CesiumJS PrimitiveAPI 高级着色入门 - 从参数化几何与 Fabric 材质到着色器 - 下篇

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书接上文 https://www.cnblogs.com/onsummer/p/cesium-primitive-api-tutorial.html

3. 使用 GLSL 着色器

明确一个定义，在 Primitive API 中应用着色器，实际上是给 Appearance 的 vertexShaderSource、fragmentShaderSource 或 Material 中的 fabric.source 设置着色器代码，它们所能控制的层级不太一样。但是他们的共同目的都是为了 Geometry 服务的，它们会随着 CesiumJS 的每帧 update 过程，创建 ShaderProgram，创建 DrawCommand，最终去到 WebGL 的底层渲染中。

3.1. 为 Fabric 材质添加自定义着色代码 - Fabric 材质的本质

有了之前的 fabric.uniforms、fabric.materials、fabric.components 基础，你可能迫不及待想写自定义着色器代码了。需要知道的一点是，有了 fabric.source，就不兼容 fabric.components 了，只能二选一。

关于 fabric.uniforms，它的所有键名都可以在着色器代码中作为 GLSL Uniform 变量使用；关于 fabric.materials，它的所有键名都可以在着色器代码中作为 GLSL 变量使用，也就是一个计算完成的 czm_material 结构体变量。

编写 fabric.source，实际上就是写一个函数，它必须返回一个 czm_material 结构体，且输入一些特定的、当前片元的信息：

czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput) {
  czm_material material = czm_getDefaultMaterial(materialInput);
  // ... 一系列处理
  return material;
}

czm_material 已经在之前提及过了，它包含了实时渲染所需的一些基本材质参数。而 materialInput 这个变量，它是 czm_materialInput 类型的结构体，定义如下：

struct czm_materialInput {
  float s;
  vec2 st;
  vec3 str;
  mat3 tangentToEyeMatrix;
  vec3 positionToEyeEC;
  vec3 normalEC;
};

其中：

• s - 一维纹理座标

• st - 二维纹理座标

• str - 三维纹理座标。注意，materialInput.str.st 不一定就是 materialInput.st，也不能保证 materialInput.st.s == materialInput.s，例如对于椭球体而言，s 是底部到顶部的纹理座标，st 是经纬度，str 可能是范围框的轴向值，这要参考源代码

• tangentToEyeMatrix - 片元切线空间到眼座标系的转换矩阵，用于法线计算等

• positionToEyeEC - 片元座标到观察座标系（眼座标系）原点的向量，模长为片元到原点的距离，单位是米，可以用于反射或者折射计算

• normalEC - 可用于凹凸映射、反射、折射计算中的眼睛座标系下的标准化法线

那个 czm_getDefaultMaterial 函数就是获取默认的材质结构，这个函数很简单：

czm_material czm_getDefaultMaterial(czm_materialInput materialInput) {
  czm_material material;
  material.diffuse = vec3(0.0);
  material.specular = 0.0;
  material.shininess = 1.0;
  material.normal = materialInput.normalEC;
  material.emission = vec3(0.0);
  material.alpha = 1.0;
  return material;
}

有了上面这些基础，你就可以在这个 czm_getMaterial() 函数体里写你想要的片元着色内容了，注意任意 CesiumJS 的内置变量、自动 Uniform、结构体、内置函数都可以用。

3.2. 社区实现案例 - 泛光墙体和流动线材质

参考 前端3D引擎-Cesium自定义动态材质 - 掘金

有了 3.1 的基础，我们直接参考网上的一些案例。

const polylinePulseLinkFabric = {
  type: 'PolylinePulseLink',
  uniforms: {
    color: Color.fromCssColorString('rgba(0, 255, 255, 1)'),
    speed: 0,
    image: 'http:/localhost:3000/images/bell.png', // 可以自己指定泛光墙体渐变材质
  },
  source: `czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput) {
    czm_material material = czm_getDefaultMaterial(materialInput);

    // 获取纹理座标
    vec2 st = materialInput.st;
    // 对 uniforms.image 的纹理图片进行采样
    // 这里需要根据时间来采样，公式含义读者自行研究，czm_frameNumber * 0.005 * speed 就是根据内置的
    // czm_frameNumber，即当前帧数来代表大致时间
    vec4 colorImage = texture2D(image, vec2(fract((st.t - speed * czm_frameNumber * 0.005)), st.t));
    vec4 fragColor;
    fragColor.rgb = color.rgb / 1.0;
    fragColor = czm_gammaCorrect(fragColor); // 伽马校正

    material.alpha = colorImage.a * color.a;
    material.diffuse = (colorImage.rgb + color.rgb) / 2.0;
    material.emission = fragColor.rgb;
    return material;
  }`,
}

// 使用
const wallInstance = new GeometryInstance({
  geometry: WallGeometry.fromConstantHeights({
    positions: Cartesian3.fromDegreesArray([
      97.0, 43.0, 
      107.0, 43.0, 
      107.0, 40.0,
      97.0, 40.0,
      97.0, 43.0,
    ]),
    maximumHeight: 100000.0,
    vertexFormat: MaterialAppearance.VERTEX_FORMAT,
  }),
})

new Primitive({
  geometryInstances: wallInstance,
  appearance: new MaterialAppearance({
    material: new Material({ fabric: polylinePulseLinkFabric }),
  }),
})

其用到的渐变纹理可以是任意的一个横向颜色至透明的渐变 png：

效果：

文中还介绍了 Entity 使用自定义 MaterialProperty 的方法，实际上底层也是 Material：

class PolylineTrailMaterialProperty {
  // ...
  getType() {
    return 'PolylineTrail'
  }
  getValue(time, result) {
    if (!defined(result)) {
      result = {}
    }

    result.color = Property.getValueOrClonedDefault(
      this._color,
      time,
      Color.WHITE,
      result.color
    )
    result.image = this.trailImage
    result.time = ((performance.now() - this._time) % this.duration) / this.duration

    return result
  }
  // ... 其余封装参考原文
}

const shader = `czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput) {
  czm_material material = czm_getDefaultMaterial(materialInput);

  vec2 st = materialInput.st;
  // 简化版，显然纹理采样的 time 就来自 PolylineTrailMaterialProperty 了，不需要自己控制
  vec4 colorImage = texture2D(image, vec2(fract(st.s - time), st.t));

  material.alpha = colorImage.a * color.a;
  material.diffuse = (colorImage.rgb + color.rgb) / 2.0;
  return material;
}`
// 创建一个 'PolylineTrail' 类型的材质对象，并缓存起来：
const polylineTrailMaterial = new Material({
  fabric: {
    type: 'PolylineTrail',
    uniforms: {
      color: new Color(1.0, 0.0, 0.0, 0.5),
      image: 'http:/localhost:3000/images/bell.png',
      time: 0,
    },
    source: shader,
  }
})

详细的完整封装调用就不列举了，需要有 Entity API 的使用经验，不在本篇范围。想知道 Property 是如何调用底层的，也需要自己研究 EntityAPI 的底层。

3.3. 直接定义外观对象的两个着色器

fabric.source 只能作用于材质的片元着色，当然也可以通过编写外观对象的两个着色器实现更大自由。

默认情况下，MaterialAppearance 的顶点着色器与片元着色器是这样的：

// GLSL 300 语法，顶点着色器
in vec3 position3DHigh;
in vec3 position3DLow;
in vec3 normal;
in vec2 st;
in float batchId;

out vec3 v_positionEC;
out vec3 v_normalEC;
out vec2 v_st;

void main() {
  vec4 p = czm_computePosition();

  v_positionEC = (czm_modelViewRelativeToEye * p).xyz;      // position in eye coordinates
  v_normalEC = czm_normal * normal;                         // normal in eye coordinates
  v_st = st;

  gl_Position = czm_modelViewProjectionRelativeToEye * p;
}

顶点着色器调用 czm_computePosition() 函数将 position3DHigh 和 position3DLow 合成为 vec4 的模型座标，然后乘以 czm_modelViewProjectionRelativeToEye 这个内置的矩阵，得到裁剪座标。然后是片元着色器：

in vec3 v_positionEC;
in vec3 v_normalEC;
in vec2 v_st;

void main()
{
    vec3 positionToEyeEC = -v_positionEC;

    vec3 normalEC = normalize(v_normalEC);
#ifdef FACE_FORWARD
    normalEC = faceforward(normalEC, vec3(0.0, 0.0, 1.0), -normalEC);
#endif

    czm_materialInput materialInput;
    materialInput.normalEC = normalEC;
    materialInput.positionToEyeEC = positionToEyeEC;
    materialInput.st = v_st;
    czm_material material = czm_getMaterial(materialInput);

#ifdef FLAT
    out_FragColor = vec4(material.diffuse + material.emission, material.alpha);
#else
    out_FragColor = czm_phong(normalize(positionToEyeEC), material, czm_lightDirectionEC);
#endif
}

如果想完全定制 Primitive 的着色行为，需要十分熟悉你所定制的 Geometry 的 VertexBuffer，也要控制好两大着色器之间相互传递的值。

可以看得出来，Primitive API 使用的材质光照模型是冯氏（Phong）光照模型，可参考基本光照。

案例就不放了，有能力的可以直接参考 CesiumJS 曾经推过的一个 3D 风场可视化的案例，它不仅自己写了一个顶点着色器、片元着色器都是自定义的 Appearance，还写了自定义的 Primitive（不是原生 Primitive，是连 DrawCommand 都自己创建的似 Primitive，似 Primitive 将在下文解释）。

3.4. *源码中如何合并着色器

这段要讲讲源码，定位到 Primitive.prototype.update() 方法：

Primitive.prototype.update = function (frameState) {
  const appearance = this.appearance;
  const material = appearance.material;
  let createRS = false;
  let createSP = false;

  // 一系列判断是否需要重新创建 ShaderProgram，会修改 createSP 的值

  if (createSP) {
    const spFunc = defaultValue(
      this._createShaderProgramFunction,
      createShaderProgram
    );
    // 默认情况下，会使用 createShaderProgram 函数创建新的 ShaderProgram
    spFunc(this, frameState, appearance);
  }
};

使用 createShaderProgram 函数会用到外观对象。

function createShaderProgram(primitive, frameState, appearance) {
  // ...

  // 装配顶点着色器
  let vs = primitive._batchTable.getVertexShaderCallback()(
    appearance.vertexShaderSource
  );
  // 从这开始，是给外观对象的片元着色器添加一系列 Buff
  vs = Primitive._appendOffsetToShader(primitive, vs);
  vs = Primitive._appendShowToShader(primitive, vs);
  vs = Primitive._appendDistanceDisplayConditionToShader(
    primitive,
    vs,
    frameState.scene3DOnly
  );
  vs = appendPickToVertexShader(vs);
  vs = Primitive._updateColorAttribute(primitive, vs, false);
  vs = modifyForEncodedNormals(primitive, vs);
  vs = Primitive._modifyShaderPosition(primitive, vs, frameState.scene3DOnly);

  // 装配片元着色器
  let fs = appearance.getFragmentShaderSource();
  fs = appendPickToFragmentShader(fs); // 为片元着色器添加 pick 所需的 vec4 颜色 in(varying) 变量

  // 生成 ShaderProgram，并予以校验匹配情况
  primitive._sp = ShaderProgram.replaceCache({
    context: context,
    shaderProgram: primitive._sp,
    vertexShaderSource: vs,
    fragmentShaderSource: fs,
    attributeLocations: attributeLocations,
  });
  validateShaderMatching(primitive._sp, attributeLocations);

  // ...
}

总之，外观的两个着色器也仅仅是 CesiumJS 这个庞大的着色器系统中的一部分，仍有非常多的状态需要添加到着色器对象（ShaderProgram）上。

可能通用的 Primitive 就是需要这么多状态附加吧，读者可以自行研究其它似 Primitive 的着色器创建过程。似 Primitive 将于本文的最后一大节说明。

4. 底层知识

4.1. 渲染状态对象

注意到一个东西：appearance.renderState，在创建外观对象时可以传入一个对象字面量：

new MaterialAppearance({
  // ...
  renderState: {},
})

也可以不传递，默认会生成这样一个对象：

{
  depthTest: {
    enabled: true,
  },
  depthMask: false,
  blending: BlendingState.ALPHA_BLEND, // 来自 BlendingState 的静态常量成员 ALPHA_BLEND
}

这个对象会记录在外观对象上，伴随着 Primitive 的更新过程，还会增增减减、修改状态值，在 Primitive 的 createRenderStates 函数中，用这个对象的即时值创建或取得缓存的 RenderState 实例，等待着在 createCommands 函数中传递给 DrawCommand。

RenderState 的状态值和 WebGL 最终渲染有关，在 Context 模块的 beginDraw 函数、applyRenderState 函数中，就有大量使用渲染状态的代码（还要往里进去两三层），举例：

function applyDepthMask(gl, renderState) {
  gl.depthMask(renderState.depthMask);
}

function applyStencilMask(gl, renderState) {
  gl.stencilMask(renderState.stencilMask);
}

这两个函数就是在修改 WebGL 全局状态的值，值来自 RenderState 实例的 depthMask 和 stencilMask 字段。

CesiumJS 漫长的一帧的更新过程中，有两个状态对象可以关注一下，一个是挂载在 Scene 上的 帧状态 对象（FrameState 实例），另一个就是身处于各个实际三维对象上的 渲染状态 对象（RenderState 实例）。前者记录一些整装待发的资源，例如 DrawCommand 清单等，后者则为三维对象标记在实际渲染时要更改 WebGL 全局状态的状态值。两大状态的链接桥梁是 DrawCommand。

还有一个贯穿于帧更新过程的状态对象：统一值对象（UniformState 实例），是 Context 的成员字段，作用同其名，用于更新要传给着色器的统一值。

4.2. 似 Primitive 对象与创建似 Primitive 对象

这一节介绍的内容将有助于理解 CesiumJS 单帧更新的核心思路。别看 CesiumJS 拥有这么多加载数据、模型的 API 类，实际上是可以根据它们在场景结构中的层级，做个简单的分类：

• Entity 与 DataSource，高层级的数据 API，是高级的人类友好的数据格式加载封装，还能与时间关联

• Globe 与 ImageryLayer，负责地球本身的渲染，含皮肤（影像 Provider）和肌肉（地形 Provider）

• Primitive 家族，含本篇介绍的 Primitive，以及 glTF、3DTiles 等数据

Entity 和 DataSource 实际上底层也是在调用 Primitive 家族，只不过这两个属于 Viewer；中间的 Globe 与 ImageryLayer 和最后的 Primitive 家族，属于 Scene 容器。

既然这篇是介绍的 Primitive，那么就重点介绍 Primitive 家族。

你一定注意过可以向 scene.primitives 这个 PrimitiveCollection 中添加好几种对象：Model、Cesium3DTileset、PrimitiveCollection（是的，可以嵌套添加）、PointPrimitive、GroundPrimitive、ClassificationPrimitive 以及本篇介绍的 Primitive 均可以，在 1.101 版本的更新中还添加了一个体素：VoxelPrimitive（仍在测试）。

我将这类 Primitive 家族类，称为 PrimitiveLike 类，即“似 Primitive”。

这些似 Primitive 有一个共同点，才能添加到 PrimitiveCollection 中，伴随着场景的单帧更新过程进入 WebGL 渲染。它们的共同点：

• 有 update 实例方法

• 有 destroy 实例方法

在 update 方法中，它接受 FrameState 对象传入，然后经过自己的渲染逻辑，创建出一系列的指令对象（主要是 DrawCommand），并送入帧状态对象的指令数组中，待更新完毕最终进入 WebGL 的渲染。

所以知道这些有什么用呢？

Cesium 团队是一个求稳的团队，2012 年还在内测的时候，ES5 标准才落地没多久，哪怕现在的代码也仍然是使用函数来创建类，而不是用 ES6 的 Class（尽管现在切换过去已经没什么技术难点了）。ES6 实现类继承是很简单的，但是在那个时候就比较困难了。像这种似 Primitive 的情况，ES6 来写实际上就是有一个共同的父类罢了，如果是 TypeScript，那更是可以抽象为更轻量的 interface：

interface PrimitiveLike {
  update(frameState: FrameState): void
  destroy(): void
}

这构成了编写自定义 Primitive 的基础，CesiumJS 团队和 CesiumLab 核心成员 vtxf 均有一些古早的资料，告诉你如何编写自定义的 Primitive 类。我之前也写有一篇较为相近的、介绍 DrawCommand 并创建简易自定义三角形 Primitive 的文章，列举如下：

• CesiumJS Wiki - Geometry and Appearance

• cesiumlab vtxf - cesium-custom-primitive

• 知乎 - Cesium DrawCommand [1] 不谈地球 画个三角形

著名的 Cesium 3D 风场案例就是一个非常经典的应用：

• GPU Powered Wind Visualization With Cesium – Cesium 历史博客

4.3. Primitive 在 Scene 中的大致图示

如果读过我写的源码系列，应该知道 Primitive 在 Scene 的更新位置（Scene 模块下的 render 函数），简单放个图吧：

这样就能大致看到在什么时候更新的 PrimitiveCollection 了。

有兴趣了解源码渲染架构的可以去补补我之前写的系列。

文末小结

这两篇文章集合了我三年前的几篇不成熟的文章，我终于系统地写出了这几个内容：

• 一般性的 Primitive API 用法，包括

  • Geometry API 的自定义几何、参数内置几何

  • Appearance + Material API 所表达的 CesiumJS Fabric 材质规范

• 提出似 Primitive 的概念，为之后自定义 Primitive 学习挡在 WebGL 原生接口之前的最底层 API 打下基础

• 简单思考了 CesiumJS 的着色器设计和应用

希望对读者有用。