【Three.js】渲染模型卡顿的优化办法

事先说明

优化方法是根据chatGPT的回答下，我这里记录一下，有的方法进行了尝试，有的还没有。

1、模型面数过多导致渲染卡顿

可以通过减少面数来优化，也可以使用LOD技术（Level of Detail）在不同距离下使用不同的模型细节来优化。

使用LOD技术可以在不同距离下使用不同的模型细节来优化three.js渲染性能，下面是具体步骤：

1. 创建多个模型，每个模型的面数和细节不同，这些模型应该是同一个对象的不同版本。

2. 将这些模型按照从低到高的细节顺序添加到同一个LOD（Level of Detail）对象中，如下所示：

const lod = new THREE.LOD();
const lowDetailModel = ... // 低细节模型
const midDetailModel = ... // 中细节模型
const highDetailModel = ... // 高细节模型
lod.addLevel(lowDetailModel, 0); // 添加低细节模型，距离为0
lod.addLevel(midDetailModel, 100); // 添加中细节模型，距离为100
lod.addLevel(highDetailModel, 200); // 添加高细节模型，距离为200

3. 将LOD对象添加到场景中。

scene.add(lod);

4. 在渲染循环中，根据相机与LOD对象的距离，自动选择当前需要显示的模型细节等级。可以使用THREE.LOD对象的update方法来实现。

function render() {
  requestAnimationFrame(render);
  lod.update(camera);
  renderer.render(scene, camera);
}

2、材质贴图过大导致渲染卡顿

可以通过减小贴图尺寸，压缩贴图格式，使用纹理集（Texture Atlas）等方式来优化。

使用纹理集（Texture Atlas）可以将多张小纹理图合并成一张大纹理图，从而减少渲染时的纹理切换次数，优化three.js渲染性能，下面是具体步骤：

1. 创建一张大纹理图，并将多张小纹理图拼接在一起，这些小纹理图应该是同一对象的不同部分，如下所示：

const texture = new THREE.TextureLoader().load('atlas.png');
const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ map: texture });

2. 将每个物体的UV坐标映射到对应的小纹理图区域，需要根据小纹理图在大纹理图中的位置和大小计算出UV坐标，如下所示：

const geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 1, 1);
const uvAttribute = geometry.attributes.uv;
for (let i = 0; i < uvAttribute.count; i++) {
  const u = uvAttribute.getX(i);
  const v = uvAttribute.getY(i);
  // 根据小纹理图在大纹理图中的位置和大小计算出UV坐标
  uvAttribute.setXY(i, u * smallTextureWidth / bigTextureWidth + smallTextureX / bigTextureWidth, v * smallTextureHeight / bigTextureHeight + smallTextureY / bigTextureHeight);
}

3. 在渲染循环中，更新大纹理图的偏移和缩放值。

function render() {
  requestAnimationFrame(render);
  const time = Date.now() * 0.001;
  texture.offset.x = time * 0.1; // x方向偏移量
  texture.offset.y = time * 0.2; // y方向偏移量
  texture.repeat.set(2, 2); // 横向和纵向缩放值
  renderer.render(scene, camera);
}

3、着色器复杂度过高导致渲染卡顿

可以通过简化着色器，使用预编译的着色器，使用Instancing等方式来优化。

使用Instancing（实例化）可以将多个相同的物体复用同一个几何体和材质，并在渲染时进行一次性绘制，从而减少渲染调用次数，优化three.js渲染性能，下面是具体步骤：

1. 创建一个几何体和材质，将它们分别作为多个物体的原型。

const geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 1, 1);
const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xff0000 });

2. 创建一个InstancedBufferGeometry对象，并将原型几何体的属性复制到它的属性中。

const instances = 10000; // 实例数量
const instancedGeometry = new THREE.InstancedBufferGeometry();
instancedGeometry.copy(geometry); // 复制几何体属性
const translations = new Float32Array(instances * 3); // 实例位置数组
for (let i = 0; i < instances; i++) {
  translations[i * 3] = Math.random() * 100 - 50;
  translations[i * 3 + 1] = Math.random() * 100 - 50;
  translations[i * 3 + 2] = Math.random() * 100 - 50;
}
instancedGeometry.setAttribute('translation', new THREE.InstancedBufferAttribute(translations, 3));

3. 创建一个InstancedMesh对象，并将原型材质和实例化几何体作为它的参数。

const instancedMesh = new THREE.InstancedMesh(instancedGeometry, material, instances);
scene.add(instancedMesh);

4. 在渲染循环中，更新实例化几何体的属性，即实例的位置、旋转和缩放等信息。

function render() {
  requestAnimationFrame(render);
  const time = Date.now() * 0.001;
  for (let i = 0; i < instances; i++) {
    const translation = instancedMesh.geometry.attributes.translation;
    translation.setXYZ(i, Math.sin(time + i * 0.5) * 5, Math.cos(time + i * 0.3) * 5, i * 0.1);
  }
  instancedMesh.geometry.attributes.translation.needsUpdate = true; // 更新实例位置属性
  renderer.render(scene, camera);
}

4、不合理的渲染方式导致渲染卡顿

可以通过使用合适的渲染方式，如WebGL2渲染，使用Web Worker等方式来优化。

Ⅰ、使用WebGL2可以在现代浏览器中利用新的图形处理能力，优化three.js渲染性能，下面是具体步骤：
① 在渲染器中启用WebGL2。

const renderer = new THREE.WebGLRenderer({ canvas: canvas, context: canvas.getContext('webgl2') });

② 使用WebGL2支持的新特性，如transform feedback、instanced arrays等。
例如，以下代码演示了如何使用transform feedback来记录顶点位置的变化：

const transformFeedback = new THREE.WebGL2TransformFeedback();
const bufferGeometry = new THREE.BufferGeometry();
const positions = new Float32Array([0, 0, 0]);
bufferGeometry.setAttribute('position', new THREE.BufferAttribute(positions, 3));
const shader = new THREE.ShaderMaterial({
  vertexShader: `
    out vec3 transformedPosition;
    void main() {
      transformedPosition = position;
      gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
    }
  `,
  fragmentShader: `
    void main() {
      gl_FragColor = vec4(1.0);
    }
  `,
  transformFeedback: {
    // 将顶点位置记录到transformedPosition变量中
    varyings: ['transformedPosition'],
    // 开启transform feedback
    enabled: true,
    // 设置bufferGeometry的位置属性为transform feedback的输出属性
    bufferGeometry: bufferGeometry
  }
});
const mesh = new THREE.Mesh(bufferGeometry, shader);
scene.add(mesh);
function render() {
  requestAnimationFrame(render);
  renderer.setRenderTarget(null);
  // 开始transform feedback
  transformFeedback.begin();
  renderer.render(scene, camera);
  // 结束transform feedback，并将变化后的顶点位置存储到bufferGeometry中
  transformFeedback.end();
  // 更新顶点位置
  positions.set(bufferGeometry.getAttribute('position').array);
  bufferGeometry.setAttribute('position', new THREE.BufferAttribute(positions, 3));
  renderer.render(scene, camera);
}

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Ⅱ、使用Web Worker可以将计算密集型的任务分离到另一个线程中，从而避免主线程被阻塞，优化three.js渲染性能，下面是具体步骤：

① 创建一个Web Worker，用于处理计算密集型的任务。

const worker = new Worker('worker.js');

② 在Web Worker中定义处理函数。

// worker.js
function process(data) {
  // 计算密集型的任务
  return result;
}
onmessage = function(event) {
  const result = process(event.data);
  postMessage(result);
};

③ 在主线程中将任务发送到Web Worker，并设置回调函数处理返回结果。

function render() {
  requestAnimationFrame(render);
  // 发送任务到Web Worker
  worker.postMessage(data);
  worker.onmessage = function(event) {
    const result = event.data;
    // 处理返回结果
  };
  renderer.render(scene, camera);
}

通过以上步骤，就可以使用Web Worker来将计算密集型的任务分离到另一个线程中，从而避免主线程被阻塞，优化three.js渲染性能。需要注意的是，Web Worker中无法直接访问主线程的DOM和three.js对象，需要通过消息传递来实现通信。

5、CPU和GPU资源不平衡导致渲染卡顿

可以通过分析性能监控，优化代码逻辑，使用requestAnimationFrame等方式来平衡CPU和GPU资源占用。

使用requestAnimationFrame可以让浏览器根据自身的渲染节奏调整动画的帧率，从而避免过度渲染，优化three.js渲染性能，下面是具体步骤：

1. 将渲染函数作为requestAnimationFrame的回调函数。

function render() {
  // 渲染代码
  renderer.render(scene, camera);
  // 请求下一帧动画
  requestAnimationFrame(render);
}

2. 在初始化时调用一次requestAnimationFrame，启动动画。

var animationId = requestAnimationFrame(render);

3. 在动画结束时，记得停止requestAnimationFrame，以避免不必要的资源消耗。

function stop() {
  cancelAnimationFrame(animationId);
}

需要注意的是，使用requestAnimationFrame时需要避免在渲染循环中进行过多的计算，以免影响渲染性能。