腾讯硬核干货！如何在页面极速渲染3D模型？

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，在 H5 中我们随机展示了5种类的 3D 太空鹅模，如图示：

但是在 H5 中引入 3D 模往往存在资源太大、性损耗严重、还原真实的问题，这许多 3D 创意止步于开发阶。

何更地在 H5 中还原模型呢？文将从模型网和贴图文件两方面分析，介绍几种通技术角度优化加载速度和提高渲染能的途径，在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，对大型 3D 资源，我们一般通在模型设计时进行「减面」来减少模型几何的大小，但也带来模型精致度的缺失。下图所示：

而通 glTF 合 Draco 压缩的方式，以在视效果近乎一致的情况下，让3D模型件成倍缩小。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 JPEG」，使用了更优数据结构，为应用程序实时渲染而生。glTF 有以下几大特：

• 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除了与渲染关冗余信息，最小化 3D 文件资；
• 优化了应用程序读取效率减少渲染模型的运行时间；
• 支持 3D 模几何体、材质、画及场景、摄影机等信息。

glTF 导出格式两种后缀格式可供选择：.gltf  .glb：

•  .gltf 文件导出时般会输出两文件类型，是 .bin 文件，以进制流存储顶坐标、顶法线坐标和贴图纹理坐标、贴图信息等模型基本数据信息；是 .gltf 文件，本质是 json 文件，记录bin文件模型顶基本数据索引、材质索引等信息，便编辑，可读性较好；
•  .glb 文件格式只导出一 .glb 文件，将所数据都输出二制流，通常会小一点，若不关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还不备导出 glTF 格式功能，可以输出 FBX / Collada 格式后通过以下工进行转换：

FBX 转 glTF

•  Facebook 推出的 FBX2glTF 命令行工，可直从 github 官网下载 release 版本；
•  过 Paint 3D、Substance Painter 等可视化编辑工具进转换。

Collada 转 glTF

COLLADA2GLTF 命令工具，可转换 .dae 格文件，从 GitHub 官网接下载 release 版本，解压后在命令进入目录即可调用。

glTF 查看

转换后可过以下查看工具查看 glTF 资：

• Windows 10 及以上带的 3D Paints；
• glTF 在线查看：https://gltf-viewer.donmccurdy.com；
• 对于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 3D 模型压缩和压缩的工具库，上述介绍的 FBX2glTF 及 COLLADA2GLTF 工具也嵌 Draco 压缩功能，除此之外，glTF 资源通基 Draco 开的命令行工具 gltf-pipeline 进行编码压缩，gltf-pipeline 通 npm 的方式安装使用。使用方法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离出来

gltf-pipeline -i model.glb -b -d -t

#更多参数查阅

gltf-pipeline -h

Draco 压缩析

通过 Draco 进行压缩基本上是有损的，有点表现：

• Draco 通 Edge breaker 3D 压缩法改变模型的网数据的索引方法，缺少原来的网顺序；
• Draco 通过减少顶点坐标、顶点纹理坐标等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通设置参数进行整，下所示：

当 –draco.compressionLevel 为0时，将留原来的网顺序，网数据索引的压缩力度最小，–draco.quantizeXXXBits 控坐标等基数据值的位数，位数越少压缩力度越大。由一个三角形网对应个顶点坐标、顶点法坐标、颜坐标等数据，一般来说 –draco.quantizeXXXBits 对文件的大小影响更大。

若不置参数，gltf-pipeline 会直以默认值压缩。

虽说 Draco 是有损，相于接为模型减来说，采用 Draco 压缩法视觉偏会小很多。

压缩后的 glTF 模型需通过应用中嵌入 Draco 解码具包，主对 edge breaker 算法部分行解码，解码时间一般比编码时间少，但必须考模型与具包的小对比。例如 ThreeJS 提供了 draco_decoder 模块行解码，draco_decoder 约600KB，若模型资源文件比具包还小，就必再引入 Draco 压缩了。

3. 效果测试

我们以太空鹅模型例，只加载模型几何体，不入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可以看出，文件从 FBX 转换为 glTF 后大小异不大，是渲染速度有了明显提升。

另外过压缩的 glTF 文件仅常 FBX  glTF 文件的1/10左右，视觉三者几何体结构明显的差异，压缩后的 glTF 启了 worker 线程 Draco 解码，多了一小部分模型解码时间。

模型贴图优化

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行处理。然很多时候贴图文件往往于模型。此时则需将模型贴图分行处理（建模时分输出一打好 UVtag 纹理坐标的「白模」需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基于理引擎渲染的电视机 Demo 模型例，一般会输出几种尺寸较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 png 格式，许多同学会通过压缩 png 或者将 png 转 jpg 格式减少纹理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全部转码纹理(texture)能始渲染，具相同尺寸的贴图纹理 GPU 占用内存小相同，故压缩后的 png/jpg 对于渲染过程并优化。

庆幸的是许多设备都有可直接于渲染的 GPU 压缩纹(compress texture)格式，压缩纹可由 png 直接转换的纹减5倍或上的大小。如果直接供压缩纹格式，则需要进行 png 的转码过程且可大大减纹存。如图方案2示：

但由于 GPU 芯片供商太多，设备的压缩纹格式多种多样（例如卓设备格式是 ETC1/ETC2，苹果设备是 PVRTC…），手输多种格式代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了 Basis Universal 压缩 GPU 纹技术，Basis Universal 支持多种的压缩纹格式，将 png 转换为 basis 件后，大小与 jpg 格式差多，但在 GPU 上 png/jpg 小6-8倍。

应用程序加载 basis 文件，通 basis 转码器快速转换成适用设备的压缩纹理式。下图(图来自Google Blog)所示：

Basis 用法也比简单，通 basisu 命令行工具压缩 png，直接从 github 官网下载Release版或者通 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 .basis 文件需要在程序过转码转成设备压缩纹理格，例如在ThreeJS 可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performance模下，针个电视模型利用 ThreeJS 各自加载了 4096 x 4096 大小颜色贴图、法线贴图、属与粗糙贴图，比如下：

由上图使用 basis 贴图资源文件大比 png 减少了11倍以上，同主线程的脚本间和绘制间花销也于 png/jpg 贴图。

需要注意是，样由于不压缩纹理格不，在 basis 文件致情况下，不设备渲染表现可能会出现不致，需要进多端测试，目前部分格不支持 alpha ，带半透明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  H5，glTF 与 Basis 亦可用于其它基于 OpenGL 渲染应用程序。值期待是，目前 Google 与 Binomial 公司正在进 Basis Universal 与 glTF 3D 传输标准合作，或许在不久将来可以迎来结合了 basis 贴图 glTF 格，不需要做另处理可以接导入模型到应用程序。

参考资料

• https://spin.atomicobject.com/2018/09/30/compress-3d-files-draco/
• https://neil3d.github.io/3dengine/gltf-mesh.html
• https://github.com/google/draco
• https://www.ece.uvic.ca/~frodo/publications/yuetang_meng_project_slides.pdf
• https://developers.facebook.com/docs/sharing/3d-posts/glb-tutorials
• https://github.com/AnalyticalGraphicsInc/gltf-pipeline
• https://www.khronos.org/gltf/
• https://news.ycombinator.com/item?id=19986749
• https://github.com/BinomialLLC/basis_universal
• https://www.khronos.org/blog/google-and-binomial-contribute-basis-universal-texture-format-to-khronos-gltf-3d-transmission-open-standard

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