2021-凹凸嫚-3D性能优化glTF文件压缩

3D性能优化glTF文件压缩

一、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。它由场景结构本身的描述组成，其由定义场景图的节点的层次提供。

场景中出现的3D对象是使用连接到节点的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，并且Skins(蒙皮)定义了对物体的几何形状的方式基于骨架姿势变形。Cameras(相机)描述了渲染器的视图配置。

除此以外，它还包括了带有二进制数据和图像文件的链接，如下图所示。

glTF JSON 文件格式

二、.gltf与.glb

从blender文件导出中可以看出：

  • glTF Binary(.glb)
  • glTF Embedded(.gltf)
  • glTF Separate(.gltf + .bin + textures)

glTF文件有两种拓展形式，.gltf（JSON / ASCII）或.glb（二进制）。.gltf文件可能是自包含的，也可能引用外部二进制和纹理资源，而.glb文件则是完全自包含的（但使用外部工具可以将其缓冲区/纹理保存为嵌入或单独的文件，后面会提到）。

2.1 .glb文件产生原因

glTF提供了两个也可以一起使用的交付选项：

  • 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，由于base64编码，glTF需要单独的请求或额外的空间。Base64编码需要额外的处理来解码并增加文件大小（编码资源增加约33%）。虽然gzip减轻了文件大小的增加，但解压缩和解码仍然会增加大量的加载时间。

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）可以存储在二进制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：

自包含

  • 引用外部二进制和纹理资源的：

外部资源

2.2.2 .gltf文件预览

  • 自包含的：

自包含

  • 引用外部二进制和纹理资源：

引用外部资源

2.2.3 glb文件预览

  • 自包含的：

GLB 自包含

  • 引用外部二进制和纹理资源：

引用二进制与纹理资源

从图中可以看到，当非自包含型的时候，请求glTF文件时，会一同请求图片文件。

三、glTF文件拆分

上文提到，glTF文件可以拆分为.gltf/.glb文件+二进制文件+纹理图片，那么，我们就可以将其拆分出来，并对纹理图片进行单独的压缩，来进行性能的优化。

可以使用gltf pipeLine ，其具有以下功能：

  • 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，我们是要使用“将缓冲区/纹理保存为嵌入或单独的文件”这个功能。让我们来看看拆分出来的文件：

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：

拆分文件

所以，只要将拆分出来的这几个文件，放入同一个路径中，然后像之前那样引入就好了。

  • 压缩方式
gltf-pipeline -i male.glb -o male-processed.glb -s
  • 使用方式（在Three.js中） 普普通通地用就好了，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

性能对比

四、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相关的插件主要有以下：

glTF 2.0 插件

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，并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，但是在客户端设备上需要额外的解码时间。

  • 压缩方式

可以使用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();

// 创建解码器实例
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%。从上面的代码中可以看出，创建解码器实例需要引入额外的库来进行解码，setDecoderPath会自动请求wasm文件来进行解密操作。而这两个wasm文件同时也增加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%。

请求对比

所以，如果一个项目需要加载多个glTF文件，那么可以创建一个DRACOLoader实例并重复使用它。但如果项目只需要加载一个glTF文件，那么使用draco算法是否具有“性价比”就值得考量了。

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，并且偶尔会出现解密堵塞的情况，需要重新进入页面才能恢复功能。

除此以外，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：

模型图片

总而言之，如果要将draco压缩算法运用到大规模项目中，需要结合实际项目进行以下对比：

(1)请求两个文件+解密耗时，与本身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无法接受的损失。

4.1.2 KHR_mesh_quantization

顶点属性通常使用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，也就是我们所说的quantization向量化，该插件主要就是将其向量化。

例如，静态PBR-ready网格通常需要每个顶点POSITION（12字节）、TEXCOORD（8字节）、NORMAL（12字节）和TANGENT（16字节），总共48字节。通过此扩展，可以用于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），每个顶点总共20字节。

  • 压缩方式

可以使用gltfpack工具进行压缩：

$ gltfpack -i male.glb -o male-processed.glb
  • 使用方式（在Three.js中）

普普通通地用就好了，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不少。放到实际项目中，没有画质损失和加载时间过长的问题。

性能对比

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。每个bufferView都是独立压缩的，这允许加载器最大程度地将数据直接解压缩到GPU存储中。

除了优化压缩率之外，压缩格式还具有两个特性——非常快速的解码（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，不是尽可能地减少编码大小，而是以通用压缩器可以进一步压缩它的方式构建比特流。

  • 压缩方式

可以使用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不少。放到实际项目中，没有画质损失和加载时间过长的问题。

性能对比

最近更新于0001-01-01