WebGL文字渲染的那些问题

2021-07-02 15:41:59

　　THREE.js开发的应用运行在iphone5下发现有些时候会崩溃，跟了几天发现是因为Sprite太多频繁更新纹理占用显存导致的。通常解决纹理频繁更新问题就要用到one draw all方法，放到纹理上就是把所有纹理图片生成一张大图片的方式

一、阻止纹理重复上传

　　我们需要一张大纹理，先将所有的内容绘制在大纹理上，需要显示局部纹理的时候通过纹理坐标控制去大纹理上取图像。那么这个时候问题来了，THREE.js内部实现方式是将Texture与图片、纹理坐标绑定，即使为所有的Texture对象设置同一张图片，THREE.js仍然会将每个Texture中的图片上传给GPU。每次上传一张大纹理严重阻塞UI渲染进程。

　　首先要解决的是让这张大纹理值上传一次。

　　这个问题需要我们对THREE.js源码进行深入了解，可以看到setTexture2D函数中有一个properties变量，这个变量是一个WebGLProperties类型的变量，而该类型存储各种东西：Texture、Material、RenderTarget、Object的buffers等。我们继续深入该类的源码，发现get方法会根据对象的uuid来获取相关WebGL属性，比如gl.createTexture、gl.createBuffer创建的各种缓冲区。

　　对应Texture得到的webgl属性如下，其中__webglTexture就是对应的纹理图片创建的缓冲区对象。

那么我们可以来一个取巧的方法，将所有纹理的的uuid都设置唯一，那么THREE.js只会对第一个Texture的纹理进行上传，后面的texture对象取到的都是第一个的properties，这样就能避免纹理重复上传。

二、建立纹理索引

　　我们需要自己维护一套索引关系，通过这套索引关系得到每个贴图在大纹理中纹理坐标。这里要为每一个poi记录它的起始位置和区域范围，其中要用到canvasContext.measureText来测量文本的宽度，文本高度可以直接根据fontSize取得。

　　同时索引建立完毕后，需要计算每个poi区域在全局纹理中的纹理坐标范围：

　　要注意的是，这里纹理坐标的原点在左下方，有时候原点在左上方。建立索引代码如下

三、局部更新

　　上述方案虽然能够避免频繁上传纹理，但是需要每次将需要绘制的内容准备好，当有内容需要更新时，还是需要重新上传整个全局纹理，反而使得性能下降巨大。经过查阅资料后发现webgl中有一种局部纹理更新技术，简单来说先在内存中开辟一块的纹理区域，将所有内容绘制在这张全局纹理中，每次有更新时，只需要更新它的一个局部区域即可。
　　但是这里要解决的问题是THREE.js并没有提供局部纹理更新的方式，也没有相应的自定义接口，那么这时候就需要我们自己来处理了。
　　这里自定义一个Texture的子类

　　开辟一块内存区域

　　在需要的时候动态更新局部纹理，其中src这里是ImageData对象　

　　具体代码可以参考这里，我这里也是基于它来定制的。
　　https://github.com/spite/THREE.UpdatableTexture
　　原文作者通过更改THREE.js源码的方式实现，而我是直接把下面这个函数拷贝到这个子类中

四、高清屏的大坑

　　现在我们的方案是，先在gpu中开辟一块全局纹理区域，然后绘制时将poi绘制到一张与全局纹理同样大小的canvas上，然后从canvas中调用createImageData来获取像素，将像素局部更新到gpu中。那么在pc上我们得到的结果很完美。

然而放到移动端上后，我们得到的结果是：

　　TMMD中间那块哪去了！找了大半天发现问题出现在高清屏上，挡在高清屏上绘制canvas上时，我们通常会做一些高清处理，比如四像素绘制一像素。
　　我们做高清处理的方式是利用radio*radio设备像素绘制一css像素，看起来是css像素的大小，但实际在浏览器内部，看起来css上一像素实际在canvas里的像素是radio * radio（radio代表window.devicePixelRatio）

　　但实际上在浏览器内部绘制canvas图像的单位是设备像素。那么如果我们还以上面的rectW、rectH来获取像素的话，我们得到的这部分像素并不是这个poi真正占有的像素数目。

　　所以，问题就来了我们需要在gpu开辟的全局纹理的单位跟canvas中获取像素的单位要保持一致，我们统一使用设备像素。

　　我们对canvas也不用使用style来设置样式宽高了。

　　那么获取poi图像的真正像素范围时：

　　所以利用getImageData取像素时候，就要小心取到真正的像素区域，（startX * radio，startY * radio）- （poiRectW * radio, poiRectH * radio）;否则某些像素就会被丢弃掉，这部分像素才是浏览器真正使用的设备像素。

　　现在在移动设备上能够获取正确的高清label啦！

五、局部更新引起的新问题

　　当全局纹理被占满时候，在继续绘制poi，这时候新的poi区域需要更新到gpu中，那么也就带来了新的问题，在gpu中的纹理还保持着之前的像素，而新的poi会覆盖这部分区域，但有时候往往会与之前的文字叠加起来，效果如下：

　　可以看到新更新的poi，在计算纹理坐标时候，有一部分像素包含了其他poi的像素。这个问题是因为新poi的区域刚好叠在了先前poi的边界上，那么我们只要给新的poi加一点buffer，这个buffer是白素透明区域，buffer会把之前的poi像素覆盖掉，而我们计算纹理坐标时，只取poi的边界，那么就可以解决这个问题。

　　那么首先绘制的时候就要保留buffer

　　上传的时候使用buffer

　　计算纹理坐标时，排除buffer

六、局部更新带来的性能问题

　　根据目前的结果，局部更新能后解决crash的问题，但是带来了严重的性能开销，与同事应用局部更新提升性能的结果相反。这个问题还要继续跟踪。
　　目前发现问题是因为使用了getImageData来获取数据，然后传递到gpu中，非ios设备用这种方式有时候getImageData的开销特别大，而ios设备相对好一些。
　　测试发现非ios设备直接上传一张大纹理的效果反而比getImageData这种方式更好。但是依然不如之前上传多个canvas的性能。而在iphone5的测试机和iphone6的机器上性能比之前直接上传多个canvas的方式好一些，且没有崩溃问题。但是在岳阳的iphone6 plus 16g内存的手机上发现用具局部纹理更新性能很差，而且经常崩溃。
　　后来发现原因是因为，虽然getImageData在IOS上性能好过非IOS设备，但性能开销仍然比较大，所以当场景中POI很多时，仍然会引起主线程卡顿，甚至计算太密集引起浏览器崩溃。其中层尝试使用cesium方式，每个poi创建新的canvas，将canvas进行局部上传，本以为这种方式不需要getImageData会更快一些，然而实践发现每次创建canvas设置参数的过程更耗时。

　　最终的方案是仍然使用getImageData，但是将getImageData的过程分块处理，每50ms处理一次，分块放到场景中，这样就解决密集计算引起的崩溃问题，虽然增加了控制成本，但是能够有效解决IOS崩溃问题。有趣的是在安卓上getImageData方式开销很大，即使分块也不适合，而且安卓用一张大纹理的方式来处理，会发现很多POI绘制效果不好。

　　最终方案是，IOS使用getImageData局部纹理+分块加载方式绘制POI。安卓使用POI独立创建canvas+全量加载方式。（安卓不适用分块加载，是为了尽快把所有POI呈现给用户）

七、文字黑色描边问题

　　这个问题自始至终困扰我好久一直没找到黑边的原因；

　　将原始的canvas导出后发现这是因为原始的canvas就有一层边界

　　曾经怀疑是minFilter的设置不对在pc端纹理使用NEARESTFilter方式取值发现的确能够消除黑边，然而移动端仍然会出现黑边，最后使用颜色混合公式解决问题。

　　gl.blendFunc(gl.ONE, gl.ONE_MINUS_SRC_ALPHA);
　　在Three.js中需要设置SpriteMaterial的blending为CustomBlending

八、颜色混合新问题

　　但是使用上述方式同样引来新问题，设计反映poi的icon四周被裁切掉，

　　看着没问题是吧，设计同学截了图之后放大了20倍。。。。。

　　刚开始我确实以为这是webgl渲染问题，后来仔细考虑了下这外圈白色的由来（遇到问题还是得静下心分析）。

　　原因是设置了blendFunc（SrcAlphaFactor，OneMinusSrcAlphaFactor）导致有些icon周围的像素alpha比较低

　　颜色混合后增加了target的颜色分量，导致最终这些区域的颜色范围接近255，所以泛白。从而把原来图片四周有切边的问题充分暴露出

　　解决方法是设置alphaTest，如果原始纹理的alpha小于这个值则直接discard。最终得到的效果是：

九、TextureAlta问题

　　前面因为sprite的旋转中心只能放在sprite纹理区域的中心所以，上面做了很多冗余纹理，有很多空白区域，目前改造了Sprite加了pivot可以动态改变选中中心点，改变后IOS下纹理的使用率提升了60%，安卓下因为是单个纹理上传所以，需要保证纹理的大小是2的n次方，纹理的浪费率降低了50%

　　上述问题虽然解决了崩溃问题，但是实际使用中每个poi都要getImageData和texSubImage2D这个方法，造成单个poi耗时基本在25ms（iphone5 8.4.4）;虽然上面使用setTimeout 50ms分块方式上传，但是如果poi过多比如1000多的停车场，这样会导致停车场数据需要50s才能完全显示出来。这次优化的方案是等待所有poi图片拿到后，绘制所有的poi把画布调用一次getImageData和一次texSubImage2D上传到gpu，同时下次更新时，只会增量一次性上传更新。

十、Frstrum增量更新

　　原来是在每一级别缩放时把所有的poi都生成好，现在的做法是只生成视锥体中能看得到的poi，然后在每次OrbitControl出发change事件时根据视锥体判断poi，做去重后增量更新

　　目前还是有些问题，有时候会碰到视锥体中的poi很少，可能是判断问题，后续会加入空间索引，根据索引和视锥体结合起来做增量更新

　　后续使用发现在停车场这种大数据的poi全部加载到地图下，使用这种方式每次都要做去重处理，性能开销很大，处理方式是使用{}做hash代替数组includes方法，结果发现性能提示很大，原来3600个节点每次去重处理在iphone 16g 10.3.3上性能基本在28帧每秒，经过优化后数据帧率达到50+（主流iPhone7fps60）；iphone5 16g 8.4.1 性能在24左右优化后帧率在44+，安卓华为荣耀9优化前25帧，优化后 40+

安卓之所以不适用IOS的绘制方式，是因为这种在安卓上的绘制效果不理想，被设计挑战

　　安卓后面也做了一些优化，之前安卓是每次都会重新创建canvas并上传至gpu纹理中，导致使用视景体增量更新poi时，性能有所下降，后来每一层中的poi都根据icon、文字组成key缓存起来，并且缓存纹理，不但阻止canvas的重复创建，还阻止canvas重复上传至gpu纹理（three中使用同一uuid），使用该方案荣耀9的fps达到50+