说明
【跟月影学可视化】学习笔记。
可视化渲染的性能问题有哪些？
- 渲染效率问题：指的是图形系统在绘图部分所花费的时间
- 计算问题：指绘图之外的其他处理所花费的时间，包括图形数据的计算、正常的程序逻辑处理等等。
在浏览器上渲染动画，每一秒钟最高达到 60 帧左右。1 秒钟内完成 60 次图像的绘制，那么完成一次图像绘制的时间就是 1000/60（1 秒 =1000 毫秒），约等于 16 毫秒。
60fps（即 60 帧每秒，fps 全称是 frame per second，是帧率单位）。
达到比较流畅的动画效果的最低帧率是 24fps，相当于图形系统要在大约 42 毫秒内完成一帧图像的绘制。
影响 Canvas 渲染性能的 2 大要素
影响 Canvas 渲染性能的 2 大要素：
- 绘制图形的数量
- 绘制图形的大小
测试例子：
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8" />
<meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge" />
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" />
<title>canvas性能测试</title>
<style>
canvas {
border: 1px dashed #fa8072;
}
</style>
</head>
<body>
<canvas width="500" height="500"></canvas>
<script>
const canvas = document.querySelector("canvas");
const ctx = canvas.getContext("2d");
const WIDTH = canvas.width;
const HEIGHT = canvas.height;
const COUNT = 500;
const RADIUS = 10;
function randomColor() {
return `hsl(${Math.random() * 360}, 100%, 50%)`;
}
function drawCircle(context, radius) {
const x = Math.random() * WIDTH;
const y = Math.random() * HEIGHT;
const fillColor = randomColor();
context.fillStyle = fillColor;
context.beginPath();
context.arc(x, y, radius, 0, Math.PI * 2);
context.fill();
}
function draw(context, count = 500, radius = 10) {
for (let i = 0; i < count; i++) {
drawCircle(context, radius);
}
}
requestAnimationFrame(function update() {
ctx.clearRect(0, 0, WIDTH, HEIGHT);
draw(ctx, COUNT, RADIUS);
requestAnimationFrame(update);
});
</script>
</body>
</html>
在 Canvas 上每一帧绘制 500 个半径为 10 的小圆：
在 Canvas 上每一帧绘制 10000 个半径为 10 的小圆：
在 Canvas 上每一帧绘制 10000 个半径为 100 的小圆：
我们可以看到随着数量的增大，半径的增大 fps 已经降到 24 以下了（还跟个人电脑的 GPU 和显卡有关）。
影响 SVG 性能的 2 大要素
影响 SVG 渲染性能的 2 大要素：
- 绘制图形的数量
- 绘制图形的大小
测试例子：
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8" />
<meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge" />
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" />
<title>svg性能测试</title>
<style>
svg {
border: 1px dashed #fa8072;
}
</style>
</head>
<body>
<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="500" height="500"></svg>
<script>
const root = document.querySelector("svg");
const WIDTH = 500;
const HEIGHT = 500;
const COUNT = 500;
const RADIUS = 10;
function randomColor() {
return `hsl(${Math.random() * 360}, 100%, 50%)`;
}
function initCircles(count = COUNT) {
for (let i = 0; i < count; i++) {
const circle = document.createElementNS(
"http://www.w3.org/2000/svg",
"circle"
);
root.appendChild(circle);
}
return [...root.querySelectorAll("circle")];
}
const circles = initCircles();
function drawCircle(circle, radius = 10) {
const x = Math.random() * WIDTH;
const y = Math.random() * HEIGHT;
const fillColor = randomColor();
circle.setAttribute("cx", x);
circle.setAttribute("cy", y);
circle.setAttribute("r", radius);
circle.setAttribute("fill", fillColor);
}
function draw() {
for (let i = 0; i < COUNT; i++) {
drawCircle(circles[i], RADIUS);
}
requestAnimationFrame(draw);
}
draw();
</script>
</body>
</html>
在 SVG 上每一帧绘制 500 个半径为 10 的小圆：
在 SVG 上每一帧绘制 10000 个半径为 10 的小圆：跟 canvas 对比的 SVG 的帧率就要略差一些。
在 SVG 上每一帧绘制 10000 个半径为 100 的小圆：跟 canvas 对比二者差距很大，因为 SVG 是浏览器 DOM 来渲染的，元素个数越多，消耗就越大。
SVG 与 Canvas 不同的是，图形数量增多的时候，SVG 的帧率下降会更明显，因此，一般来说，在图形数量小于 1000 时，我们可以考虑使用 SVG，当图形数量大于 1000 但不超过 3000 时，我们考虑使用 Canvas2D，当图形数量超过 3000 时，用 Canvas2D 也很难达到比较理想的帧率了，这时候，我们就要使用 WebGL 渲染。
影响 WebGL 性能的要素
WebGL 的性能主要有三点决定因素：
- 渲染次数
- 着色器执行的次数：图形增大，片元着色器要执行的次数就会增多，就会增加 GPU 运算的开销。
- 着色器运算的复杂度
另外，元素越多，本身渲染耗费的内存也越多，占用内存太多，渲染效率也会下降。
WebGL 有支持的批量绘制的技术，叫做 InstancedDrawing（实例化渲染），在 OGL 库中，只需要给几何体数据传递带有 instanced 属性的顶点数据，就可以自动使用 instanced drawing 技术来批量绘制图形。
下面例子会用到：
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8" />
<meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge" />
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" />
<title>webgl性能测试</title>
<style>
canvas {
border: 1px dashed #fa8072;
}
</style>
</head>
<body>
<canvas width="500" height="500"></canvas>
<script type="module">
import {
Renderer,
Program,
Geometry,
Transform,
Mesh,
} from "./common/lib/ogl/index.mjs";
const canvas = document.querySelector("canvas");
const renderer = new Renderer({
canvas,
antialias: true,
width: 500,
height: 500,
});
const gl = renderer.gl;
gl.clearColor(1, 1, 1, 1);
// 用来生成指定数量的小球的定点数据
function circleGeometry(
gl,
radius = 0.002,
count = 30000,
segments = 20
) {
const tau = Math.PI * 2;
const position = new Float32Array(segments * 2 + 2);
const index = new Uint16Array(segments * 3);
const id = new Uint16Array(count);
for (let i = 0; i < segments; i++) {
const alpha = (i / segments) * tau;
position.set(
[radius * Math.cos(alpha), radius * Math.sin(alpha)],
i * 2 + 2
);
}
for (let i = 0; i < segments; i++) {
if (i === segments - 1) {
index.set([0, i + 1, 1], i * 3);
} else {
index.set([0, i + 1, i + 2], i * 3);
}
}
for (let i = 0; i < count; i++) {
id.set([i], i);
}
return new Geometry(gl, {
position: {
data: position,
size: 2,
},
index: {
data: index,
},
id: {
instanced: 1, // 通过 instanced:1 的方式告诉 WebGL 这是一个批量绘制的数据
size: 1,
data: id,
},
});
}
const geometry = circleGeometry(gl);
// 实现顶点着色器，并且在顶点着色器代码中实现随机位置和随机颜色。
const vertex = `
precision highp float;
attribute vec2 position;
attribute float id;
uniform float uTime;
highp float random(vec2 co) {
highp float a = 12.9898;
highp float b = 78.233;
highp float c = 43758.5453;
highp float dt= dot(co.xy ,vec2(a,b));
highp float sn= mod(dt,3.14);
return fract(sin(sn) * c);
}
// Function from Iñigo Quiles
// https://www.shadertoy.com/view/MsS3Wc
vec3 hsb2rgb(vec3 c){
vec3 rgb = clamp(abs(mod(c.x*6.0+vec3(0.0,4.0,2.0), 6.0)-3.0)-1.0, 0.0, 1.0);
rgb = rgb * rgb * (3.0 - 2.0 * rgb);
return c.z * mix(vec3(1.0), rgb, c.y);
}
varying vec3 vColor;
void main() {
vec2 offset = vec2(
1.0 - 2.0 * random(vec2(id + uTime, 100000.0)),
1.0 - 2.0 * random(vec2(id + uTime, 200000.0))
);
vec3 color = vec3(
random(vec2(id + uTime, 300000.0)),
1.0,
1.0
);
vColor = hsb2rgb(color);
gl_Position = vec4(position * 20.0 + offset, 0, 1);
}
`;
const fragment = `
precision highp float;
varying vec3 vColor;
void main() {
gl_FragColor = vec4(vColor, 1);
}
`;
const program = new Program(gl, {
vertex,
fragment,
uniforms: {
uTime: { value: 0 },
},
});
const scene = new Transform();
const mesh = new Mesh(gl, { geometry, program });
mesh.setParent(scene);
function update(t) {
program.uniforms.uTime.value = t / 1000;
renderer.render({ scene });
requestAnimationFrame(update);
}
update(0);
</script>
</body>
</html>
WebGL，绘制 30000 个小球：WebGL 渲染之所以能达到这么高的性能，是因为 WebGL 利用 GPU 并行执行的特性，无论批量绘制多少个小球，都能够同时完成计算并渲染出来。
