法线精度与带宽

先把题目说成人话

手机里的石墙既要有凹凸感，又不能让下载、内存和画面读取一起爆掉。用颜色记录表面细小朝向的图片叫法线贴图（Normal Map）。近处英雄道具值得保留细小起伏，远处墙面可能只需要稳定的大明暗；先分清占硬盘和内存的量、每帧搬运的数据以及压缩后的可见损伤，才能按距离和用途分档，而不是简单删掉它。

这是虚构教学故事，不是个人项目经历。

场景：先让问题变得看得见

角色护甲近看有细密拉丝，侧光扫过时，高光会沿凹凸连续滑动；镜头拉远后，玩家只能看见较大的起伏。现在的问题不是“方向图越清楚越好”，而是哪些距离真的能看见细节，图片装进手机要占多少空间，以及每帧读取这些细节是否挤占了别的工作。

先把三本账分开：行李箱里装了多少，是容量；每秒从箱子取出多少，是带宽；一帧是否按时完成，是时间。它们会互相影响，却不能用同一个数字直接替换。

（右脑）画面： 护甲表面像铺着无数根细小方向箭头，光从侧面扫过时，箭头朝向的轻微误差会被高光放大成跳动；镜头远离后，细箭头已经小到一个屏幕格里，只剩大片起伏仍能改变轮廓和明暗。图片压得更紧或缩得更小，像把许多箭头塞进同一个包装盒，既可能抹掉细节，也可能让相邻方向互相污染。质量档应该把精确箭头留给脸、武器和近景湿润表面，把远景换成更粗的方向或模型自身的表面方向；是否真的省时间，还要看每帧覆盖、重复读取和缓存，而不是只看文件变小。

（左脑）对表： 先把微小箭头映射为切线空间法线，并按线性数据采样。进入 Shader 后不能先验地把原始 r、g 当成 x、y：Unity 的平台 NormalMapEncoding 可能走 XYZ 或 DXT5nm 等不同打包，必须使用当前渲染管线匹配的法线 unpack helper；只有明确规定布局的自定义双通道纹理，才手动把存储值重映射到有符号 x、y。一个 2048² 基础层若用 RGBA32，容量为 2048×2048×4=16 MiB，理想完整 mip 链约 21.3 MiB；若最终为 ASTC 6×6，128÷36≈3.56 bpp，基础层约 1.78 MiB，完整链约 2.37 MiB。公式只估算容量，运行带宽还要经过当前 mip、屏幕覆盖、采样次数、过滤、块读取与缓存命中；因此驻留 MiB、带宽 GB/s 和图形时间 ms 必须分别测量。

小明：先形成一个完整猜测

小明认为法线有 XYZ 三个分量，只存 XY、在 Shader 里重建 Z，就能固定节省三分之一带宽。这个模型在数学上有一半是对的：先按 Unity 当前平台的实际打包方式正确 unpack，或对自定义已知双通道布局把纹理值解码到有符号范围后，单位切线空间法线才满足 x²+y²+z²=1；若项目约定法线只在正半球，才可以用 z=sqrt(max(0,1-x²-y²)) 重建。未经 unpack 的原始 0–1 纹理值不能直接代入，负 Z 的符号也已经无法从 XY 推回。

但“少写一个通道”不自动等于“少读三分之一”。如果导入后仍占同一种 ASTC 块或 RGBA 格式，物理块大小没有改变，容量与带宽未必下降；还会增加解码 ALU，并放大低精度 XY 对 Z 的误差。

小红：把猜测放回现实检查

小红把四种对象分别检查：

1. 容量：用实际平台导入格式计算 bpp、尺寸和 mip，而不是看源 PNG 大小。
2. 精度：在掠射光、镜面高光和压缩后的目标设备上看块伪影；法线贴图按线性数据采样。
3. 带宽：用设备 GPU 计数器看纹理读取与缓存压力，并结合 GPU 时间；不从容量公式反推时间。
4. 视觉距离：近景脸部、武器与湿润材质对法线更敏感，远景或粗糙材质通常能接受更小尺寸、更粗 ASTC 块或只用顶点法线。

她逐项替换后发现：单纯改通道但不改物理格式，内存没有变化；真正改变分辨率、mip 策略或压缩块后，容量才按公式下降。至于帧时间是否改善，仍以同一目标设备捕获为准。

我：用检查结果修正模型

我把替代方案做成材质质量档，而不是全局开关。高档保留关键资产的高分辨率法线；中档使用经过画面验收的 ASTC 块与较小尺寸；低档让远景只用顶点法线或低频主法线，Detail Normal 只在近距离启用。普通 Unity Normal Map 先走当前管线匹配的 unpack helper；XY 重建 Z 只用于打包约定明确、确实对应更合适存储格式的候选，并在目标 GPU 上让 ALU 与质量都过关。

同时保证切线基、绿色通道方向和法线强度在各档一致，避免把坐标约定错误误判为压缩误差。最终分别验收驻留容量、硬件带宽计数、GPU 时间和镜头画质；四者是有关联的账，但不是同一个单位。

（右脑）画面修正： 小明依据单位向量只存 XY、现场重建 Z，以为包裹会固定缩小三分之一；数学上可以重建，但导入后若仍占同一种 ASTC 块或 RGBA 格式，物理包裹没有变小，实测内存也不会下降，还会增加解码 ALU 并放大低精度误差。小红再用近景高光、远景距离和目标设备计数器核对，才把单轴的“精度换带宽”改成多项取舍：最终存储格式、解码计算、缓存行为、采样距离和视觉敏感度必须一起过关。

（左脑）严格对表： 对每档资产先确认切线约定、平台 NormalMapEncoding、实际导入格式与管线 unpack 路径，并关闭数据贴图 sRGB；按最终格式用 width×height×bpp/8 加 mip 与块取整估算容量；制作分辨率、ASTC 块、Detail Normal 距离开关和自定义 XY 重建候选；在同一设备与镜头分别记录驻留 MiB、纹理带宽计数、GPU ms 和画质。自定义 XY 重建前先按已知布局把存储值解码到有符号范围，并仅在正半球约定成立、目标格式确实少占物理存储且 ALU/误差通过时使用 z=sqrt(max(0,1-x²-y²))；所有档位还须保持法线方向、接缝与镜面响应一致。

老师解惑

• 理想基础层容量约为宽×高×bpp÷8；完整 mip 链约为基础层的 4/3，块压缩边缘需按整块取整。
• 带宽描述单位时间传输的数据量，帧时间描述完成一帧的时间；二者不能直接相减。
• 两通道法线可重建第三分量，但只有物理存储格式随之改变时，才一定减少容量。
• Unity 法线贴图的通道位置取决于平台编码与导入路径；先用当前管线的 unpack helper 得到法线，再讨论自定义 XY 重建，不能把原始 r、g 一律当作 x、y。
• 更粗压缩、较小尺寸、Detail Normal 距离开关、顶点法线和几何细节烘焙，都是不同边界下的替代路线。

工具分工

• Texture Importer：确认 Android/iOS 最终格式、尺寸、mip 和 sRGB 设置。
• Memory Profiler：看 Unity 报告的纹理内存与已加载资源，而不是源文件大小；物理 GPU 驻留仍要由 Texture Streaming 统计或平台工具补证。
• 平台 GPU Profiler：读取纹理带宽、缓存与 GPU 时间等硬件证据。
• texture-sampling Lab：拆开通道重建、采样、压缩误差和距离质量档。

记忆钩子

先用格式算容量，再用硬件看带宽；少一个通道只有改变物理存储时，才真的少一份行李。