溯源:Cesium.Appearance 中的顶点着色器

对于一个 MaterialAppearance 对象来说,它的顶点着色器代码默认为:

attribute vec3 position3DHigh;
attribute vec3 position3DLow;
attribute vec3 normal;
attribute vec2 st;
attribute float batchId;

varying vec3 v_positionEC;
varying vec3 v_normalEC;
varying 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;
}

0. 预备知识

Cesium 拥有一个小规模的内置 glsl 库,预置了非常多 czm_ 开头的函数、结构、常量。在自定义着色器的 Appearance、Material 类中,允许直接使用,Cesium 会自动把着色器代码合并、链接。

1. czm_computePosition()

很不幸的是,这个函数并不是完整地内置在 Source/Shaders 下的,Source/Shaders/Builtin/computePosition.glsl 这里面只有函数的声明,并没有,它的函数实现是动态生成的。

幸运的是,通过全文检索,我找到了它的生成代码,它位于 Primitive.js 文件中:

这个函数有点长,大家可以自己去看源代码

Primitive._modifyShaderPosition = function (
  primitive,
  vertexShaderSource,
  scene3DOnly
) {
  // ...
};

Cesium 会用正则去匹配你写的 attribute vec3 XXX3DHighattribute vec3 XXX3DLow 这两个顶点属性(attribute)中的 XXX,并以之构造函数名 czm_computeXXX,当然它会把首字母给你大写了以符合函数命名规范。

默认情况下,这个 XXX 就等于 position。所以,抽丝剥茧,在我们关心的三维模式下,这个函数其实可以省略成这样:

attribute vec3 position3DHigh;
attribute vec3 position3DLow;

vec4 czm_computePosition() {
  return czm_translateRelativeToEye(position3DHigh, position3DLow);
}

到这一步,看到实际上作用的函数是 czm_translateRelativeToEye(vec3, vec3),而这一个函数在 内置的 glsl 中是有的了。

2. czm_translateRelativeToEye(vec3, vec3)

vec4 czm_translateRelativeToEye(vec3 high, vec3 low)
{
    vec3 highDifference = high - czm_encodedCameraPositionMCHigh;
    vec3 lowDifference = low - czm_encodedCameraPositionMCLow;

    return vec4(highDifference + lowDifference, 1.0);
}

它的作用是,将世界坐标减去相机中心坐标,返回一个齐次坐标,即将世界坐标平移到相机坐标系下,而不旋转。

有的朋友可能会有两个疑问:①世界坐标在哪里?②相机坐标在哪里?

对于返回值 vec4(highDifference + lowDifference, 1.0) 这个有 WebGL 和图形变换基础的朋友应该不用做多解释,它就是一个齐次坐标。

那么,世界坐标和相机坐标呢?代码中明明是 high、low、czm_encodedCameraPositionMCHigh、czm_encodedCameraPositionMCLow 啊?

这要从一个不在 API 中的类:EncodedCartesian3 说起了。

补充 EncodedCartesian3:编码后的笛卡尔坐标

众所周知,64位浮点数(双精度)和 32位浮点数的精度是不一样的,也正是因为 Cesium 的设计初衷:世界级高精度三维地图引擎,导致了空间中的坐标值数值比较大。不要拘泥于地表,Cesium 的范围大至太阳系。

所以,直接将 Cartesian3 的坐标值传递给 WebGL 顶点着色器,有可能在重重 MVP 矩阵计算下丢失精度,出现图形顶点不准确、坐标抖动问题。

参考文献:Precisions, Precisions | STK Components for .NET 2020 r4 (agi.com)

数学大佬就想出了这个编码后的笛卡尔坐标对象,将原来的笛卡尔坐标拆成两个,一大一小,大的叫 High,小的叫 Low,实际上两者相加后,与原始 Cartesian3 几乎是一致的。

可以这么创建编码后的笛卡尔坐标:

const eCartesian3 = Cesium.EncodedCartesian3.fromCartesian(new Cesium.Cartesian3(-2644963.9889313546, 5763731.142118295, 2199400.7089496767))

还原也很简单:

const origin = Cesium.Cartesian3.add(eCartesian3.high, eCartesian3.low)

具体算法很简单,读者有兴趣可以自己去看源码。

现在,我们继续原来的讨论。

把 glsl 的代码稍微整理一下,不难看出其实是这样算的:

return vec4(high + low - (czm_encodedCameraPositionMCHigh + czm_encodedCameraPositionMCLow), 1.0);

而前面的 high + low,根据刚才的理论,即传入的两个 attribute vec3 的相加,也就是原始世界坐标。

后面的 czm_encodedCameraPositionMCHigh + czm_encodedCameraPositionMCLow,这两个并不是静态的内置变量,而是写在 AutomaticUniforms.js 中的一个动态 uniform vec3 值,它俩其实也是 EncodedCartesian3 的 high、low 分量,相加的结果,根据上面的结论,代表的是相机在世界坐标系统中的坐标。

世界坐标 - 相机中心坐标,这是什么?平移啊!

这就解释了 czm_translateRelativeToEye 这个函数名的语义了。

3. czm_modelViewProjectionRelativeToEye

这是一个动态的 uniform,写在 AutomaticUniforms.js 中,看看代码:

czm_modelViewProjectionRelativeToEye: new AutomaticUniform({
  size: 1,
  datatype: WebGLConstants.FLOAT_MAT4,
  getValue: function (uniformState) {
    return uniformState.modelViewProjectionRelativeToEye;
  },
}),

它是个4x4的矩阵,作用是将相机坐标转换至裁剪坐标。

所以不难得出顶点着色器的最后一行代码含义:

gl_Position = czm_modelViewProjectionRelativeToEye * p;

它就是把 p 这个由 czm_computePosition 而实际是由 czm_translateRelativeToEye 函数(三维模式下)算来的齐次坐标,转换到裁剪坐标,并交给 gl_Position 这个 WebGL 变量,进入片元着色阶段。

4. AutomaticUniforms.js

上面提及两次这个文件,这个文件的设置了一堆 glsl uniform 标识的 glsl 量,这些量会根据 Cesium 当前的状态(例如相机位置等)实时计算,并传入着色器代码中。

5. 顶点着色器修改

有了上述基础,想修改 Primitive 的顶点就十分容易了,最简单的思路是,根据 position3DHighposition3DLow 算出原始的世界坐标,这个时候就跟 Cesium Cartesian3 API 是一样的数值了,充分利用 cesium 提供的预置 glsl 工具函数、常量、结构体,按常规思路去计算你想要的结果,就可以完成对顶点的重塑。

而 “地形压平”、“3DTiles 瓦片压平” 的思路就是基于此,但是,找到地形的 Primitive、3DTiles 的 Primitive,还有很长一段路要走,譬如 Cesium 对数据的跟新机制、渲染循环机制、视锥体与绘制命令的机制的熟读等等知识。

posted @ 2020-12-16 01:41  四季留歌  阅读(919)  评论(2编辑  收藏  举报