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這篇文章主要介紹“CesiumJS源碼分析”的相關(guān)知識(shí),小編通過實(shí)際案例向大家展示操作過程,操作方法簡(jiǎn)單快捷,實(shí)用性強(qiáng),希望這篇“CesiumJS源碼分析”文章能幫助大家解決問題。
CesiumJS 支持的光的類型比較少,默認(rèn)場(chǎng)景光就一個(gè)太陽光:
// Scene 類構(gòu)造函數(shù)中 this.light = new SunLight();
從上面這代碼可知,CesiumJS 目前場(chǎng)景中只支持加入一個(gè)光源。
查閱 API,可得知除了 SubLight
之外,還有一個(gè) DirectionalLight
,即方向光。
官方示例代碼《Lighting》中就使用了方向光來模擬手電筒效果(flashLight)、月光效果(moonLight)、自定義光效果。
方向光比太陽光多出來一個(gè)必選的方向?qū)傩裕?/p>
const flashLight = new DirectionalLight({ direction: scene.camera.directionWC // 每幀都不一樣,手電筒一直沿著相機(jī)視線照射 })
這個(gè) direction
屬性是一個(gè)單位向量即可(模長(zhǎng)是 1)。
說起來歸一化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化好像都能在網(wǎng)上找到與單位向量類似的意思,都是向量除以模長(zhǎng)。
可見,CesiumJS 并沒有內(nèi)置點(diǎn)光源、聚光燈,需要自己寫著色過程(請(qǐng)參考 Primitive API 或 CustomShader API)。
既然 CesiumJS 支持的光只有一個(gè),那么調(diào)查起來就簡(jiǎn)單了。先給結(jié)論:
光是作為 Uniform 值傳遞到著色器中的。 先查清楚光是如何從 Scene.light
轉(zhuǎn)至 Renderer 中的 uniform 的。
在 Scene 渲染一幀的過程中,幾乎就在最頂部,Scene.js
模塊內(nèi)的函數(shù) render
就每幀更新著 Context
對(duì)象的 uniformState
屬性:
function render(scene) { const frameState = scene._frameState; const context = scene.context; const us = context.uniformState; // ... us.update(frameState); // ... }
這個(gè) uniformState
對(duì)象就是 CesiumJS 絕大多數(shù)統(tǒng)一值(Uniform)的封裝集合,它的更新方法就會(huì)更新來自幀狀態(tài)對(duì)象(FrameState
)的光參數(shù):
UniformState.prototype.update = function (frameState) { // ... const light = defaultValue(frameState.light, defaultLight); if (light instanceof SunLight) { /**/ } else { /**/ } const lightColor = light.color; // 計(jì)算 HDR 光到 this._lightColor 上 // ... }
那么,這個(gè)掛在 Context
上的 uniformState 對(duì)象包含的光狀態(tài)信息,是什么時(shí)候被使用的呢?下一小節(jié) 2.2 就會(huì)介紹。
在 Scene 的更新過程中,最后 DrawCommand
對(duì)象被 Context
對(duì)象執(zhí)行:
function continueDraw(context, drawCommand, shaderProgram, uniformMap) { // ... shaderProgram._setUniforms( uniformMap, context._us, context.validateShaderProgram ) // ... } Context.prototype.draw = function (/* ... */) { // ... shaderProgram = defaultValue(shaderProgram, drawCommand._shaderProgram); uniformMap = defaultValue(uniformMap, drawCommand._uniformMap); beginDraw(this, framebuffer, passState, shaderProgram, renderState); continueDraw(this, drawCommand, shaderProgram, uniformMap); }
就在 continueDraw
函數(shù)中,調(diào)用了 ShaderProgram
對(duì)象的 _setUniforms
方法,所有 Uniform 值在此將傳入 WebGL 狀態(tài)機(jī)中。
ShaderProgram.prototype._setUniforms = function (/**/) { // ... const uniforms = this._uniforms; len = uniforms.length; for (i = 0; i < len; ++i) { uniforms[i].set(); } // ... }
而這每一個(gè) uniforms[i]
,都是一個(gè)沒有公開在 API 文檔中的私有類,也就是接下來 2.3 小節(jié)中要介紹的 WebGL Uniform 值封裝對(duì)象。
進(jìn)入 createUniforms.js
模塊:
// createUniforms.js UniformFloat.prototype.set = function () { /* ... */ } UniformFloatVec2.prototype.set = function () { /* ... */ } UniformFloatVec3.prototype.set = function () { /* ... */ } UniformFloatVec4.prototype.set = function () { /* ... */ } UniformSampler.prototype.set = function () { /* ... */ } UniformInt.prototype.set = function () { /* ... */ } UniformIntVec2.prototype.set = function () { /* ... */ } UniformIntVec3.prototype.set = function () { /* ... */ } UniformIntVec4.prototype.set = function () { /* ... */ } UniformMat2.prototype.set = function () { /* ... */ } UniformMat3.prototype.set = function () { /* ... */ } UniformMat4.prototype.set = function () { /* ... */ }
可以說把 WebGL uniform 的類型都封裝了一個(gè)私有類。
以表示光方向的 UniformFloatVec3
類為例,看看它的 WebGL 調(diào)用:
function UniformFloatVec3(gl, activeUniform, uniformName, location) { this.name = uniformName this.value = undefined this._value = undefined this._gl = gl this._location = location } UniformFloatVec3.prototype.set = function () { const v = this.value if (defined(v.red)) { if (!Color.equals(v, this._value)) { this._value = Color.clone(v, this._value) this._gl.uniform3f(this._location, v.red, v.green, v.blue) } } else if (defined(v.x)) { if (!Cartesian3.equals(v, this._value)) { this._value = Cartesian3.clone(v, this._value) this._gl.uniform3f(this._location, v.x, v.y, v.z) } } else { throw new DeveloperError(`Invalid vec3 value for uniform "${this.name}".`); } }
在 2.2 小節(jié)中有一個(gè)細(xì)節(jié)沒有詳細(xì)說明,即 ShaderProgram
的 _setUniforms
方法中為什么可以直接調(diào)用每一個(gè) uniforms[i]
的 set()
?
回顧一下:
Scene.js
的 render
函數(shù)內(nèi),光的信息被 us.update(frameState)
更新至 UniformState
對(duì)象中;
ShaderProgram
的 _setUniforms
方法,調(diào)用 uniforms[i].set()
方法, 更新每一個(gè)私有 Uniform 對(duì)象上的值到 WebGL 狀態(tài)機(jī)中
是不是缺少了點(diǎn)什么?
是的,UniformState 的值是如何賦予給 uniforms[i] 的?
這就不得不提及 ShaderProgram.js
模塊中為當(dāng)前著色器對(duì)象的 Uniform 分類過程了,查找模塊中的 reinitialize
函數(shù):
function reinitialize(shader) { // ... const uniforms = findUniforms(gl, program) const partitionedUniforms = partitionUniforms( shader, uniforms.uniformsByName ) // ... shader._uniformsByName = uniforms.uniformsByName shader._uniforms = uniforms.uniform shader._automaticUniforms = partitionedUniforms.automaticUniforms shader._manualUniforms = partitionedUniforms.manualUniforms // ... }
它把著色器對(duì)象上的 Uniform 全部找了出來,并分類為:
_uniformsByName
- 一個(gè)字典對(duì)象,鍵名是著色器中 uniform 的變量名,值是 Uniform 的封裝對(duì)象,例如 UniformFloatVec3
等
_uniforms
- 一個(gè)數(shù)組,每個(gè)元素都是 Uniform 的封裝對(duì)象,例如 UniformFloatVec3
等,若同名,則與 _uniformsByName
中的值是同一個(gè)引用
_manualUniforms
- 一個(gè)數(shù)組,每個(gè)元素都是 Uniform 的封裝對(duì)象,例如 UniformFloatVec3
等,若同名,則與 _uniformsByName
中的值是同一個(gè)引用
_automaticUniforms
- 一個(gè)數(shù)組,每個(gè)元素是一個(gè) object 對(duì)象,表示要 CesiumJS 自動(dòng)更新的 Uniform 的映射關(guān)聯(lián)關(guān)系
舉例,_automaticUniforms[i]
用 TypeScript 來描述,是這么一個(gè)對(duì)象:
type AutomaticUniformElement = { automaticUniform: AutomaticUniform uniform: UniformFloatVec3 }
而這個(gè) _automaticUniforms
就擁有自動(dòng)更新 CesiumJS 內(nèi)部狀態(tài)的 Uniform 值的功能,例如我們所需的光狀態(tài)信息。
來看 AutomaticUniforms.js
模塊的默認(rèn)導(dǎo)出對(duì)象:
// AutomaticUniforms.js const AutomaticUniforms = { // ... czm_sunDirectionEC: new AutomaticUniform({ /**/ }), czm_sunDirectionWC: new AutomaticUniform({ /**/ }), czm_lightDirectionEC: new AutomaticUniform({ /**/ }), czm_lightDirectionWC: new AutomaticUniform({ /**/ }), czm_lightColor: new AutomaticUniform({ size: 1, datatype: WebGLConstants.FLOAT_VEC3, getValue: function (uniformState) { return uniformState.lightColor; }, }), czm_lightColorHdr: new AutomaticUniform({ /**/ }), // ... } export default AutomaticUniforms
所以,在 ShaderProgram.prototype._setUniforms
執(zhí)行的時(shí)候,其實(shí)是對(duì)自動(dòng)統(tǒng)一值有一個(gè)賦值的過程,然后才到各個(gè) uniforms[i]
的 set()
過程:
ShaderProgram.prototype._setUniforms = function ( uniformMap, uniformState, validate ) { let len; let i; // ... const automaticUniforms = this._automaticUniforms; len = automaticUniforms.length; for (i = 0; i < len; ++i) { const au = automaticUniforms[i]; au.uniform.value = au.automaticUniform.getValue(uniformState); } // 譯者注:au.uniform 實(shí)際上也在 this._uniforms 中 // 是同一個(gè)引用在不同的位置,所以上面調(diào)用 au.automaticUniform.getValue // 之后,下面 uniforms[i].set() 就會(huì)使用的是 “自動(dòng)更新” 的 uniform 值 const uniforms = this._uniforms; len = uniforms.length; for (i = 0; i < len; ++i) { uniforms[i].set(); } // ... }
也許這個(gè)過程有些亂七八糟,那就再簡(jiǎn)單梳理一次:
Scene 的 render 過程中,更新了 uniformState
Context 執(zhí)行 DrawCommand 過程中,ShaderProgram 的 _setUniforms 執(zhí)行所有 uniforms 的 WebGL 設(shè)置,這其中就會(huì)對(duì) CesiumJS 內(nèi)部不需要手動(dòng)更新的 Uniform 狀態(tài)信息進(jìn)行自動(dòng)刷新
而在 ShaderProgram 綁定前,早就會(huì)把這個(gè)著色器中的 uniform 進(jìn)行分組,一組是常規(guī)的 uniform 值,另一組則是需要根據(jù) AutomaticUniform(自動(dòng)統(tǒng)一值)更新的 uniform 值
說到底,光狀態(tài)信息也不過是一種 Uniform,在最原始的 WebGL 學(xué)習(xí)教材中也是如此,只不過 CesiumJS 是一個(gè)更復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)器,需要更多邏輯劃分就是了。
上面介紹完光的類型、在 CesiumJS 源碼中如何轉(zhuǎn)化成 Uniform 并刷入 WebGL,那么這一節(jié)就簡(jiǎn)單看看光的狀態(tài) Uniform 在著色器代碼中都有哪些使用之處。
PointCloud.js 使用了 czm_lightColor
。
找到 createShaders
函數(shù)下面這個(gè)分支:
// Version 1.104 function createShaders(pointCloud, frameState, style) { // ... if (usesNormals && normalShading) { vs += " float diffuseStrength = czm_getLambertDiffuse(czm_lightDirectionEC, normalEC); \n" + " diffuseStrength = max(diffuseStrength, 0.4); \n" + // Apply some ambient lighting " color.xyz *= diffuseStrength * czm_lightColor; \n"; } // ... }
顯然,這段代碼在拼湊頂點(diǎn)著色器代碼,在 1.104 版本官方并沒有改變這種拼接著色器代碼的模式。
著色代碼的含義也很簡(jiǎn)單,將漫反射強(qiáng)度值乘上 czm_lightColor
,把結(jié)果交給 color
的 xyz 分量。漫反射強(qiáng)度在這里限制了最大值 0.4。
漫反射強(qiáng)度來自內(nèi)置 GLSL 函數(shù) czm_getLambertDiffuse
(參考 packages/engine/Source/Shaders/Builtin/Functions/getLambertDiffuse.glsl
)
Primitive API 材質(zhì)對(duì)象的默認(rèn)著色方法是 馮氏著色法(Phong),這個(gè)在 LearnOpenGL
網(wǎng)站上有詳細(xì)介紹。
調(diào)用鏈:
MaterialAppearance.js ┗ TexturedMaterialAppearanceFS.js ← TexturedMaterialAppearanceFS.glsl ┗ phong.glsl → vec4 czm_phong()
除了 TexturedMaterialAppearanceFS
外,MaterialAppearance.js
還用了 BasicMaterialAppearanceFS
、AllMaterialAppearanceFS
兩個(gè)片元著色器,這倆也用到了 czm_phong
函數(shù)。
看看 czm_phong
函數(shù)本體:
// phong.glsl vec4 czm_phong(vec3 toEye, czm_material material, vec3 lightDirectionEC) { // Diffuse from directional light sources at eye (for top-down) float diffuse = czm_private_getLambertDiffuseOfMaterial(vec3(0.0, 0.0, 1.0), material); if (czm_sceneMode == czm_sceneMode3D) { // (and horizon views in 3D) diffuse += czm_private_getLambertDiffuseOfMaterial(vec3(0.0, 1.0, 0.0), material); } float specular = czm_private_getSpecularOfMaterial(lightDirectionEC, toEye, material); // Temporary workaround for adding ambient. vec3 materialDiffuse = material.diffuse * 0.5; vec3 ambient = materialDiffuse; vec3 color = ambient + material.emission; color += materialDiffuse * diffuse * czm_lightColor; color += material.specular * specular * czm_lightColor; return vec4(color, material.alpha); }
函數(shù)內(nèi)前面的計(jì)算步驟是獲取漫反射、高光值,走的是輔助函數(shù),在這個(gè)文件內(nèi)也能看到。
最后燈光 czm_lightColor
和材質(zhì)的漫反射、蘭伯特漫反射、材質(zhì)輝光等因子一起相乘累加,得到最終的顏色值。
除了 phong.glsl
外,參與半透明計(jì)算的 czm_translucentPhong
函數(shù)(在 translucentPhong.glsl
文件中)在 OIT.js 模塊中用于替換 czm_phong
函數(shù)。
在 Globe.js
中使用的 GlobeFS
片元著色器代碼中使用到了 czm_lightColor
,主要是 main
函數(shù)中:
void main() { // ... #ifdef ENABLE_VERTEX_LIGHTING float diffuseIntensity = clamp(czm_getLambertDiffuse(czm_lightDirectionEC, normalize(v_normalEC)) * u_lambertDiffuseMultiplier + u_vertexShadowDarkness, 0.0, 1.0); vec4 finalColor = vec4(color.rgb * czm_lightColor * diffuseIntensity, color.a); #elif defined(ENABLE_DAYNIGHT_SHADING) float diffuseIntensity = clamp(czm_getLambertDiffuse(czm_lightDirectionEC, normalEC) * 5.0 + 0.3, 0.0, 1.0); diffuseIntensity = mix(1.0, diffuseIntensity, fade); vec4 finalColor = vec4(color.rgb * czm_lightColor * diffuseIntensity, color.a); #else vec4 finalColor = color; #endif // ... }
同樣是先獲取蘭伯特漫反射值(使用 clamp
函數(shù)釘死在 [0, 1] 區(qū)間內(nèi)),然后將顏色、czm_lightColor
、漫反射值和透明度一起計(jì)算出 finalColor
,把最終顏色值交給下一步計(jì)算。
這里區(qū)分了兩個(gè)宏分支,受 TerrainProvider
影響,有興趣可以追一下 GlobeSurfaceTileProvider.js
模塊中 addDrawCommandsForTile
函數(shù)中 hasVertexNormals
參數(shù)的獲取。
在 1.97 大改的 Model API
中,PBR 著色法使用了 czm_lightColorHdr
變量。czm_lightColorHdr
也是自動(dòng)統(tǒng)一值(AutomaticUniforms)的一個(gè)。
在 Model 的更新過程中,有一個(gè) buildDrawCommands
的步驟,其中有一個(gè)函數(shù) ModelRuntimePrimitive.prototype.configurePipeline
會(huì)增減 ModelRuntimePrimitive
上的著色階段:
ModelRuntimePrimitive.prototype.configurePipeline = function (frameState) { // ... pipelineStages.push(LightingPipelineStage); // ... }
上面是其中一個(gè)階段 —— LightingPipelineStage
,最后在 ModelSceneGraph.prototype.buildDrawCommands
方法內(nèi)會(huì)調(diào)用每一個(gè) stage 的 process
方法,調(diào)用 shaderBuilder 構(gòu)建出著色器對(duì)象所需的材料,進(jìn)而構(gòu)建出著色器對(duì)象。過程比較復(fù)雜,直接看其中 LightingPipelineStage.glsl
提供的階段函數(shù):
void lightingStage(inout czm_modelMaterial material, ProcessedAttributes attributes) { // Even though the lighting will only set the diffuse color, // pass all other properties so further stages have access to them. vec3 color = vec3(0.0); #ifdef LIGHTING_PBR color = computePbrLighting(material, attributes); #else // unlit color = material.diffuse; #endif #ifdef HAS_POINT_CLOUD_COLOR_STYLE // The colors resulting from point cloud styles are adjusted differently. color = czm_gammaCorrect(color); #elif !defined(HDR) // If HDR is not enabled, the frame buffer stores sRGB colors rather than // linear colors so the linear value must be converted. color = czm_linearToSrgb(color); #endif material.diffuse = color; }
進(jìn)入 computePbrLighting
函數(shù)(同一個(gè)文件內(nèi)):
#ifdef LIGHTING_PBR vec3 computePbrLighting(czm_modelMaterial inputMaterial, ProcessedAttributes attributes) { // ... #ifdef USE_CUSTOM_LIGHT_COLOR vec3 lightColorHdr = model_lightColorHdr; #else vec3 lightColorHdr = czm_lightColorHdr; #endif vec3 color = inputMaterial.diffuse; #ifdef HAS_NORMALS color = czm_pbrLighting( attributes.positionEC, inputMaterial.normalEC, czm_lightDirectionEC, lightColorHdr, pbrParameters ); #ifdef USE_IBL_LIGHTING color += imageBasedLightingStage( attributes.positionEC, inputMaterial.normalEC, czm_lightDirectionEC, lightColorHdr, pbrParameters ); #endif #endif // ... } #endif
故,存在 USE_CUSTOM_LIGHT_COLOR
宏時(shí)才會(huì)使用 czm_lightColorHdr
變量作為燈光顏色,參與函數(shù) czm_pbrLighting
計(jì)算出顏色值。
關(guān)于“CesiumJS源碼分析”的內(nèi)容就介紹到這里了,感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識(shí),可以關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道,小編每天都會(huì)為大家更新不同的知識(shí)點(diǎn)。
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