three.js使用Instanced Draw+Frustum Cull+LOD来渲染大场景（开源）

大家好，本文使用three.js实现了渲染大场景，在移动端也有较好的性能，并给出了代码，分析了关键点，感谢大家~

关键词：three.js、Instanced Draw、大场景、LOD、Frustum Cull、优化、Web3D、WebGL、开源

代码：Github

我正在承接Web3D数字孪生项目，具体介绍可看承接各种Web3D业务

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需求描述
Instanced Draw
Frustum Cull
LOD
参考资料

需求描述

数字孪生项目通常需要渲染超大场景，比如智慧城市就需要渲染一片城市区域，甚至整个城市

渲染大场景所需要的技术点包括：

Instanced Draw

一个Draw Call批量渲染物体，物体可以有不同的Transform、Color
Frustum Cull

剔除视椎体外的物体
Occlusion Cull

剔除被遮挡的物体（WebGL1不支持）
LOD

根据物体到相机的距离，显示不同Level的物体。越远的越粗糙，越近的越细致
GPU Driven Pipeline

把前几个优化都放到GPU中来做，并且物体可以有更多差异（需要WebGPU）
Space Partition

使用Octree、BVH、BSP等加速结构来划分场景，在Cull、碰撞检测、Ray Picking等操作时查询加速结构而不是遍历所有物体，从而提高性能
Multi Thread Render

开一个渲染线程来渲染
AssetBundle、Stream Load

划分为多个场景包，动态、流式加载

本文使用Instanced Draw+Frustum Cull+LOD来渲染大场景，最终实现效果演示：

场景总三角面数是千万级，总物体数量是1万（PC端）/5000（移动端）

动态物体数量是800（PC端）/400（移动端）

其中，树使用了Instanced Draw+LOD，白色立方体使用了Instanced Draw

可以把相机拉进、拉远，可看到不同Level的树

移动相机，可看到红框内的Triangles在变化（大概在几十万到几百万），这是Frustum Cull后的三角面数

在5年前的中配手机上，FPS可达15左右

下面开始实现各个关键点，给出实现的思路：

Instanced Draw

比如要将克隆的1000个Mesh改为Instanced的，则保留它们作为source，并创建一个InstancedMesh，count设为1000，写入1000个Mesh的世界矩阵；然后隐藏source，显示InstancedMesh

之所以保留source，是因为可以用它们来做碰撞检测、Ray Picking等单个Mesh的操作

值得注意的是物体可能是多材质的Object3D（如树），所以要将其中的每个Mesh拆分到一组Instanced Draw中。举例来说，如果树有个3个材质（即3个子Mesh），则需要创建3个InstancedMesh，然后将所有树的第一个材质的Mesh对应到第一个InstancedMesh中，其余的以此类推

Frustum Cull

如上图所示，实现Instanced Draw+Frustum Cull的原理是将要剔除的物体移到InstancedMesh的instanceMatrix的最后，并将count减1

值得注意的是要将three.js默认的对单个Object3D的frustum cull关闭（即将source的frustumCulled设为false）

另外，我们直接遍历所有的待剔除物体来进行Fustum Cull检测，没有使用Octree等加速结构

相关的讨论请参考：

Linear search vs Octree (Frustum cull)

LOD

如上图所示，假设车有3个Level的LOD层级，我们希望离相机越远，显示越高的Level（Geometry、Material越简单）

我们需要创建3个InstanceMesh，分别对应不同的Level，如下图所示：

参考资料

InstancedMesh2 - Easy handling and frustum culling

What is a more straightforward way to do instance culling?

Linear search vs Octree (Frustum cull)

100kTrees

LOD + Instancing

LOD with Instancing and Multi-Material Meshes

Three.js InstancedMesh performance optimizations - DevLog 10