引言
最近做T级互动，需要使用到3D模型。相信大家和我一样，在开始着手的时候，一定会有这么些问题：
- 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
让我们通过这篇文章，进行细致的探索、调研与沉淀。
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。
二、.gltf 与.glb
从 blender 文件导出中可以看出：
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：
- 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。
那么，我们就可以利用这个特性，就可以实现一些性能优化，让我们往下继续。
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
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
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
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
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：
那么我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，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-pipeline
gltf 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%。
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。
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，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：
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。
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。
五、多个机型设备与优化对比结果
为了避免上文提到的“draco”压缩使得模型受损的情况，找了几台iPhone、安卓的手机来进行了一下性能与兼容的测试，让我们看一下结果。
PS：公司网络在不同时间段内网速不同（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，对于小部分需要使用模型的，并且只需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。
六、其他
其实还有很多性能优化的插件，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 尚未支持，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
七、参考资料
- The Basic Structure of glTF
- GLB File Format Specification
- Extensions for glTF 2.0
- KHR_draco_mesh_compression
- DRACOLoader – three.js docs
- CesiumGS/gltf-pipeline: Content pipeline tools for optimizing glTF assets.
- KHR_mesh_quantization
- 📦 gltfpack | meshoptimizer
- GLTFLoader
- EXT_meshopt_compression
- 【网格压缩测评】MeshQuan、MeshOpt、Draco