Three.js 高性能渲染千级 2D 文本标签：实例化几何体与纹理图集实践-js教程-PHP中文网

Three.js 高性能渲染千级 2D 文本标签：实例化几何体与纹理图集实践

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发布： 2025-11-26 16:54:01

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Three.js 高性能渲染千级 2D 文本标签：实例化几何体与纹理图集实践

在 three.js 中渲染大量 2d 文本标签常面临性能瓶颈。本教程提供一种高效解决方案，利用实例化几何体（instancedbuffergeometry）显著减少 draw call，并结合纹理图集（texture atlas）将所有文本预渲染至一张纹理，通过着色器在每个实例上选择性采样，从而实现千级以上 2d 文本标签的流畅渲染，同时保持良好的视觉效果和可扩展性。

引言：大规模 2D 文本渲染的挑战

在 Three.js 等 3D 渲染引擎中，当需要显示成百上千个 2D 文本标签时，传统的渲染方法往往会遇到严重的性能问题。常见的尝试包括：

THREE.TextGeometry：为每个文本生成独立的 3D 几何体，导致几何体数量庞大，CPU 和 GPU 开销剧增。
troika-three-text：虽然提供了更优化的文本渲染，但在处理上千个独立文本时，仍然可能因其内部的批处理和更新机制而面临性能瓶颈。
CSS2DRenderer 或 CSS3DRenderer：利用 DOM 元素渲染文本，虽然渲染质量高且易于样式控制，但每个文本对应一个 DOM 元素，大量的 DOM 操作和浏览器布局计算会显著拖慢性能，尤其是在 3D 场景中需要频繁更新位置时。

这些方法在小规模应用中表现良好，但在需要渲染如楼层平面图上千个房间名称等场景时，其性能瓶颈便凸显出来。核心问题在于，每渲染一个文本，都会产生额外的 Draw Call、几何体处理或 DOM 操作开销。

核心方案：实例化几何体与纹理图集

为了高效渲染大量 2D 文本标签，我们可以采用实例化几何体（InstancedBufferGeometry）结合纹理图集（Texture Atlas）的策略。

实例化几何体（InstancedBufferGeometry）：
- 原理：允许使用一个 Draw Call 渲染多个具有相同几何结构但不同属性（如位置、旋转、颜色、纹理偏移等）的实例。
- 优势：极大地减少了 Draw Call 数量，从而降低了 CPU 与 GPU 之间的通信开销，显著提升渲染性能。
纹理图集（Texture Atlas）：
- 原理：将所有需要显示的文本预先绘制到一张大的纹理图像上。每个文本占据图集中的一个特定区域。
- 优势：避免了为每个文本单独加载和绑定纹理，减少了纹理切换的开销。在着色器中，通过计算每个实例在图集中的 UV 坐标偏移，可以采样到对应的文本图像。

这种组合方案将文本渲染的重担从 CPU 转移到 GPU，利用 GPU 的并行处理能力，实现高性能的大规模文本显示。

实现步骤与代码解析

下面我们将通过一个 Three.js 示例来详细阐述如何实现这一方案。

1. HTML 与 CSS 基础设置

首先，准备一个基本的 HTML 页面和一些 CSS 样式来确保 Three.js 渲染器能正确显示。

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Three.js 高性能 2D 文本标签</title>
    <style>
        body {
            overflow: hidden;
            margin: 0;
        }
    </style>
</head>
<body>
    <script type="module">
        // Three.js 核心代码将在此处
    </script>
</body>
</html>

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2. Three.js 场景初始化

导入 Three.js 模块，并设置基础的场景、相机、渲染器和轨道控制器。

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import * as THREE from "three";
import { OrbitControls } from "three/addons/controls/OrbitControls.js";

// 场景、相机、渲染器设置
let scene = new THREE.Scene();
scene.background = new THREE.Color(0xface8d);
let camera = new THREE.PerspectiveCamera(60, innerWidth / innerHeight, 1, 1000);
camera.position.set(3, 5, 8).setLength(40);
camera.lookAt(scene.position);
let renderer = new THREE.WebGLRenderer({
  antialias: true
});
renderer.setSize(innerWidth, innerHeight);
document.body.appendChild(renderer.domElement);

// 窗口大小调整事件
window.addEventListener("resize", () => {
  camera.aspect = innerWidth / innerHeight;
  camera.updateProjectionMatrix();
  renderer.setSize(innerWidth, innerHeight);
});

// 轨道控制器
let controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement);
controls.enableDamping = true;

// 灯光
let light = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 0.5);
light.position.setScalar(1);
scene.add(light, new THREE.AmbientLight(0xffffff, 0.5));

// 网格辅助线
scene.add(new THREE.GridHelper());

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3. 动态生成纹理图集

创建一个函数 getMarkerTexture，它使用 HTML Canvas 动态生成一张包含所有文本的纹理图集。

/**
 * 生成包含多个文本的纹理图集
 * @param {number} size 纹理图集的边长（例如 4096）
 * @param {number} amountW 图集宽度方向上的文本数量
 * @param {number} amountH 图集高度方向上的文本数量
 * @returns {THREE.CanvasTexture} 生成的 Three.js 纹理
 */
function getMarkerTexture(size, amountW, amountH) {
  let c = document.createElement("canvas");
  c.width = size;
  c.height = size;
  let ctx = c.getContext("2d");

  // 填充背景色
  ctx.fillStyle = "#fff";
  ctx.fillRect(0, 0, c.width, c.height);

  // 计算每个文本单元的尺寸
  const stepW = c.width / amountW;
  const stepH = c.height / amountH;

  // 设置文本样式
  ctx.font = "bold 40px Arial";
  ctx.textBaseline = "middle"; // 垂直居中
  ctx.textAlign = "center";   // 水平居中
  ctx.fillStyle = "#000";     // 文本颜色

  let col = new THREE.Color();
  let counter = 0;

  // 遍历图集单元格，绘制文本和边框
  for (let y = 0; y < amountH; y++) {
    for (let x = 0; x < amountW; x++) {
      // 计算文本绘制中心点
      // 注意：y轴方向的计算 (amountH - y - 1) 是为了匹配Three.js纹理的UV坐标系
      // Three.js的UV坐标原点在左下角，Canvas的Y轴向下
      let textX = (x + 0.5) * stepW;
      let textY = ((amountH - y - 1) + 0.5) * stepH;
      ctx.fillText(counter.toString(), textX, textY); // 绘制文本

      // 绘制随机颜色边框
      ctx.strokeStyle = '#' + col.setHSL(Math.random(), 1, 0.5).getHexString();
      ctx.lineWidth = 3;
      ctx.strokeRect(x * stepW + 4, y * stepH + 4, stepW - 8, stepH - 8);

      counter++;
    }
  }

  // 创建 Three.js 纹理
  let ct = new THREE.CanvasTexture(c);
  ct.colorSpace = THREE.SRGBColorSpace; // 设置颜色空间
  return ct;
}

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此函数创建了一个 Canvas，将多个文本（在此示例中是数字）绘制到其不同的子区域中。amountW 和 amountH 定义了图集网格的尺寸，stepW 和 stepH 定义了每个文本单元的大小。通过调整 textX 和 textY，确保文本在每个单元格内居中。

4. 创建实例化几何体

使用 THREE.InstancedBufferGeometry 来创建大量的平面，每个平面将显示一个文本标签。

// 创建一个 PlaneGeometry 作为实例的原型
let ig = new THREE.InstancedBufferGeometry().copy(new THREE.PlaneGeometry(2, 1));
ig.instanceCount = Infinity; // 设置实例数量为无限，或指定具体数量

const amount = 2048; // 渲染的文本标签数量
let instPos = new Float32Array(amount * 3); // 存储每个实例的位置

// 随机生成每个实例的位置
for(let i = 0; i < amount; i++){
  instPos[i * 3 + 0] = THREE.MathUtils.randFloatSpread(50); // X
  instPos[i * 3 + 1] = THREE.MathUtils.randFloatSpread(50); // Y
  instPos[i * 3 + 2] = THREE.MathUtils.randFloatSpread(50); // Z
}
// 将位置数据作为实例化属性添加到几何体
ig.setAttribute("instPos", new THREE.InstancedBufferAttribute(instPos, 3));

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这里我们创建了一个 PlaneGeometry 作为每个文本标签的显示面。InstancedBufferGeometry 复制了这个平面几何体，并通过 setAttribute 添加了一个名为 instPos 的实例化属性，用于存储每个文本标签在 3D 场景中的世界坐标。

5. 编写着色器材质

自定义 THREE.ShaderMaterial 来利用实例化属性和纹理图集。

let im = new THREE.ShaderMaterial({
  uniforms: {
    quaternion: {value: new THREE.Quaternion()}, // 用于使文本面向相机
    markerTexture: {value: getMarkerTexture(4096, 32, 64)}, // 纹理图集
    textureDimensions: {value: new THREE.Vector2(32, 64)} // 图集网格尺寸 (amountW, amountH)
  },
  vertexShader: `
    uniform vec4 quaternion; // 相机旋转四元数的逆
    uniform vec2 textureDimensions; // 纹理图集网格的宽度和高度（单元格数量）

    attribute vec3 instPos; // 每个实例的世界坐标

    varying vec2 vUv; // 传递给片元着色器的 UV 坐标

    // 四元数旋转函数
    vec3 qtransform( vec4 q, vec3 v ){ 
      return v + 2.0*cross(cross(v, q.xyz ) + q.w*v, q.xyz);
    } 

    void main(){
      // 将平面顶点旋转以面向相机，然后平移到实例位置
      vec3 pos = qtransform(quaternion, position) + instPos;
      gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(pos, 1.);

      // 根据 gl_InstanceID 计算当前实例在纹理图集中的 UV 偏移
      float iID = float(gl_InstanceID); // 当前实例的 ID
      float stepW = 1. / textureDimensions.x; // 每个单元格

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以上就是Three.js 高性能渲染千级 2D 文本标签：实例化几何体与纹理图集实践的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！