ضغط نسيج S3

تُعدّ تقنية ضغط نسيج S3 ( S3TC ) (وتُعرف أحيانًا باسم DXTn أو DXTC أو BCn ) مجموعةً من خوارزميات ضغط النسيج ذات الفقدان ، والتي طوّرها في الأصل إيورتشا وآخرون من شركة S3 Graphics المحدودة ^{[ 1 ] [ 2 ]} لاستخدامها في مُسرّع رسومات الحاسوب ثلاثي الأبعاد Savage . وتتشابه طريقة الضغط هذه بشكلٍ ملحوظ مع تقنية ضغط الخلايا اللونية المنشورة سابقًا ^{[ 3 ]،} والتي بدورها مُقتبسة من ترميز اقتطاع الكتل المنشور في أواخر سبعينيات القرن الماضي. وعلى عكس بعض خوارزميات ضغط الصور (مثل JPEG )، فإنّ معدل ضغط البيانات الثابت في S3TC، بالإضافة إلى الوصول إلى الذاكرة لمرة واحدة (مقارنةً بتقنية ضغط الخلايا اللونية وبعض المخططات القائمة على VQ )، جعلها مناسبةً تمامًا لضغط النسيج في رسومات الحاسوب ثلاثية الأبعاد المُسرّعة بواسطة الأجهزة . أدى إدراجها لاحقًا في DirectX 6.0 و OpenGL 1.3 من مايكروسوفت (عبر امتداد GL_EXT_texture_compression_s3tc ) إلى انتشار واسع النطاق لهذه التقنية بين مصنعي الأجهزة والبرامج. ورغم أن S3 Graphics لم تعد منافسًا في سوق معالجات الرسومات، فقد استمر فرض رسوم ترخيص واستخدام تقنية S3TC حتى أكتوبر 2017، على سبيل المثال في أجهزة ألعاب الفيديو وبطاقات الرسومات. وقد أدى الاستخدام الواسع لتقنية S3TC إلى اشتراط فعلي لدعمها من قبل برامج تشغيل OpenGL، إلا أن وضع S3TC المقيد ببراءات الاختراع شكّل عائقًا كبيرًا أمام تطبيقات المصادر المفتوحة ، ^{[ 4 ]} في حين وُجدت مناهج تنفيذية حاولت تجنب الأجزاء المحمية ببراءات الاختراع. ^{[ 5 ]}

انتهت صلاحية بعض براءات الاختراع المتعددة المسجلة لدى مكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية الأمريكي (USPTO) والمتعلقة بتقنية ضغط نسيج S3 (مثل براءة الاختراع الأمريكية رقم 5956431 A) في 2 أكتوبر 2017. ^{[ 6 ]} إلا أن براءة اختراع واحدة على الأقل، وهي براءة الاختراع الأمريكية رقم 6,775,417 ، مُنحت تمديدًا لمدة 165 يومًا. وانتهت صلاحية هذه البراءة في 16 مارس 2018.

توجد خمسة أنواع مختلفة من خوارزمية S3TC (تُسمى من DXT1 إلى DXT5 ، نسبةً إلى رمز FourCC الذي خصصته مايكروسوفت لكل تنسيق)، كل منها مصمم لأنواع محددة من بيانات الصور. جميعها تُحوّل كتلة 4×4 بكسل إلى وحدة 64 بت أو 128 بت، مما ينتج عنه نسب ضغط 6:1 مع بيانات إدخال RGB ذات 24 بت أو 4:1 مع بيانات إدخال RGBA ذات 32 بت . S3TC هي خوارزمية ضغط مع فقدان للبيانات، مما يؤدي إلى تدهور جودة الصورة، وهو تأثير يتم تقليله من خلال القدرة على زيادة دقة النسيج مع الحفاظ على متطلبات الذاكرة نفسها. لا تُضغط الصور الكرتونية المرسومة يدويًا بشكل جيد، وكذلك بيانات الخرائط العادية ، وكلاهما يُنتج عادةً تشوهات . خوارزمية ضغط 3Dc من ATI هي تعديل لـ DXT5 مصمم للتغلب على أوجه القصور في S3TC فيما يتعلق بالخرائط العادية. تغلبت شركة id Software على مشاكل ضغط الخرائط العادية في لعبة Doom 3 عن طريق نقل المكون الأحمر إلى قناة ألفا قبل الضغط وإعادته أثناء عملية العرض في برنامج تظليل البكسل . ^{[ 7 ]}

على غرار العديد من خوارزميات ضغط الصور الحديثة، لا يحدد معيار S3TC سوى طريقة فك ضغط الصور، مما يسمح للمطورين بتصميم خوارزمية الضغط بما يتناسب مع احتياجاتهم الخاصة، مع العلم أن براءة الاختراع لا تزال تغطي خوارزميات الضغط. كما استخدمت بطاقات Nvidia GeForce من 256 إلى GeForce 4 تقنية الاستيفاء 16 بت لعرض نسيج DXT1، مما أدى إلى ظهور تدرجات لونية غير متجانسة عند فك ضغط النسيج. وقد خلق هذا انطباعًا سلبيًا عن ضغط النسيج ، لا علاقة له بأساسيات برنامج الترميز نفسه.

DXT1 (المعروف أيضًا باسم ضغط الكتلة 1 أو BC1) هو أصغر إصدار من S3TC، حيث يخزن 16 بكسل إدخال في 64 بت من الإخراج، ويتكون من قيمتين لونيتين RGB 5:6:5 ذات 16 بت${\displaystyle c_{0}}$و${\displaystyle c_{1}}$وجدول بحث ثنائي البتات 4×4.

لو${\displaystyle c_{0}>c_{1}}$(قارن هذه الألوان بتفسيرها على أنها عددان غير موقعين من 16 بت)، ثم يتم حساب لونين آخرين، بحيث يكون لكل مكون،${\textstyle c_{2}={2 \over 3}c_{0}+{1 \over 3}c_{1}}$و${\textstyle c_{3}={1 \over 3}c_{0}+{2 \over 3}c_{1}}$يعمل هذا الوضع بشكل مشابه للوضع 0xC0 الخاص ببرنامج ترميز الفيديو الأصلي من Apple . ^{[ 8 ]}

وإلا، إذا${\displaystyle c_{0}\leq c_{1}}$، ثم${\textstyle c_{2}={1 \over 2}c_{0}+{1 \over 2}c_{1}}$و${\displaystyle c_{3}}$اللون الأسود الشفاف يتوافق مع تنسيق ألفا مضروب مسبقًا . يتسبب هذا اللون أحيانًا في ظهور حدود سوداء تحيط بالمنطقة الشفافة عند استخدام ترشيح النسيج الخطي واختبار ألفا، وذلك بسبب استيفاء الألوان بين لون البكسل المعتم والبكسل الأسود الشفاف المجاور.

ثم يتم الرجوع إلى جدول البحث لتحديد قيمة اللون لكل بكسل، حيث تتوافق القيمة 0 مع${\displaystyle c_{0}}$وقيمة 3 تقابل${\displaystyle c_{3}}$.

تقوم تقنيتا DXT2 وDXT3 (المعروفتان مجتمعتين باسم ضغط الكتلة 2 أو BC2) بتحويل 16 بكسلًا مُدخلًا (تُقابل كتلة 4x4 بكسل) إلى 128 بتًا من المُخرجات، تتكون من 64 بتًا من بيانات قناة ألفا (4 بتات لكل بكسل) متبوعة بـ 64 بتًا من بيانات اللون، مُشفرة بنفس طريقة DXT1 (باستثناء أنه يتم دائمًا استخدام إصدار الألوان الأربعة من خوارزمية DXT1 بدلًا من تحديد الإصدار المُستخدم بناءً على القيم النسبية لـ${\displaystyle c_{0}}$و${\displaystyle c_{1}}$).

في DXT2، تُفسَّر بيانات اللون على أنها مضروبة مسبقًا في قيمة ألفا ، بينما في DXT3 تُفسَّر على أنها غير مضروبة مسبقًا في قيمة ألفا. عادةً ما يكون DXT2/3 مناسبًا للصور ذات الانتقالات الحادة في قيمة ألفا، بين المناطق الشفافة والمعتمة.

يقوم DXT4 و DXT5 (المعروفان مجتمعين أيضًا باسم Block Compression 3 أو BC3) بتحويل 16 بكسل إدخال إلى 128 بت من الإخراج، ويتكون من 64 بت من بيانات قناة ألفا (قيمتان ألفا 8 بت وجدول بحث 4×4 3 بت) متبوعًا بـ 64 بت من بيانات اللون (مشفرة بنفس طريقة DXT1).

لو${\displaystyle \alpha _{0}>\alpha _{1}}$ثم يتم حساب ست قيم ألفا أخرى، بحيث${\textstyle \alpha _{2}={{6\alpha _{0}+1\alpha _{1}} \over 7}}$،${\textstyle \alpha _{3}={{5\alpha _{0}+2\alpha _{1}} \over 7}}$،${\textstyle \alpha _{4}={{4\alpha _{0}+3\alpha _{1}} \over 7}}$،${\textstyle \alpha _{5}={{3\alpha _{0}+4\alpha _{1}} \over 7}}$،${\textstyle \alpha _{6}={{2\alpha _{0}+5\alpha _{1}} \over 7}}$، و${\textstyle \alpha _{7}={{1\alpha _{0}+6\alpha _{1}} \over 7}}$.

وإلا، إذا${\textstyle \alpha _{0}\leq \alpha _{1}}$يتم حساب أربع قيم ألفا أخرى بحيث${\textstyle \alpha _{2}={{4\alpha _{0}+1\alpha _{1}} \over 5}}$،${\textstyle \alpha _{3}={{3\alpha _{0}+2\alpha _{1}} \over 5}}$،${\textstyle \alpha _{4}={{2\alpha _{0}+3\alpha _{1}} \over 5}}$، و${\textstyle \alpha _{5}={{1\alpha _{0}+4\alpha _{1}} \over 5}}$مع${\displaystyle \alpha _{6}=0}$و${\displaystyle \alpha _{7}=255}$.

ثم يتم الرجوع إلى جدول البحث لتحديد قيمة ألفا لكل بكسل، حيث تتوافق القيمة 0 مع${\displaystyle \alpha _{0}}$وقيمة 7 تقابل${\displaystyle \alpha _{7}}$تُضرب بيانات الألوان في DXT4 مسبقًا بمعامل ألفا، بينما لا تُضرب في DXT5. ولأن DXT4/5 تستخدم نظام ألفا مُستكمل، فإنها تُنتج عمومًا نتائج أفضل لتدرجات ألفا (الشفافية) من DXT2/3.

يمكن ضغط نسيج BCn بشكل إضافي لتخزينه وتوزيعه على القرص ( ضغط النسيج الفائق ). يقوم التطبيق بفك ضغط هذه الطبقة الإضافية وإرسال بيانات BCn إلى وحدة معالجة الرسومات كالمعتاد.

يمكن دمج BCn مع Oodle Texture، وهو معالج مسبق مع فقدان للبيانات يُعدّل نسيج الإدخال بحيث يسهل ضغط مخرجات BCn بواسطة ضاغط LZ77 ( تحسين معدل التشوه ). كما يمكن لـ BC7 تحديدًا استخدام "bc7prep"، وهي عملية بدون فقدان للبيانات لإعادة ترميز النسيج بشكل أكثر قابلية للضغط (مما يتطلب عكسه عند فك الضغط). ^{[ 11 ]}

برنامج crunch هو أداة أخرى تقوم بتنفيذ RDO ويمكنها أيضًا إعادة الترميز بشكل اختياري. ^{[ 12 ]}

في عام 2021، طورت مايكروسوفت خوارزمية ضغط "BCPack" خصيصًا للنسيج المضغوط بتقنية BCn. يدعم جهازا Xbox Series X وS فك ضغط ملفات BCPack. ^{[ 13 ]}

• S2TC ، حل بديل بدون براءة اختراع
• FXT1
• سطح الرسم المباشر
• PVRTC
• ضغط النسيج التكيفي القابل للتوسع (ASTC)
• ضغط نسيج إريكسون (ETC1 و ETC2)
• تعبير الخلية الملونة

• مكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية الأمريكي، قاعدة بيانات النصوص الكاملة والصور لبراءات الاختراع، نتيجة البحث عن براءة الاختراع الأمريكية رقم 5956431 أ
• البحث عن براءة اختراع أمريكية رقم 5956431 أ في مكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية الأمريكي