关于cesium:Cesium-DrawCommand-1-不谈地球-画个三角形

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0. 前言

Primitive API 是公开的 API 的最底层了，它面向的场景是高性能、可自定义材质着色器（Appearance API + FabricMaterial Specification）、动态三维物体。

尽管如此，Primitive API 依然封装了大量几何体类、材质类、WebWorker，而且目前凋谢自定义着色器 API 的只有三维模型类的新架构，还没下放到 Primitive API。

如果 API 包袱不想那么重，又心愿能够应用本人的模型格局（必须是三角面），那么公有的 DrawCommand + VertexArray 接口就十分适合了，它的格调曾经是最靠近 CesiumJS WebGL 底层的一类 API 了。

DrawCommand，是 Cesium 封装 WebGL 的一个优良设计，它把绘图数据（VertexArray）和绘图行为（ShaderProgram）作为一个对象，待机会适合，也就是 Scene 执行 executeCommand 函数时，帧状态对象上所有的指令对象就会应用 WebGL 函数执行，要什么就 bind 什么，做到了在绘图时的用法统一，下层利用接口只需生成指令对象。

0.1. 源码中的 DrawCommand

譬如在 Primitive.js 模块中的 createCommands 函数，它就是负责把 Primitive 对象的参数化数据或 WebWorker 计算来的数据合并生成 DrawCommand 的中央：

function createCommands(/* 参数省略 */) {
  // ...
  const length = colorCommands.length;
  let vaIndex = 0;
  for (let i = 0; i < length; ++i) {
    let colorCommand;

    // ...

    colorCommand = colorCommands[i];
    if (!defined(colorCommand)) {colorCommand = colorCommands[i] = new DrawCommand({
        owner: primitive, // 入参，即 Primitive 对象
        primitiveType: primitive._primitiveType,
      });
    }
    colorCommand.vertexArray = primitive._va[vaIndex]; // VertexArray
    colorCommand.renderState = primitive._frontFaceRS; // 渲染状态
    colorCommand.shaderProgram = primitive._sp; // ShaderProgram
    colorCommand.uniformMap = uniforms; // 对立值
    colorCommand.pass = pass; // 该指令的通道程序
  }
  // ...
}

1. 创立

1.1. 形成因素 – VertexArray

Cesium 把 WebGL 的顶点缓冲和索引缓冲包装成了 Buffer，而后为了不便，将这些顶点相干的缓冲绑定在了一个对象里，叫做 VertexArray，外部会启用 WebGL 的 VAO 性能。

最疾速创立 VertexArray 的方法，就是调用其静态方法 VertexArray.fromGeometry()，然而这须要 Geometry API 来帮忙。

这里想间接应用 Buffer 来阐明，那么就得先创立 Buffer：

const positionBuffer = Buffer.createVertexBuffer({
  context: context,
  sizeInBytes: 12,
  usage: BufferUsage.STATIC_DRAW,
  typedArray: new Float32Array([/* ... */])
})
const attributes = [
  {
    index: 0,
    enabled: true,
    vertexBuffer: positionBuffer,
    componentsPerAttribute: 3,
    componentDatatype: ComponentDatatype.FLOAT,
    normalize: false,
    offsetInBytes: 0,
    strideInBytes: 0, // 严密组合在一起，没有 byteStride
    instanceDivisor: 0 // 不实例化绘制
  }
]

调用 Buffer 公有类的静态方法 createVertexBuffer()，即可创立内置了 WebGLBuffer 的顶点缓冲对象 positionBuffer，而后应用一般的对象数组创立出 顶点属性 attributes，每个对象就形容了一个顶点属性。接下来就能够拿这些简略的资料创立 VertexArray 了：

const va = new VertexArray({
  context: context,
  attributes: attributes
})

Context 封装了 WebGL 的各种函数调用，你能够从 Scene 中或间接从 FrameState 上获取到。

这一步创立的 Buffer，顶点坐标是直角坐标系下的，是最原始的坐标值，除非在着色器里做矩阵变换，或者这些直角坐标就在世界坐标系的地表左近。它是一堆没有具体语义的、纯正数学几何的坐标，与渲染管线无关。所以，对于地表某处的坐标点，通常要配合 ENU 转换矩阵 + 内置的 MVP 转换矩阵来应用，见 1.6 的例子。

这里还有一个例子，应用了两个顶点属性（VertexAttribute）：

const positionBuffer = Buffer.createVertexBuffer({
  context: context,
  sizeInBytes: 12,
  usage: BufferUsage.STATIC_DRAW
})
const normalBuffer = Buffer.createVertexBuffer({
  context: context,
  sizeInBytes: 12,
  usage: BufferUsage.STATIC_DRAW
})
const attributes = [
  {
    index: 0,
    vertexBuffer: positionBuffer,
    componentsPerAttribute: 3,
    componentDatatype: ComponentDatatype.FLOAT
  },
  {
    index: 1,
    vertexBuffer: normalBuffer,
    componentsPerAttribute: 3,
    componentDatatype: ComponentDatatype.FLOAT
  }
]
const va = new VertexArray({
  context: context,
  attributes: attributes
})

这里把坐标缓冲和法线缓冲离开存到两个对象里了，其实 WebGL 能够用字节交织的格局，把全副顶点属性的缓冲都合并成一个的形式的，就不具体讲了，读者能够自行查阅 WebGL 中 WebGLBuffer 的用法。

1.2. 形成因素 – ShaderProgram

WebGL 的着色器也被 CesiumJS 封装了，自带缓存机制，并应用大量正则等伎俩做了着色器源码匹配、解析、治理。

着色器代码由 ShaderSource 治理，ShaderProgram 则治理起多个着色器源码，也就是着色器自身。应用 ShaderCache 作为着色器程序的缓存容器。它们的层级关系如下：

Context
  ┖ ShaderCache
    ┖ ShaderProgram
      ┖ ShaderSource

你能够本人创立 ShaderSource、ShaderProgram，并通过 Context 增加到 ShaderCache 中。

举例：

new ShaderSource({sources : [GlobeFS]
})

new ShaderProgram({
  gl: context._gl,
  logShaderCompilation: context.logShaderCompilation,
  debugShaders: context.debugShaders,
  vertexShaderSource: vertexShaderSource,
  vertexShaderText: vertexShaderText,
  fragmentShaderSource: fragmentShaderSource,
  fragmentShaderText: fragmentShaderText,
  attributeLocations: attributeLocations,
})

然而通常会抉择更间接的形式：

const vertexShaderText = `attribute vec3 position;
void main() {gl_Position = czm_projection * czm_modelView * vec4(position, 1.0);
}`
const fragmentShaderText = `uniform vec3 color;
void main() {gl_FragColor=vec4( color , 1.);
}`

const program = ShaderProgram.fromCache({
  context: context,
  vertexShaderSource: vertexShaderText,
  fragmentShaderSource: fragmentShaderText,
  attributeLocations: attributeLocations
})

应用 ShaderProgram.fromCache 静态方法会主动帮你把着色器缓存到 ShaderCache 容器中。

着色器代码能够间接应用内置的常量和主动对立值，这是默认会加上去的。

attributeLocation 是什么？它是一个很一般的 JavaScript 对象：

{
  "position": 0,
  "normal": 1,
  "st": 2,
  "bitangent": 3,
  "tangent": 4,
  "color": 5
}

它批示顶点属性在着色器中的地位。

1.3. 形成因素 – WebGL 的对立值

这个比较简单：

const uniforms = {color() {return Cesium.Color.HONEYDEW}
}

应用一个 JavaScript 对象即可，每个成员必须得是 办法 ，返回的值合乎 Uniform 的要求即可：

  • Cesium.Matrix2/3/4 → mat2/3/4
  • Cesium.Cartesian2/3/4 → vec2/3/4
  • Cesium.Number → float
  • Cesium.Color → vec4
  • Cesium.Texture → sampler2D
  • …

请查阅 Renderer/createUniform.js 中的代码，例如 UniformFloatVec3 就能够对应 Color 和 Cartesian4 等等。

这个 uniforms 对象最终会在 Context 执行绘制时，与零碎的主动对立值（AutomaticUniforms）合并。

Context.prototype.draw = function (/*...*/) {
  // ...
  continueDraw(this, drawCommand, shaderProgram, uniformMap);
  // ...
}

1.4. 渲染状态对象 – RenderState

渲染状态对象是必须传递给 DrawCommand 的。渲染状态对象类型是 RenderState，它与 ShaderProgram 相似，都提供了静态方法来“缓存式”创立：

const renderState = RenderState.fromCache({
  depthTest: {enabled: true}
})

哪怕什么都不传递：RenderState.fromCache()，外部也会返回一个渲染状态。

它传递渲染数据之外所有参加 WebGL 渲染的状态值，在 RenderState 中有具体的默认列表参考，上述代码显式指定要进行深度测试。

1.5. 其它形成因子

创立绘图指令除了 1.1 ~ 1.3 成分之外，还有其它可选项。

① 绘制的通道类型 – Pass

CesiumJS 不是粗犷地把帧状态对象上的 Command 遍历一遍就绘制了的，在 Scene 的渲染过程中，除了生成三大 Command，还有一步要对 Command 进行通道排序。

通道，是一个枚举类型，保留在 Pass.js 模块中。不同通道有不同的优先级，譬如在 1.6 中指定的通道是 Cesium.Pass.OPAQUE，即不通明通道。在 1.93 版本，通道的程序为枚举值：

const Pass = {
  ENVIRONMENT: 0,
  COMPUTE: 1,
  GLOBE: 2,
  TERRAIN_CLASSIFICATION: 3,
  CESIUM_3D_TILE: 4,
  CESIUM_3D_TILE_CLASSIFICATION: 5,
  CESIUM_3D_TILE_CLASSIFICATION_IGNORE_SHOW: 6,
  OPAQUE: 7,
  TRANSLUCENT: 8,
  OVERLAY: 9,
  NUMBER_OF_PASSES: 10,
}

可见，OPAQUE（不通明通道）的优先级比 TRANSLUCENT（通明通道）高。

这个通道与其它图形 API 的通道可能略不一样，因为你只能应用这个值去指定程序，而不是本人写一个通道来合成渲染（例如 ThreeJS 或 WebGPU）。

② 绘制的图元类型 – WebGL 绘制常数

即指定 VertexArray 中顶点的拓扑格局，在 WebGL 中是通过 drawArrays 指定的：

gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3)

这个 gl.TRIANGLES 就是图元类型，是一个常数。Cesium 全副封装在 PrimitiveType.js 模块导出的枚举中了：

console.log(PrimitiveType.TRIANGLES) // 4

默认就是 PrimitiveType.TRIANGLES，所以在 1.6 代码中咱们并不需要传递。

③ 离屏绘制容器 – Framebuffer

CesiumJS 反对把后果画到 Renderbuffer，也就是 RTR(Render to RenderBuffer) 离屏绘制。绘制到渲染缓冲，是须要帧缓冲容器的，CesiumJS 把 WebGL 1/2 中帧缓冲相干的 API 都封装好了（严格来说，把 WebGL 中的 API 根本都封装了一遍）。

本文只简略提一提，对于帧缓冲离屏绘制，当前有机会再介绍，法克鸡丝的博客有比拟零碎的介绍（尽管比拟旧，不过思路还是在的）。

④ 模型坐标变换矩阵 – Matrix4

将 Matrix4 类型的变量在创立 DrawCommand 时传递进去，它最终会传递到 CesiumJS 的外部对立值：czm_model（模型矩阵）上，而无需你在 uniform 中指定，你能够在顶点着色器中应用它来对 VertexArray 中的顶点进行模型矩阵变换。见 1.6 中的顶点着色器经典的 MVP 相乘。

⑤ 其它

  • cull/occlude: 视锥剔除 + 地平线剔除组合技，Boolean
  • orientedBoundingBox/boundingVolume: 范畴框
  • count: number，WebGL 绘制时要画多少个点
  • offset: number，WebGL 绘制时从多少偏移量开始用顶点数据
  • instanceCount: number，实例绘制无关
  • castShadows/receiveShadows: Boolean，暗影相干
  • pickId: string，若没定义，在 Pick 通道的绘制中将应用深度数据；若定义了将在 GLSL 中转化为 pick id
  • …

这些都能够在 DrawCommand 中找到对应的字段，按需设置即可。

1.6. 咱们来实际一发纯色三角形

万事俱备，间接硬搓一个能产生三角形绘制指令的 StaticTrianglePrimitive，为了便于在官网沙盒中应用，我给官网 API 加上了命名空间：

const modelCenter = Cesium.Cartesian3.fromDegrees(112, 23, 250000 / 2)
const modelMatrix = Cesium.Transforms.eastNorthUpToFixedFrame(modelCenter)

const vertexShaderText = `attribute vec3 position;
void main() {gl_Position = czm_projection * czm_view * czm_model * vec4(position, 1.0);
}`
const fragmentShaderText = `uniform vec3 u_color;
void main(){gl_FragColor = vec4(u_color, 1.0);
}`

const createCommand = (frameState, matrix) => {
  const attributeLocations = {"position": 0,}
  const uniformMap = {u_color() {return Cesium.Color.HONEYDEW},
  }
  const positionBuffer = Cesium.Buffer.createVertexBuffer({
    usage: Cesium.BufferUsage.STATIC_DRAW,
    typedArray: new Float32Array([
      10000, 50000, 5000,
      -20000, -10000, 5000,
      50000, -30000, 5000,
    ]),
    context: frameState.context,
  })
  const vertexArray = new Cesium.VertexArray({
    context: frameState.context,
    attributes: [{index: 0, // 等于 attributeLocations['position']
      vertexBuffer: positionBuffer,
      componentsPerAttribute: 3,
      componentDatatype: Cesium.ComponentDatatype.FLOAT
    }]
  })
  const program = Cesium.ShaderProgram.fromCache({
    context: frameState.context,
    vertexShaderSource: vertexShaderText,
    fragmentShaderSource: fragmentShaderText,
    attributeLocations: attributeLocations,
  })
  const renderState = Cesium.RenderState.fromCache({
    depthTest: {enabled: true}
  })
  return new Cesium.DrawCommand({
    modelMatrix: matrix,
    vertexArray: vertexArray,
    shaderProgram: program,
    uniformMap: uniformMap,
    renderState: renderState,
    pass: Cesium.Pass.OPAQUE,
  })
}

/* ----- See Here ↓ ------ */

class StaticTrianglePrimitive {
  /**
   * @param {Matrix4} modelMatrix matrix to WorldCoordinateSystem
   */
  constructor(modelMatrix) {this._modelMatrix = modelMatrix}
  
  /**
   * @param {FrameState} frameState
   */
  update(frameState) {const command = createCommand(frameState, this._modelMatrix)
    frameState.commandList.push(command)
  }
}

// try!
const viewer = new Cesium.Viewer('cesiumContainer', {
  contextOptions: {requestWebgl2: true}
})
viewer.scene.globe.depthTestAgainstTerrain = true
viewer.scene.primitives.add(new StaticTrianglePrimitive(modelMatrix))

显示进去的成果就是一个白绿色的三角形：

图中为大湾区，因为我设的 ENU 坐标核心就是大湾区左近。三角形的高度被我设为了 5000 米。

2. 意义 – 自定义 Primitive（PrimitiveLike）

如果有一个对象或者一个函数，返回的是可绘制的 DrawCommand，那么只需把返回的指令对象传递给 FrameState 就能够在这一帧把下面的数据和绘图逻辑展现进去。

认真想想，具备创立 DrawCommand 的对象其实不少。有 Primitive、BillboardCollection、SkyAtmosphere、SkyBox、Sun、Model 等（3DTiles 瓦片上的模型是通过 Model 绘制的）。

我这里就间接给论断了：

  • 具备创立 DrawCommand 性能的，无论是函数，还是对象，都能够直接参与 Cesium 最底层的绘图；
  • 原型链上具备 update 办法的类，且 update 办法承受一个 FrameState 对象，并在执行过程中向这个帧状态对象增加 DrawCommand 的，就能增加至 scene.primitives 这个 PrimitiveCollection 中。

前一种有具体的 API，即 Globe 下的 GlobeSurfaceTileProvider（由 QuadtreePrimitive 应用）创立 DrawCommand；前面的就多了。

能准确管制 DrawCommand，就能够在 Cesium 场景中做你想做的绘图。

点到为止

DrawCommand 是 CesiumJS 渲染器之前的最初一道数据封装，前面就是对这些指令对象上的资源进行散发、绑定、执行。读者有趣味的话，还能够自行钻研 ClearCommand 和 ComputeCommand，兴许当前会写写，不过本篇点到为止~

3. 参考资料

  • 博客园 – 法克鸡丝 – Cesium 原理篇：6 Render 模块 (5: VAO&RenderState&Command)
  • 知乎 – 三维网格 – Cesium 高性能扩大之 DrawCommand（一）：入门

正文完
Cesium
发表至： Cesium
2022-04-28
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