Three.js使用InstancedMesh实现性能优化

1. 引言

有这么一种场景：需要渲染一座桥，桥有很多桥柱，桥柱除了位置与倾斜角度不完全相同外，其他均相同，由于桥柱数量很大，使用three.js绘制较为卡顿，如何优化？注意，要求后续能选中某个桥柱

2. 概念

2.1 合并几何体

three.js官方教程里提到，大量对象的优化 - three.js manual (threejs.org)，使用合并几何体

为什么合并几何体能优化绘制大量对象时的性能呢？

这得引出一个概念：绘制调用（draw call）

绘制调用（draw call）是指渲染引擎向GPU发送绘制命令的过程，每个绘制调用都会告诉GPU绘制一个或多个三维物体或几何体

在图形渲染中，绘制调用的数量对性能有很大影响，较少的绘制调用通常意味着更高的性能，因为GPU在处理绘制调用时需要切换上下文和状态，这会导致一定的开销

在three.js中，由于绘制一个几何体需要调用一次draw call，绘制很多几何体就很消耗性能，所以合并多个几何体为一个几何体能减少draw call，从而实现绘制性能优化

合并几何体会有一个突出的问题：无法单独选择其中某个几何体

由于多个几何体合并为一个几何体，所以已经无法选择原来的某个几何体，即无法拾取单个几何体

考虑到后续需要能选中桥柱，这个方案舍弃

2.2 InstancedMesh

three.js官方API文档是这样解释：

实例化网格（InstancedMesh），一种具有实例化渲染支持的特殊版本的Mesh。你可以使用 InstancedMesh 来渲染大量具有相同几何体与材质、但具有不同世界变换的物体。 使用 InstancedMesh 将帮助你减少 draw call 的数量，从而提升你应用程序的整体渲染性能

桥柱除了位置与倾斜角度不完全相同外，其他均相同，符合InstancedMesh的要求，同时InstancedMesh是可以选择单个物体的，可以参考这个官方示例：three.js examples (threejs.org)

关于InstancedMesh，更为详细的解释可参考官方文档：InstancedMesh – three.js docs (threejs.org)

综上，笔者选用InstancedMesh来进行桥柱渲染优化，本文记述在three.js中使用InstancedMesh来实现绘制大量几何体的性能优化

3. 初始情况

初始情况下使用多个几何体来加载桥柱，其实就是多个圆柱体，数量为10980

示例代码如下：

结果如下：

在笔者的电脑上只有20FPS，拾取功能（选择单个柱子）正常

4. InstanceMesh优化

InstanceMesh在概念上可以理解为这是一组几何体，只需根据instance id即可在这一组InstanceMesh上找到这个几何体，所以InstanceMesh的使用方法主要就是根据InstanceMesh和instance id来确定选择的是那个几何体，从而进行位置变换、设置颜色等

更为详细的InstanceMesh使用方法可参考官方文档和示例：

• InstancedMesh – three.js docs (threejs.org)
• three.js examples (threejs.org)

笔者将上述代码修改为使用InstanceMesh的代码，主体代码如下：

	import * as THREE from 'three';
	import { OrbitControls } from 'three/addons/controls/OrbitControls.js';
	import Stats from 'three/addons/libs/stats.module.js'
	const scene = new THREE.Scene();
	const raycaster = new THREE.Raycaster();
	const mouse = new THREE.Vector2(1, 1);
	let mesh;
	const color = new THREE.Color();
	const white = new THREE.Color().setHex(0xffffff);
	// 创建性能监视器
	let stats = new Stats();
	// 将监视器添加到页面中
	document.body.appendChild(stats.domElement)
	const canvas = document.querySelector('#canvas');
	const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, canvas.clientWidth / canvas.clientHeight, 0.1, 100000);
	camera.position.z = 5;
	camera.position.y = 60;
	camera.position.x = -1500;
	const renderer = new THREE.WebGLRenderer({
	canvas: document.querySelector('#canvas'),
	antialias: true
	});
	renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight, false)
	const controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement);
	function animate() {
	// 更新帧数
	stats.update()
	if (mesh) {
	raycaster.setFromCamera(mouse, camera);
	const intersection = raycaster.intersectObject(mesh);
	if (intersection.length > 0) {
	const instanceId = intersection[0].instanceId;
	console.log(instanceId)
	mesh.setColorAt(instanceId, new THREE.Color(0xff0000));
	mesh.instanceColor.needsUpdate = true;
	}
	}
	requestAnimationFrame(animate);
	renderer.render(scene, camera);
	}
	animate();
	let count = 0
	let matrixList = []
	fetch("./数据.json").then(res => res.json()).then(res => {
	const name = Object.keys(res)
	for (let index = 0; index < 60; index++) {
	name.filter(item => item.includes("直立桩基")).forEach(item => {
	res[item].forEach(element => {
	count++
	matrixList.push(new THREE.Matrix4().makeTranslation(element.x / 1000 * Math.random(), (element.z + element.height) / 1000, element.y / 1000))
	});
	})
	}
	console.log(count)
	const element = {
	diameter: 1200,
	depth: 72000
	}
	const geometry = new THREE.CylinderGeometry(element.diameter / 2000, element.diameter / 2000, element.depth / 1000, 32);
	const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xffffff });
	mesh = new THREE.InstancedMesh(geometry, material, count);
	for (let i = 0; i < count; i++) {
	mesh.setColorAt(i, color);
	mesh.setMatrixAt(i, matrixList[i]);
	}
	scene.add(mesh);
	})
	function onMouseMove(event) {
	event.preventDefault();
	mouse.x = (event.clientX / window.innerWidth) * 2 - 1;
	mouse.y = - (event.clientY / window.innerHeight) * 2 + 1;
	}
	document.addEventListener('mousemove', onMouseMove);

在笔者的电脑上有60FPS，拾取功能（选择单个柱子）正常