大量对象的优化_首页-高德娱乐-注册登录站

本文是关于 three.js 系列文章的一部分. 第一篇文章是 three.js 基础. 如果你还没看过而且对three.js 还不熟悉，那应该从那里开始.

three.js的优化有很多种方式. 常见的一种叫做合并几何体. 每一个你创建的代表一个(或多个)请求系统渲染的命令. 即便是画出来的结果一样, 画两个几何体总是比画一个要费时费力. 所以最好的方式就是将这些mesh合并起来.

让我们来展示一个应用这种优化方式的优秀范例. 让我们来重新创建一个WebGL Globe.

第一件事是获取一些数据. WebGL Globe说他们的数据是来自SEDAC. 点开这个网站我们可以看到网格化的人口统计学数据. 我这里下载的是以60分为解析度的数据. 打开可以看到

 ncols         360
 nrows         145
 xllcorner     -180
 yllcorner     -60
 cellsize      0.99999999999994
 NODATA_value  -9999
 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 ...
 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 ...
 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 ...
 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 ...
 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 ...
 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 ...
 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 ...
 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 ...
 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 ...
 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 ...
 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 ...
 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 ...
 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 ...
 9.241768 8.790958 2.095345 -9999 0.05114867 -9999 -9999 -9999 -9999 -999...
 1.287993 0.4395509 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999...
 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 ...

上面的数据首先是几行键值对, 然后是网格化的数据.

为了保证我们的理解没有偏差, 我们先做个2D图

先用这么几行代码载入数据

async function loadFile(url) {
  const res=await fetch(url);
  return res.text();
}

上面的代码返回了一个带有指定下文件内容的

然后写几行数据来解析文件内容

function parseData(text) {
  const data=[];
  const settings={data};
  let max;
  let min;
  // 对每一行进行切分
  text.split('
').forEach((line)=> {
    // split the line by whitespace
    const parts=line.trim().split(/\s+/);
    if (parts.length===2) {
      // 长度为2的必定是键值对
      settings[parts[0]]=parseFloat(parts[1]);
    } else if (parts.length > 2) {
      // 长度超过2的肯定是网格数据
      const values=parts.map((v)=> {
        const value=parseFloat(v);
        if (value===settings.NODATA_value) {
          return undefined;
        }
        max=Math.max(max===undefined ? value : max, value);
        min=Math.min(min===undefined ? value : min, value);
        return value;
      });
      data.push(values);
    }
  });
  return Object.assign(settings, {min, max});
}

上面的代码返回了一个有着全部键值对的对象, 然后属性是网格化的数据. 和中是中的极值

下面是绘图函数

function drawData(file) {
  const {min, max, data}=file;
  const range=max - min;
  const ctx=document.querySelector('canvas').getContext('2d');
  // 新建一个和网格数据尺寸相等的canvas
  ctx.canvas.width=ncols;
  ctx.canvas.height=nrows;
  // 但是以两倍大小绘制防止太小
  ctx.canvas.style.width=px(ncols * 2);
  ctx.canvas.style.height=px(nrows * 2);
  // 用黑灰色填充
  ctx.fillStyle='#444';
  ctx.fillRect(0, 0, ctx.canvas.width, ctx.canvas.height);
  // 绘制数据点
  data.forEach((row, latNdx)=> {
    row.forEach((value, lonNdx)=> {
      if (value===undefined) {
        return;
      }
      const amount=(value - min) / range;
      const hue=1;
      const saturation=1;
      const lightness=amount;
      ctx.fillStyle=hsl(hue, saturation, lightness);
      ctx.fillRect(lonNdx, latNdx, 1, 1);
    });
  });
}

function px(v) {
  return `${v | 0}px`;
}

function hsl(h, s, l) {
  return `hsl(${h * 360 | 0},${s * 100 | 0}%,${l * 100 | 0}%)`;
}

然后把上面的代码都合并起来

loadFile('resources/data/gpw/gpw_v4_basic_demographic_characteristics_rev10_a000_014mt_2010_cntm_1_deg.asc')
  .then(parseData)
  .then(drawData);

得到了下面的结果

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嗯... 看起来没什么问题

试试3D效果. 从按需渲染出发, 我们让每一个数据都画成一个box

首先先画一个地球, 这是sphere表面的贴图

用这些代码生成地球

{
  const loader=new THREE.TextureLoader();
  const texture=loader.load('resources/images/world.jpg', render);
  const geometry=new THREE.SphereGeometry(1, 64, 32);
  const material=new THREE.MeshBasicMaterial({map: texture});
  scene.add(new THREE.Mesh(geometry, material));
}

看过来, 当材质加载完成后才调用方法. 我们这么做是因为使用了按需渲染中的方法, 而不是连续渲染. 这样我们仅仅需要在材质加载后渲染一遍就好.

然后我们需要对代码做一些改动, 每个数据都画一个点, 而不是每个

然后我们需要修改上面每个数据点画一个点的代码, 改为每个数据点画一个框

function addBoxes(file) {
  const {min, max, data}=file;
  const range=max - min;

  // 新建一个box geometry
  const boxWidth=1;
  const boxHeight=1;
  const boxDepth=1;
  const geometry=new THREE.BoxGeometry(boxWidth, boxHeight, boxDepth);
  // 沿着z轴缩放
  geometry.applyMatrix4(new THREE.Matrix4().makeTranslation(0, 0, 0.5));

  // 位置辅助器可以方便地在球面上定位
  // 经度辅助器可以在XZ平面的法向旋转
  const lonHelper=new THREE.Object3D();
  scene.add(lonHelper);
  // 纬度辅助器可以在XZ平面旋转
  const latHelper=new THREE.Object3D();
  lonHelper.add(latHelper);
  // 组合起来得到的位置辅助器可以在球面上定位
  const positionHelper=new THREE.Object3D();
  positionHelper.position.z=1;
  latHelper.add(positionHelper);

  const lonFudge=Math.PI * .5;
  const latFudge=Math.PI * -0.135;
  data.forEach((row, latNdx)=> {
    row.forEach((value, lonNdx)=> {
      if (value===undefined) {
        return;
      }
      const amount=(value - min) / range;
      const material=new THREE.MeshBasicMaterial();
      const hue=THREE.MathUtils.lerp(0.7, 0.3, amount);
      const saturation=1;
      const lightness=THREE.MathUtils.lerp(0.1, 1.0, amount);
      material.color.setHSL(hue, saturation, lightness);
      const mesh=new THREE.Mesh(geometry, material);
      scene.add(mesh);

      // 调整辅助器使其指向经纬度
      lonHelper.rotation.y=THREE.MathUtils.degToRad(lonNdx + file.xllcorner) + lonFudge;
      latHelper.rotation.x=THREE.MathUtils.degToRad(latNdx + file.yllcorner) + latFudge;

      // 使用world matrix来操作辅助器
      positionHelper.updateWorldMatrix(true, false);
      mesh.applyMatrix4(positionHelper.matrixWorld);

      mesh.scale.set(0.005, 0.005, THREE.MathUtils.lerp(0.01, 0.5, amount));
    });
  });
}

上面的代码直截了当得从2D测试方法中改动过来

我们新建一个长方体, 然后沿着Z轴缩放. 如果我们不这么做, 它就会以中心为参照放大, 使得根部不在球面上. 我们这么做之后, 就可以达到从球面上长出来的效果.

default

adjusted

当然, 我们可以像场景图一章中讲得, 通过添加到一个父对象来解决上面的问题. 但是要考虑到我们体系几何体非常得多, 所以会大大拖累运行的速度.

上面的位置辅助器是由, 逐级组合而来. 这个小东西可以帮助我们计算球面上的经纬度来放置几何体.

上面的绿条条代表, 在赤道上以经度的变化旋转. The 蓝条条代表 , 在赤道上下以纬度的变化旋转. 红球球就是位置辅助器实际指向的位置.

我们倒是可以计算所有的球面位置, 但是需要涉及到很多数学和库的调用, 所以就...可以但没必要.

每一个数据我们都创建了一个和一个, 然后我们从位置辅助器中取得world matrix并应用到新的上. 最后, 我们在它的新位置上缩放.

上面, 我们给每一个新box都创建了一个位置辅助器, 但是这将会使运行速度大大下降.

这最多有360x145=52000个盒子需要被创建. 有些点数据被标为 “NO_DATA” 所以实际的盒子数大概是19000左右. 如果我们每个盒子加上三个辅助器, 全局就大概80000个节点. 使用一组辅助器来调整mesh的位置我们可以节约60000个节点的计算.

注意是π/2也就是四分之一圈, 也就是说在在一周上是以不同的偏移开始. 也能说得通. 但是我不知道为什么要乘以个 π * -0.135, 似乎就是一个能让盒子和材质对齐的数.

最后一步是调用loader

loadFile('resources/data/gpw/gpw_v4_basic_demographic_characteristics_rev10_a000_014mt_2010_cntm_1_deg.asc')
  .then(parseData)
-  .then(drawData)
+  .then(addBoxes)
+  .then(render);

当数据载入和解析完成, 我们再进行渲染

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拖拽一下这个球你就会发现很卡

我们在开启调试工具中提到过怎么打开帧率监视器

在我机器上大概是20帧每秒

这不太行, 我寻思很多人机器上会更慢. 我们得想办法优化它一下子.

此时此景, 我们可以通过合并所有的盒子到一个geometry来实现, 一下子就可以省下18999个操作

function addBoxes(file) {
  const {min, max, data}=file;
  const range=max - min;

-  // 新建一个几何体
-  const boxWidth=1;
-  const boxHeight=1;
-  const boxDepth=1;
-  const geometry=new THREE.BoxGeometry(boxWidth, boxHeight, boxDepth);
-  // 沿着Z轴缩放
-  geometry.applyMatrix4(new THREE.Matrix4().makeTranslation(0, 0, 0.5));

  // 位置辅助器可以方便地在球面上定位
  // 经度辅助器可以在XZ平面的法向旋转
  const lonHelper=new THREE.Object3D();
  scene.add(lonHelper);
  // 纬度辅助器可以在XZ平面旋转
  const latHelper=new THREE.Object3D();
  lonHelper.add(latHelper);
  // 组合起来得到的位置辅助器可以在球面上定位
  const positionHelper=new THREE.Object3D();
  positionHelper.position.z=1;
  latHelper.add(positionHelper);
+  // 用来定位盒子的中心, 以便接下来沿着Z轴缩放
+  const originHelper=new THREE.Object3D();
+  originHelper.position.z=0.5;
+  positionHelper.add(originHelper);

  const lonFudge=Math.PI * .5;
  const latFudge=Math.PI * -0.135;
+  const geometries=[];
  data.forEach((row, latNdx)=> {
    row.forEach((value, lonNdx)=> {
      if (value===undefined) {
        return;
      }
      const amount=(value - min) / range;

-      const material=new THREE.MeshBasicMaterial();
-      const hue=THREE.MathUtils.lerp(0.7, 0.3, amount);
-      const saturation=1;
-      const lightness=THREE.MathUtils.lerp(0.1, 1.0, amount);
-      material.color.setHSL(hue, saturation, lightness);
-      const mesh=new THREE.Mesh(geometry, material);
-      scene.add(mesh);

+      const boxWidth=1;
+      const boxHeight=1;
+      const boxDepth=1;
+      const geometry=new THREE.BoxGeometry(boxWidth, boxHeight, boxDepth);

      // 调整位置辅助器的指向
      lonHelper.rotation.y=THREE.MathUtils.degToRad(lonNdx + file.xllcorner) + lonFudge;
      latHelper.rotation.x=THREE.MathUtils.degToRad(latNdx + file.yllcorner) + latFudge;

      // 使用world matrix来操作辅助器
      positionHelper.updateWorldMatrix(true, false);
      mesh.applyMatrix4(positionHelper.matrixWorld);
      mesh.scale.set(0.005, 0.005, THREE.MathUtils.lerp(0.01, 0.5, amount));

+      // 使用位置辅助器和world matrix 来定位
+      positionHelper.scale.set(0.005, 0.005, THREE.MathUtils.lerp(0.01, 0.5, amount));
+      originHelper.updateWorldMatrix(true, false);
+      geometry.applyMatrix4(originHelper.matrixWorld);
+
+      geometries.push(geometry);
    });
  });

+  const mergedGeometry=BufferGeometryUtils.mergeGeometries(
+      geometries, false);
+  const material=new THREE.MeshBasicMaterial({color:'red'});
+  const mesh=new THREE.Mesh(mergedGeometry, material);
+  scene.add(mesh);

}

我们移除了之前用来改变盒子几何中心的代码, 取而代之的是. 这次我们要为每个长方体创建新的几何体, 因为我们要使用“applyMatrix”来移动每个长方体几何体的顶点, 所以我们最好只移动一次, 而不是两次.

最后, 我们将所有几何体的数组传入, 这个方法将会将其合并到一个mesh中

别忘了引入

import * as BufferGeometryUtils from 'three/addons/utils/BufferGeometryUtils.js';

现在, 至少在我的机器上, 可以跑到60帧每秒了

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虽然可以了, 但是我们这是一整个mesh, 所以我们只能应用一个材质, 意味着我们只能有一种颜色的盒子. 我们之前可是能有不同颜色的盒子. 我们可以通过使用顶点着色法来解决.

顶点着色向每个顶点添加一种颜色. 通过设定每个盒子的每个顶点的所有颜色来指定每个盒子的颜色.

+const color=new THREE.Color();

const lonFudge=Math.PI * .5;
const latFudge=Math.PI * -0.135;
const geometries=[];
data.forEach((row, latNdx)=> {
  row.forEach((value, lonNdx)=> {
    if (value===undefined) {
      return;
    }
    const amount=(value - min) / range;

    const boxWidth=1;
    const boxHeight=1;
    const boxDepth=1;
    const geometry=new THREE.BoxGeometry(boxWidth, boxHeight, boxDepth);

    lonHelper.rotation.y=THREE.MathUtils.degToRad(lonNdx + file.xllcorner) + lonFudge;
    latHelper.rotation.x=THREE.MathUtils.degToRad(latNdx + file.yllcorner) + latFudge;

    positionHelper.scale.set(0.005, 0.005, THREE.MathUtils.lerp(0.01, 0.5, amount));
    originHelper.updateWorldMatrix(true, false);
    geometry.applyMatrix4(originHelper.matrixWorld);

+    // 计算颜色
+    const hue=THREE.MathUtils.lerp(0.7, 0.3, amount);
+    const saturation=1;
+    const lightness=THREE.MathUtils.lerp(0.4, 1.0, amount);
+    color.setHSL(hue, saturation, lightness);
+    // 以0到255之间的值数组形式获取颜色
+    const rgb=color.toArray().map(v=> v * 255);
+
+    // 创建一个数组来存储每个顶点的颜色
+    const numVerts=geometry.getAttribute('position').count;
+    const itemSize=3;  // r, g, b
+    const colors=new Uint8Array(itemSize * numVerts);
+
+    // 将颜色复制到每个顶点的颜色数组中
+    colors.forEach((v, ndx)=> {
+      colors[ndx]=rgb[ndx % 3];
+    });
+
+    const normalized=true;
+    const colorAttrib=new THREE.BufferAttribute(colors, itemSize, normalized);
+    geometry.setAttribute('color', colorAttrib);

    geometries.push(geometry);
  });
});

上面的代码中, 我们查找几何体中的属性来获取所需的数量和顶点. 然后创建一个来输入颜色. 接下来通过调用来将其设定为一个属性.

最后告诉three.js使用顶点上色.

const mergedGeometry=BufferGeometryUtils.mergeGeometries(
    geometries, false);
-const material=new THREE.MeshBasicMaterial({color:'red'});
+const material=new THREE.MeshBasicMaterial({
+  vertexColors: true,
+});
const mesh=new THREE.Mesh(mergedGeometry, material);
scene.add(mesh);

我们的彩色世界回来啦!

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合并几何体是一个常见的优化手段. 比如, 可以将一百多棵树合并成一个几何体, 一堆石头合并成一块石头, 零零碎碎的栅栏合并成一个栅栏的mesh. 另一个例子是Minecraft并不是一个一个方块去绘制, 而是创建一组合并了的方块, 当然之前选择性地移除那些看不见的.

这么做带来的问题是, 合并起来简单, 分离难. 接下来我们再引入一种优化方案优化大量动画对象.