動器。忽略尋道時間，16倍速DVD驅動器的峯值吞吐量爲21 MB /秒。這相當於未壓縮RGB數據的每秒7兆兆赫（MT / s）。
然而，這種吞吐量在實踐中不能實現，其中一定量的尋找是不可避免的，並且可能浪費帶寬提供無用的數據。 DVD驅動器通過UDMA / 33連接到ATA適配器，最高可達33 MB / s。一旦DVD播放器將數據傳輸到ATA適配器，基本上是一個明顯的轉變，因爲帶寬遠遠大於管道。 CPU和內存之間的帶寬通常爲每秒許多GigaBytes（GB / s），PCI-Express 16x最多可達4 GB / s。 GPU和圖形內存之間的帶寬通常甚至更高。
與流水線中的其他組件相比，DVD帶寬非常低。高性能流媒體的關鍵是通過查找數據存儲大小，高速緩存大小和處理時間之間的正確交易來最大限度地減少流水線瓶頸的帶寬需求。紋理數據以磁盤形式從磁盤流式傳輸。爲了對今天的硬件進行適當的過濾，各個瓦片通常需要一個或多個mipmap。爲了減少從DVD流出的tiledata，可以在飛行中生成瓦片的mipmap。一個簡單的boxfilter可以用於生成非常快速的mipmap，通常會導致良好的性能。使用Intel Core 2 Extreme的一個核心，可以以高達400 MT / s的速度生成mipmap。通過使用壓縮，可以進一步減少每個磁貼需要流式傳輸的數據量。可以使用許多不同的壓縮算法，如JPEG，JPEG2000和HD-Photo。然而，減壓需要非常快，以便不會成爲管道中的瓶頸。對於質量，壓縮比和壓縮速度之間的良好交易，可以像[8]中所述使用類似JPEG的格式。這種格式的解壓縮使用Intel Core 2 Extreme的一個核心可以達到190 MT / s的速度。儘管GPU和圖形存儲器之間存在很多可用帶寬，但在光柵化期間可能會訪問多個數據紋理數據。因此，最小化GPU和圖形存儲器之間的帶寬要求仍然是重要的。
今天的大多數圖形卡允許紋理以各種壓縮格式進行存儲，這些壓縮格式在光柵化期間在硬件中即時解壓縮。大多數顯卡支持的一種這樣的格式是S3TC，也稱爲DXT壓縮。縮小的紋理大小增加了渲染性能，因爲從內存中獲取紋理數據所需的帶寬較少。由於DXT壓縮，某些質量可能會丟失。然而，縮小的內存足跡允許使用更高分辨率的紋理，使得在質量上可能存在顯着的變化。如[9]所示，DXT格式的實時壓縮可以使用Intel Core 2 Extreme的一個核心以200 MT / s的速率執行。一些紋理數據可以在流水線的各個點緩存，從而顯着提高流性能。下圖顯示了硬件中的流媒體流水線，其中紋理數據被緩存在管道中的各個點。視點周圍的紋素的可見正方形爲2048×2048個紋素。 128 x 128紋素的相對較小的tileize用於最佳的CPU高速緩存使用（<256 kB）。
換句話說，每個可見的方形紋理元素有16×16個瓦片。這些瓷磚是用mipmaps，DXT壓縮的圖形存儲器存儲的。有5個這樣的正方形直到32k x 32k的分辨率，因此在圖形存儲器中存儲總共11MB的DXT壓縮的瓦片用於渲染。最小細節層是2048 x 2048紋素，與該圖層的視點的紋理像素的可見平方相同。因此，完整的最低細節層總是在圖形存儲器中可用，並且只需要在啓動時一次通過管道。小的低細節層被保持在存儲器中壓縮，使得它們不必實時地從DVD進行最佳化。 4k x 4k層是48 MB，沒有mipmap，並以10：1的壓縮率存儲，結果約爲5 MB。 8k x 8k層是192 MB，無需圖像，甚至在10：1的壓縮比下也會消耗相當多的內存。爲了減少內存使用，8k x 8k層相對於4k x 4klayer存儲爲亮度增強。要從8k x 8k層解壓縮瓷磚，4k x 4k層的四分之一瓷磚首先用移位的雙三次過濾器進行標定2倍。接下來，相對亮度被解壓縮並被添加到雙向上變頻濾波片的亮度。使用Intel Core 2 Extreme的一個核心，2xshifted雙三次高速運行速度爲120 MT / s，亮度減壓速度爲300 MT / s。只有存儲8k x 8k層的亮度增強才能產生超過20：1的相對壓縮率，因此只需約9 MB就可以將該層存儲在內存中。隨着亮度的增加，亮度細節的損失很小，但色度細節可能會有一些損失。然而，這個較低細節層的紋理只能在一個距離處可見，在該距離處，色度細節的損失不是或幾乎不顯現
。兩個最高的細節層是從DVD流式傳輸的唯一兩層。存儲器被存儲在磁盤上以最小化尋求網絡所浪費的時間量。對於來自第二高細節層的每個圖塊，來自最高細節層的4個圖塊從磁盤讀取。然而，在任何給定的時間，僅需要從最高細節層讀取的四分之一的瓦片用於渲染。它們可以被緩存，而不是丟棄任何不是立即需要的任何tile，而不必像視圖移動一樣再次從磁盤流式傳輸。從第二高細節層的每個16 x 16瓦片，最高細節層的32 x 32瓦片從磁盤讀取。
只有來自最高細節層的32 x 32tiles的中心16 x 16瓦片才能立即用於渲染，但是所有32 x 32瓦片都可以以壓縮形式。爲了避免在視圖點移動時重新使用緩存的橡皮筋，緩存大到足以容納36 x 36個壓縮的瓦片。這些36 x 36瓦片在內存中以10：1的壓縮比或更高的壓縮比保持壓縮，最終導致大約6 MB的內存。最終的結果是，只有11 MB的圖形內存被用於渲染目標紋理。在主內存中有11 MB的DXT壓縮瓦片的另一個副本，在上傳到圖形卡之前，瓦片首先在視圖點移動時更新。此外，存儲在內存中的總共有20 MB的壓縮瓦片顯着提高了流式傳輸性能。
多線程增加吞吐量此處呈現的紋理流媒體解碼方法從磁盤讀取數據，然後將其解壓縮並重新壓縮。如果此過程被序列化，則吞吐量受到此流程中完成所有步驟所需的時間的限制。即使使用非常快的去壓縮器和壓縮器，流水線中的每個步驟的時間也快速增加，並且吞吐量通常不足以很快地快速流入高保真渲染。紋理數據庫以形式存儲獨特的紋理許多較小的瓷磚。因此，通過在不同的瓦片上獨立地進行每個步驟，可以並行地從紋理流傳輸流水線運行不同的步驟。
以下圖像顯示了完整的流水線分解了漏洞的線程，從流式傳輸數據到磁盤到圖形驅動程序。目前的圖形驅動程序不能從多個線程進行協調，或者需要先進行同步。因此，只有一個線程與圖形驅動程序通信，這是對方。驅動程序本身通常也是線程線程管道不會改進流式傳輸各個瓦片的延遲。
然而，分割線程中的流水線可以顯着提高不斷地對不同的瓦片進行流化的吞吐量。瓦片的流式，解壓縮和重新壓縮可以分成兩個線程。通過多線程，解壓縮時間通常完全隱藏在從磁盤傳輸壓縮數據所花費的時間，因爲解除壓縮比從磁盤讀取數據快得多。當從磁盤讀取新的磁貼時，解壓縮線程可以解壓縮並重新壓縮已經被讀取的磁貼。另外，流式線程在等待DVD驅動器時不做任何工作，產生CPU時間到解壓縮線程。流線程基本上實現異步讀取。由於數據被複制到外部，因此通過操作系統不使用異步讀取時，內存和CPU的使用率可能會更高。而不是使用本身可以使用異步讀取的流線程，解壓縮線程也可以直接使用異步讀取。但是，使用單獨的線程可以使流媒體容易地被調節，而解壓縮線程則保持緊湊的片斷。
單獨的流線程還允許隨時間進行多個數據查詢的動態排序，使得搜索時間最小化。解壓縮和重新壓縮可以分別在單獨的線程中運行。但是，當前的CPU足夠快，從而使解壓縮可以在單個CPU /內核上運行，而不會在管道中出現瓶頸。此外，使用多個線程進行解壓縮，不會降低整體CPU使用率。結果對於總是完全存儲在存儲器中的最低細節層，除了其他層的所有圖塊都需要由CPU處理。來自4k x 4k層的瓷磚，以及從DVD製成的瓷磚，以JPEG格式存儲。這些瓦片首先需要解壓縮，然後mipmap必須被生成，最後mipmap鏈需要被壓縮成DXT格式。下表顯示了一個磁貼在上載到圖形內存之前執行的步驟。該表還顯示了每ti的輸入和輸出數據
每個步驟以及可以在Intel Core2 Extreme的單個核心上生成或處理紋素的速度。規則瓷磚步驟輸入/平鋪輸出/平鋪MT / s1。類似JPEG的解壓縮二進制數據16384紋理1902. Mipmap生成16384紋理5461紋素4003. Mipmap鏈的DXT壓縮21845紋理二進制數據200如果這些步驟在單個核心上依次執行，則導致78 MT / swh的吞吐量相當於每秒4782瓦。
8k x8k層的瓷磚涉及更多的工作。相對於4k×4k層的瓦片，這些瓦片作爲亮度增強存儲。下表顯示了在將8k x 8klayer上傳到圖形存儲器之前生成圖塊所需的步驟。亮度塊步進輸入/平鋪輸出/平鋪MT / s1。 JPEG樣的解壓縮二進制數據16384紋理1902.四分之一瓦片的兩倍2x高檔4096紋素16384紋素1203.亮度解壓縮二進制數據16384紋素3004. Mipmap生成16384紋理5461紋素4005.映射鏈的DXT壓縮21845紋素二進制數據200如果這些步驟在單個核心上依次執行，這導致55Mbps的吞吐量等於每秒3357瓦。大多數瓦片以78MT / s的速度被處理，並且只有來自8k×8k層的瓦片被處理在55MT / s，但這些瓦片的更新頻率較低（比16k x16k圖層的瓦片少2倍）。以每小時80英里的速度全面顯示地形，需要以8 MT / s的紋理數據輸出。
換句話說，只有一點點超過10％的CPU時間的英特爾酷睿2極限才能處理紋理數據。大部分數據從兩個最高的細節層以6 MT / s（= 275瓦）讀取/秒）。在平均壓縮比爲14：1的情況下，每個磁貼不存儲mipmap，這樣就可以獲得每秒需要從DVD流式傳輸的1.25兆字節值。另外，在相同的壓縮比下，大約有30到40個瓦每個128 kB塊從DVD讀取。在實踐中，從DVD流出的大約一半的瓦片被丟棄並且如此浪費。這導致每個搜索至少讀取15到20個有用的瓦片。
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