如何在页面极速渲染3D模型

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社交用户体验设计

朋友们，还记得 QQ 20 周年 H5 中可可爱爱的太空鹅吗？

为了实现旋转和换肤功能，在 H5 中我们随机展示了5种类型的 3D 太空鹅模型，如下图所示：

但是在 H5 中引入 3D 模型往往存在资源太大、性能损耗严重、还原不真实的问题，这也让许多 3D 创意止步于开发阶段。

如何更好地在 H5 中还原模型呢？本文将从模型网格和贴图文件两方面分析，介绍几种通过技术角度优化加载速度和提高渲染性能的途径，在保证 3D 模型不减面，贴图不缩小的情况下，将模型精致地还原在 H5 或其他应用程序中。

模型网格压缩

首先是分析模型网格，对于大型 3D 资源，我们一般会通过在模型设计时进行“减面”来减少模型几何体的大小，但也会带来模型精致度的缺失。如下图所示：

而通过 glTF 配合 Draco 压缩的方式，可以在视觉效果近乎一致的情况下，让3D模型文件成倍缩小。下面具体介绍 glTF 格式及 Draco 压缩工具。

1. 将模型导出为 glTF 格式

glTF 介绍

glTF 称为“ 3D 界的 JPEG”，使用了更优的数据结构，为应用程序实时渲染而生。glTF 有以下几大特点：

- 由现有 OpenGL 的维护组织 Khronos 推出，目的就是为了统一用于应用程序渲染的 3D 格式，更适用于基于 OpenGL 的引擎；

- 减少了 3D 格式中除了与渲染无关的冗余信息，最小化 3D 文件资源；

- 优化了应用程序读取效率和和减少渲染模型的运行时间；

- 支持 3D 模型几何体、材质、动画及场景、摄影机等信息。

glTF 导出格式有两种后缀格式可供选择：.gltf 和 .glb：

- .gltf 文件导出时一般会输出两种文件类型，一是 .bin 文件，以二进制流的方式存储顶点坐标、顶点法线坐标和贴图纹理坐标、贴图信息等模型基本数据信息；二是 .gltf 文件，本质是 json 文件，记录对bin文件中模型顶点基本数据的索引、材质索引等信息，方便编辑，可读性较好；

- .glb 文件格式只导出一个 .glb 文件，将所有数据都输出为二进制流，通常来说会更小一点，若不关心模型内的具体数据可直接选择此类型。

glTF 转换

目前有些建模工具还不具备导出 glTF 格式功能，可以输出 FBX / Collada 格式后通过以下工具进行转换：

- FBX 转 glTF

a. Facebook 推出的 FBX2glTF 命令行工具，可直接从github 官网下载 release 版本；

b. 通过 Paint 3D、Substance Painter 等可视化编辑工具进行转换。

- Collada 转 glTF

COLLADA2GLTF 命令行工具，可转换 .dae 格式的文件，从 GitHub官网直接下载 release版本，解压后在命令行进入目录即可调用。

glTF 查看

转换后可通过以下查看工具查看 glTF 资源：

- Windows 10及以上自带的 3D Paints；

- glTF 在线查看器：https://gltf-viewer.donmccurdy.com；

- 对于开发者，可直接使用 VSCode 插件—— glTF Tools。

2. 通过 Draco 进行压缩

Draco 及 gltf-pipeline 介绍

Draco 是 Google推出的一个用于 3D 模型压缩和解压缩的工具库，上述介绍的 FBX2glTF 及 COLLADA2GLTF 工具也嵌入了 Draco 压缩功能，除此之外，glTF 资源可通过基于 Draco 开发的命令行工具 gltf-pipeline 进行编码压缩，gltf-pipeline 可通过 npm 的方式安装使用。使用方法如下：

#全局安装npm install -g gltf-pipeline#压缩glb文件 -b表示输出glb格式，-d表示压缩gltf-pipeline -i model.glb -b -d#压缩glb文件并将纹理图片分离出来gltf-pipeline -i model.glb -b -d -t#更多参数查阅gltf-pipeline -h

Draco 压缩分析

通过 Draco 进行压缩基本上是有损的，有两点表现：

- Draco 通过 Edge breaker 3D 压缩算法改变了模型的网格数据的索引方法，缺少了原来的网格顺序；

- Draco 通过减少顶点坐标、顶点纹理坐标等信息的位数，以减少数据的存储量。

但在 gltf-pipeline 或其他压缩工具中，压缩程度可通过设置参数进行调整，如下所示：

当 --draco.compressionLevel 为0时，将保留原来的网格顺序，网格数据索引的压缩力度最小，--draco.quantizeXXXBits 可控制坐标等基本数据值的位数，位数越少压缩力度越大。由于一个三角形网格对应多个顶点坐标、顶点法线坐标、颜色坐标等数据，一般来说 --draco.quantizeXXXBits对文件的大小影响会更大。

若不设置参数，gltf-pipeline 会直接以默认值压缩。

虽说 Draco 是有损的，但相对于直接为模型减面来说，采用 Draco 压缩方法视觉偏差会小很多。

压缩后的 glTF 模型需要通过在应用中嵌入 Draco 解码工具包，主要是对 edge breaker 算法部分进行解码，解码时间一般比编码时间少，但必须考量模型与工具包的大小对比。例如 ThreeJS 提供了 draco_decoder 模块进行解码，draco_decoder 约600KB，若模型资源文件比工具包还小，就没有必要再引入 Draco 压缩了。

3. 效果测试

我们以太空鹅模型为例，只加载模型几何体，不带入材质属性，通过ThreeJS 分别加载 FBX / glTF / 压缩后的glTF 的格式，第三种格式以默认参数压缩。测试效果对比如下：

从图中可以看出，文件从 FBX 转换为 glTF 后大小差异不大，但是渲染速度有了明显提升。

另外经过压缩的 glTF 文件仅为正常 FBX 和 glTF 文件的1/10左右，而在视觉上三者几何体结构没有明显的差异，压缩后的 glTF 开启了 worker 线程做 Draco解码，多了一小部分模型解码时间。

模型贴图优化

上述描述的模型压缩只针对模型网格数据，不会对 glTF 文件里的贴图进行处理。然而很多时候贴图文件往往大于模型。此时则需要将模型和贴图分开进行处理（建模时分开输出一个打好 UVtag 纹理坐标的“白模”和需要用到的纹理贴图）。下面介绍如何优化用于应用程序渲染的贴图文件。

1. 贴图加载过程分析

以一个基于物理引擎渲染的电视机 Demo 模型为例，一般会输出几种尺寸较大的贴图文件：颜色贴图，法线贴图，金属粗糙贴图，如下图例子所示：

输出贴图一般为 png 格式，许多同学会通过压缩 png 或者将 png 转成 jpg 格式减少纹理大小，其实这种处理方式只优化了图片加载速度，加载完毕后，png/jpg 仍需要全部转码为纹理(texture)才能开始渲染，而具有相同尺寸的贴图纹理 GPU 占用内存大小相同，故压缩后的 png/jpg 对于渲染过程并没有优化。

庆幸的是许多设备都有可直接用于渲染的 GPU 压缩纹理(compress texture)格式，压缩纹理可比由 png 直接转换的纹理减少5倍或以上的大小。如果直接提供压缩纹理格式，则不需要进行 png 的转码过程且可大大减少纹理内存。如下图方案2所示：

但由于 GPU 芯片提供商太多，设备的压缩纹理格式多种多样（例如安卓设备常用格式是 ETC1/ETC2，苹果设备是 PVRTC…），手动输出多种格式代价大，导致方案2较难落地。

2. Basis Universal 压缩

转折点在于今年五月份，Binomial 公司推出了 Basis Universal 压缩 GPU 纹理技术，Basis Universal 支持多种常用的压缩纹理格式，将 png 转换为 basis 文件后，大小与 jpg 格式差不多，但在 GPU 上比 png/jpg 小6-8倍。

应用程序加载 basis 文件后，可通过 basis 转码器快速转换成适用于设备的压缩纹理格式。如下图(图片来自Google Blog)所示：

Basis 用法也比较简单，可通过 basisu 命令行工具压缩 png，直接从github 官网下载Release版本或者通过 CMake 编译源码，以 Mac 系统为例（Windows 系统将命令改为 basis.exe），列举几种常用用法：

# 进入执行目录cd bin-osx# 将.png格式转为 .basis./basisu xxx.png# 针对法线/金属/粗糙贴图等linear颜色空间的贴图 需加上-linear./basisu xxx.png -linear# 最大限度保证图片质量的转换./basisu xxx.png -comp_level 5 -max_endpoints 16128 -max_selectors 16128 -no_selector_rdo# 最大限度压缩linear颜色空间的贴图./basisu xxx.png -linear -global_sel_pal -no_hybrid_sel_cb

生成的 .basis 文件需要在程序中通过转码器转成设备的压缩纹理格式，例如在ThreeJS 中可通过 basisTextureLoader 转换，具体用法可查阅ThreeJS 官网。

3. 效果测试

为了数据更加明显，我们在Mac Chrome 浏览器performance模式下，针对同一个电视机模型利用 ThreeJS 各自加载了 4096 x 4096 大小的颜色贴图、法线贴图、金属与粗糙贴图，对比如下：

由上图使用 basis 贴图资源文件大小比 png 减少了11倍以上，同时主线程的脚本时间和绘制时间花销也小于 png/jpg 贴图。

需要注意的是，同样由于不同的压缩纹理格式不同，在 basis 文件一致的情况下，不同设备的渲染表现可能会出现不一致，需要进行多端测试，且目前部分格式不支持 alpha 通道，带半透明的颜色贴图若不生效可考虑单独拆出 alpha 贴图。

展望

除了基于 webGL 的H5，glTF 与 Basis 亦可用于其它基于 OpenGL 渲染的应用程序。值得期待的是，目前 Google 与Binomial 公司正在推进 Basis Universal 与glTF 3D 传输标准的合作，或许在不久的将来就可以迎来结合了 basis 贴图的glTF格式，不需要做另外的处理可以直接导入模型到应用程序中。