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腾讯硬核干货!如何在页面极速渲染3D模型?

发布时间:2019-12-11 09:12:21

朋友们,还记得 QQ 20 周年 H5 中可可爱爱的太空鹅吗?

0.gif

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:

0-1.jpg

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:

1.jpg

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

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

 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:

2.jpg

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:

3-1.jpg

3-2.jpg

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:

4.jpg

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:

5.jpg

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:

6.jpg

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:

7.jpg

7-2.jpg

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。

作者:腾讯ISUX

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