3D性能优化 | 说一说glTF文件压缩

引言

最近作T级互动，须要使用到3D模型。相信你们和我同样，在开始着手的时候，必定会有这么些问题：

• 1.如何选择3D模型的导出格式
• 2.如何对模型文件进行优化
• 3.在大流量的项目中兼容性怎么样

让咱们经过这篇文章，进行细致的探索、调研与沉淀。

1、什么是 glTF 文件

glTF 全称 Graphics Language Transmission Format，是三维场景和模型的标准文件格式。

glTF 核心是 JSON 文件，描述了 3D 场景的整个内容。它由场景结构自己的描述组成，其由定义场景图的节点的层次提供。

场景中出现的 3D 对象是使用链接到节点的 meshes(网格)定义的。Materials(材料)定义对象的外观。Animations(动画)描述 3D 对象如何随着时间的推移转换 3D 对象，而且 Skins(蒙皮)定义了对物体的几何形状的方式基于骨架姿式变形。Cameras(相机)描述了渲染器的视图配置。

除此之外，它还包括了带有二进制数据和图像文件的连接，以下图所示。

2、.gltf 与.glb

从 blender 文件导出中能够看出：

glTF 文件有两种拓展形式，.gltf（JSON / ASCII）或.glb（二进制）。.gltf 文件多是自包含的，也可能引用外部二进制和纹理资源，而 .glb 文件则是彻底自包含的（但使用外部工具能够将其缓冲区/纹理保存为嵌入或单独的文件，后面会提到）。

2.1 .glb文件产生缘由

glTF 提供了两个也能够一块儿使用的交付选项：

• glTF JSON 指向外部二进制数据（几何、关键帧、皮肤）和图像。
• glTF JSON 嵌入 base64 编码的二进制数据，并使用数据 URI 内联图像。

对于这些资源，因为 base64 编码，glTF 须要单独的请求或额外的空间。Base64 编码须要额外的处理来解码并增长文件大小（编码资源增长约 33%）。虽然 gzip 减轻了文件大小的增长，但解压缩和解码仍然会增长大量的加载时间。

为了解决这个问题，引入了一种容器格式 Binary glTF。在二进制 glTF 中，glTF 资产（JSON、.bin 和图像）能够存储在二进制 blob 中，就是.glb 文件。

2.2 文件对比

2.2.1 同一个glTF文件，.glb格式要比.gltf小

• 自包含的：

• 引用外部二进制和纹理资源的：

2.2.2 .gltf文件预览：

• 自包含的：

• 引用外部二进制和纹理资源：

2.2.3 glb文件预览：

• 自包含的：

• 引用外部二进制和纹理资源：

从图中能够看到，当非自包含型的时候，请求glTF文件时，会一同请求图片文件。

那么，咱们就能够利用这个特性，就能够实现一些性能优化，让咱们往下继续。

3、glTF 文件拆分

上文提到，glTF文件能够拆分为.gltf/.glb文件+二进制文件+纹理图片，那么，咱们就能够将其拆分出来，并对纹理图片进行单独的压缩，来进行性能的优化。

可使用gltf pipeLine ，其具备如下功能：

• glTF 与 glb 的相互转换
• 将缓冲区/纹理保存为嵌入或单独的文件
• 将 glTF 1.0 模型转换为 glTF 2.0(使用KHR_techniques_webgl和KHR_blend)
• 使用 Draco 进行网格压缩

在这里，咱们是要使用“将缓冲区/纹理保存为嵌入或单独的文件”这个功能。

让咱们来看看拆分出来的文件

再回顾一下，.glb文件是这么引入外部单独的纹理与二进制文件的

因此，只要将拆分出来的这几个文件，放入同一个路径中，而后像以前那样引入就行了。

• 压缩方式

gltf-pipeline -i male.glb -o male-processed.glb -s

• 使用方式（在 Three.js 中）
  普普统统地用就行了，和不拆分的没什么区别

import { GLTFLoader } from 'three/examples/jsm/loaders/GLTFLoader'

const loader = new GLTFLoader()
loader.load(MODEL_FILE_PATH, (gltf) => {
 // ....
})

• 性能对比

4、glTF 文件压缩

如上面介绍，glTF 文件包括.gltf/.glb 文件、.bin 文件以及纹理资源。glTF2.0 相关的插件主要有如下：

那么咱们从中取一些来分析一下。

4.1 网格压缩

4.1.1 KHR_draco_mesh_compression

最常见的一种网格压缩方式，采用开源的Draco算法，用于压缩和解压缩3D 网格和点云，而且可能会改变网格中顶点的顺序和数量。压缩的使文件小得多，可是在客户端设备上须要额外的解码时间。

• 压缩方式

可使用gltf-pipelinegltf 文件优化工具进行压缩

gltf-pipeline -i male.glb -o male-processed.glb -d

• 使用方式（在 Three.js 中）

import { GLTFLoader } from 'three/examples/jsm/loaders/GLTFLoader'
import { DRACOLoader } from 'three/examples/jsm/loaders/DRACOLoader'

const loader = new GLTFLoader()

// 建立解码器实例
const dracoLoader = new DRACOLoader()
// 设置解压库文件路径
dracoLoader.setDecoderPath(DECODER_PATH)
// 加载解码器实例
loader.setDRACOLoader(dracoLoader)

loader.load(MODEL_FILE_PATH, (gltf) => {
 // ....
})

• 性能分析对比

这个 glb 文件原大小为 3.2M，draco 压缩后为 1.8M，约为原文件的56%。

从上面的代码中能够看出，建立解码器实例须要引入额外的库来进行解码，setDecoderPath会自动请求 wasm 文件来进行解密操做。而这两个 wasm 文件同时也增长了请求时间和请求数量，那么加上这两个文件，真实的压缩率约为62.5%。

因此，若是一个项目须要加载多个 glTF 文件，那么能够建立一个 DRACOLoader 实例并重复使用它。但若是项目只须要加载一个 glTF 文件，那么使用 draco 算法是否具备“性价比”就值得考量了。

用 demo 进行一下性能对比：

可见 draco 算法首次加载和解密时间，要大于原文件。而在实际项目中，这个差距更加明显，而且偶尔会出现解密堵塞的状况，须要从新进入页面才能恢复功能。

除此之外，还有一个很直观的问题，模型画质的损失是肉眼可观的。

如图，分别是在 iPhone 12 和小米 MIX2 中的样子：

总而言之，若是要将 draco 压缩算法运用到大规模项目中，须要结合实际项目进行如下对比：

• (1) 请求两个文件+解密耗时，与自己 glb 文件压缩后的体积大小相比，真实性能对比；
• (2) 画质是否会出现设计师没法接受的损失。

4.1.2 KHR_mesh_quantization

顶点属性一般使用FLOAT类型存储，将原始始浮点值转换为16位或8位存储以适应统一的3D或2D网格，也就是咱们所说的quantization向量化，该插件主要就是将其向量化。

例如，静态 PBR-ready 网格一般须要每一个顶点POSITION（12 字节）、TEXCOORD（8 字节）、NORMAL（12 字节）和TANGENT（16 字节），总共 48 字节。经过此扩展，能够用于SHORT存储位置和纹理坐标数据（分别为 8 和 4 字节）以及BYTE存储法线和切线数据（各 4 字节），每一个顶点总共 20 字节。

• 压缩方式

可使用gltfpack工具进行压缩

gltfpack -i male.glb -o male-processed.glb

• 使用方式（在 Three.js 中）

普普统统地用就行了，和不压缩的没什么区别

import { GLTFLoader } from 'three/examples/jsm/loaders/GLTFLoader'

const loader = new GLTFLoader()
loader.load(MODEL_FILE_PATH, (gltf) => {
 // ....
})

• 性能对比

原文件3.2M，压缩后1.9M，为原文件的59.3%，比原模型加载速度也快上很多。
放到实际项目中，没有画质损失和加载时间过长的问题。

4.1.3 EXT_meshopt_compression

此插件假定缓冲区视图数据针对 GPU 效率进行了优化——使用量化并使用最佳数据顺序进行 GPU 渲染——并在 bufferView 数据之上提供一个压缩层。每一个 bufferView 都是独立压缩的，这容许加载器最大程度地将数据直接解压缩到 GPU 存储中。

除了优化压缩率以外，压缩格式还具备两个特性——很是快速的解码（使用 WebAssembly SIMD，解码器在现代桌面硬件上以约 1 GB/秒的速度运行），以及与通用压缩兼容的字节存储。也就是说，不是尽量地减小编码大小，而是以通用压缩器能够进一步压缩它的方式构建比特流。

• 压缩方式

可使用gltfpack工具进行压缩

gltfpack -i male.glb -o male-processed.glb -cc

• 使用方式（在 Three.js 中）

import { GLTFLoader } from 'three/examples/jsm/loaders/GLTFLoader'
import { MeshoptDecoder } from 'three/examples/jsm/libs/meshopt_decoder.module.js'

const loader = new GLTFLoader()
loader.setMeshoptDecoder(MeshoptDecoder)
loader.load(MODEL_FILE_PATH, (gltf) => {
 // ....
})

• 性能分析对比

原文件3.2M，压缩后1.1M，为原文件的65.6%，首次加载时间比原模型快上很多。
放到实际项目中，没有画质损失和加载时间过长的问题。

5、多个机型设备与优化对比结果

为了不上文提到的“draco”压缩使得模型受损的状况，找了几台iPhone、安卓的手机来进行了一下性能与兼容的测试，让咱们看一下结果。
PS：公司网络在不一样时间段内网速不一样（如上午和下午），可能会对数字产生小部分影响，但不影响文件优化横向对比。

iPhone 12（iOS 14.4，自用）

Huawei Mate 40 pro （HarmonyOS，自用）

Xiaomi Mix2（Android 8.0，测试机）

iPhone 6sp （iOS 13.7，自用机）

5.1 总结

可见，对于小部分须要使用模型的，而且只须要加载一个模型的业务，采用KHR_mesh_quantization或EXT_meshopt_compression进行网格压缩，再使用gltf-pipeline进行模块区分并对纹理图片压缩，是目前找到的较好的优化方案。

6、其余

其实还有不少性能优化的插件，目前正在进行调试和调查，等后续迭代或有什么新进展，会继续更新：

网格优化的：

• EXT_mesh_gpu_instancing

  现 Three.js 的 GLTFLoader 还没有支持，Babylon.js 的BABYLON.GLTF2.Loader.Extensions 支持

还有一些纹理优化的插件：

• KHR_texture_basisu

• EXT_texture_webp

7、参考资料

1. The Basic Structure of glTF

2. GLB File Format Specification

3. Extensions for glTF 2.0

4. KHR_draco_mesh_compression

5. DRACOLoader – three.js docs

6. CesiumGS/gltf-pipeline: Content pipeline tools for optimizing glTF assets.

7. KHR_mesh_quantization

8. 📦 gltfpack | meshoptimizer

9. GLTFLoader

10. EXT_meshopt_compression

11. 【网格压缩测评】MeshQuan、MeshOpt、Draco

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