Cesium原理篇：6 Render模块(5: VAO&RenderState&Command)

VAO

       VAO（Vertext Array Object），中文是顶点数组对象。之前在《Buffer》一文中，我们介绍了Cesium如何创建VBO的过程，而VAO可以简单的认为是基于VBO的一个封装，为顶点属性数组和VBO中的顶点数据之间建立了关联。我们来看一下使用示例：

var indexBuffer = Buffer.createIndexBuffer({
    context : context,
    typedArray : indices,
    usage : BufferUsage.STATIC_DRAW,
    indexDatatype : indexDatatype
});

var buffer = Buffer.createVertexBuffer({
    context : context,
    typedArray : typedArray,
    usage : BufferUsage.STATIC_DRAW
});

// 属性数组，当前是顶点数据z
// 因此，该属性有3个分量XYZ
// 值类型为float，4个字节
// 因此总共占3 *４= 12字节
attributes.push({
    index : 0,
    vertexBuffer : buffer,
    componentsPerAttribute : 3,
    componentDatatype : ComponentDatatype.FLOAT,
    offsetInBytes : 0,
    strideInBytes : 3 * 4,
    normalize : false
});
// 根据属性数组和顶点索引构建VAO
var va = new VertexArray({
    context : context,
    attributes : attributes,
    indexBuffer : indexBuffer
});

       如同，创建顶点数据和顶点索引的部分之前已经讲过，然后将顶点数据添加到属性数组中，并最终构建成VAO，使用方式很简单。

function VertexArray(options) {
    var vao;
    // 创建VAO
    if (context.vertexArrayObject) {
        vao = context.glCreateVertexArray();
        context.glBindVertexArray(vao);
        bind(gl, vaAttributes, indexBuffer);
        context.glBindVertexArray(null);
    }

}

function bind(gl, attributes, indexBuffer) {
    for ( var i = 0; i < attributes.length; ++i) {
        var attribute = attributes[i];
        if (attribute.enabled) {
            // 绑定顶点属性
            attribute.vertexAttrib(gl);
        }
    }

    if (defined(indexBuffer)) {
        // 绑定顶点索引
        gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer._getBuffer());
    }
}

attr.vertexAttrib = function(gl) {
    var index = this.index;
    // 之前通过Buffer创建的顶点数据_getBuffer
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, this.vertexBuffer._getBuffer());
    // 根据Attribute中的属性值来设置如下参数
    gl.vertexAttribPointer(index, this.componentsPerAttribute, this.componentDatatype, this.normalize, this.strideInBytes, this.offsetInBytes);
    gl.enableVertexAttribArray(index);
    if (this.instanceDivisor > 0) {
        context.glVertexAttribDivisor(index, this.instanceDivisor);
        context._vertexAttribDivisors[index] = this.instanceDivisor;
        context._previousDrawInstanced = true;
    }
};

RenderState

       指定DrawCommand的渲染状态，比如剔除，多边形偏移，深度检测等，通过RenderState统一管理：

function RenderState(renderState) {
    var rs = defaultValue(renderState, {});
    var cull = defaultValue(rs.cull, {});
    var polygonOffset = defaultValue(rs.polygonOffset, {});
    var scissorTest = defaultValue(rs.scissorTest, {});
    var scissorTestRectangle = defaultValue(scissorTest.rectangle, {});
    var depthRange = defaultValue(rs.depthRange, {});
    var depthTest = defaultValue(rs.depthTest, {});
    var colorMask = defaultValue(rs.colorMask, {});
    var blending = defaultValue(rs.blending, {});
    var blendingColor = defaultValue(blending.color, {});
    var stencilTest = defaultValue(rs.stencilTest, {});
    var stencilTestFrontOperation = defaultValue(stencilTest.frontOperation, {});
    var stencilTestBackOperation = defaultValue(stencilTest.backOperation, {});
    var sampleCoverage = defaultValue(rs.sampleCoverage, {});
}

Drawcommand

       前面我们讲了VBO/VAO，Texture，Shader以及FBO，终于万事俱备只欠东风了，当我们一切准备就绪，剩下的就是一个字：干。Cesium中提供了三类Command：DrawCommand、ClearCommand以及ComputeCommand。我们先详细的讲DrawCommand，同时也是最常用的。

var colorCommand = new DrawCommand({
    owner : primitive,
    // TRIANGLES
    primitiveType : primitive._primitiveType
});

colorCommand.vertexArray = primitive._va;
colorCommand.renderState = primitive._rs;
colorCommand.shaderProgram = primitive._sp;
colorCommand.uniformMap = primitive._uniformMap;
colorCommand.pass = pass;

      如上是DrawCommand的创建方式，这里只有两个新的知识点，一个是owner属性，记录该DrawCommand是谁的菜，另外一个是pass属性。这是渲染队列的优先级控制。目前，Pass的枚举如下，具体内容下面后涉及：

var Pass = {
    ENVIRONMENT : 0,
    COMPUTE : 1,
    GLOBE : 2,
    GROUND : 3,
    OPAQUE : 4,
    TRANSLUCENT : 5,
    OVERLAY : 6,
    NUMBER_OF_PASSES : 7
};

       创建完的DrawCommand会通过update函数，加载到frameState的commandlist队列中，比如Primitive中update加载drawcommand的伪代码：

Primitive.prototype.update = function(frameState) {
    var commandList = frameState.commandList;
    var passes = frameState.passes;
    if (passes.render) {
    
        var colorCommand = colorCommands[j];
        commandList.push(colorCommand);
    }

    if (passes.pick) {
        var pickLength = pickCommands.length;
        var pickCommand = pickCommands[k];
        commandList.push(pickCommand);
    }
}

       进入队列后就开始听从安排，随时准备上前线（渲染）。Scene会先对所有的commandlist会排序，Pass值越小优先渲染，通过Pass的枚举可以看到最后渲染的是透明的和overlay：

function createPotentiallyVisibleSet(scene) {
    for (var i = 0; i < length; ++i) {
        var command = commandList[i];
        var pass = command.pass;

        // 优先computecommand，通过GPU计算
        if (pass === Pass.COMPUTE) {
            computeList.push(command);
        } 
        // overlay最后渲染
        else if (pass === Pass.OVERLAY) {
            overlayList.push(command);
        } 
        // 其他command
        else {
            var frustumCommandsList = scene._frustumCommandsList;
            var length = frustumCommandsList.length;

            for (var i = 0; i < length; ++i) {
                var frustumCommands = frustumCommandsList[i];
                frustumCommands.commands[pass][index] = command; 
            }
        }
    }
}

       根据渲染优先级排序后，会先渲染环境相关的command，比如skybox，大气层等，接着，开始渲染其他command：

function executeCommands(scene, passState) {
    // 地球
    var commands = frustumCommands.commands[Pass.GLOBE];
    var length = frustumCommands.indices[Pass.GLOBE];
    for (var j = 0; j < length; ++j) {
        executeCommand(commands[j], scene, context, passState);
    }

    // 球面
    us.updatePass(Pass.GROUND);
    commands = frustumCommands.commands[Pass.GROUND];
    length = frustumCommands.indices[Pass.GROUND];
    for (j = 0; j < length; ++j) {
        executeCommand(commands[j], scene, context, passState);
    }
    
    // 其他非透明的
    var startPass = Pass.GROUND + 1;
    var endPass = Pass.TRANSLUCENT;
    for (var pass = startPass; pass < endPass; ++pass) {
        us.updatePass(pass);
        commands = frustumCommands.commands[pass];
        length = frustumCommands.indices[pass];
        for (j = 0; j < length; ++j) {
            executeCommand(commands[j], scene, context, passState);
        }
    }

    // 透明的
    us.updatePass(Pass.TRANSLUCENT);
    commands = frustumCommands.commands[Pass.TRANSLUCENT];
    commands.length = frustumCommands.indices[Pass.TRANSLUCENT];
    executeTranslucentCommands(scene, executeCommand, passState, commands);    
    
    // 后面在渲染Overlay
｝

       接着，就是对每一个DrawCommand的渲染，也就是把之前VAO，Texture等等渲染到FBO的过程，这一块Cesium也封装的比较好，有兴趣的可以看详细代码，这里只讲一个逻辑，太困了。。。

DrawCommand.prototype.execute = function(context, passState) {
    // Contex开始渲染
    context.draw(this, passState);
};

Context.prototype.draw = function(drawCommand, passState) {
    passState = defaultValue(passState, this._defaultPassState);
    var framebuffer = defaultValue(drawCommand._framebuffer, passState.framebuffer);

    // 准备工作
    beginDraw(this, framebuffer, drawCommand, passState);
    // 开始渲染
    continueDraw(this, drawCommand);
};

function beginDraw(context, framebuffer, drawCommand, passState) {
    var rs = defaultValue(drawCommand._renderState, context._defaultRenderState);
    // 绑定FBO
    bindFramebuffer(context, framebuffer);
    // 设置渲染状态 
    applyRenderState(context, rs, passState, false);

    // 设置ShaderProgram
    var sp = drawCommand._shaderProgram;
    sp._bind();
}

function continueDraw(context, drawCommand) {
    // 渲染参数
    var primitiveType = drawCommand._primitiveType;
    var va = drawCommand._vertexArray;
    var offset = drawCommand._offset;
    var count = drawCommand._count;
    var instanceCount = drawCommand.instanceCount;

    // 设置Shader中的参数
    drawCommand._shaderProgram._setUniforms(drawCommand._uniformMap, context._us, context.validateShaderProgram);

    // 绑定VAO数据
    va._bind();
    var indexBuffer = va.indexBuffer;

    // 渲染
    if (defined(indexBuffer)) {
        offset = offset * indexBuffer.bytesPerIndex; // offset in vertices to offset in bytes
        count = defaultValue(count, indexBuffer.numberOfIndices);
        if (instanceCount === 0) {
            context._gl.drawElements(primitiveType, count, indexBuffer.indexDatatype, offset);
        } else {
            context.glDrawElementsInstanced(primitiveType, count, indexBuffer.indexDatatype, offset, instanceCount);
        }
    }

    va._unBind();
}

ClearCommand

       ClearCommand用于清空缓冲区的内容，包括颜色，深度和模板。用户在创建的时候，指定清空的颜色值等属性：

function Scene(options) {
    // Scene在构造函数中创建了clearCommand
    this._clearColorCommand = new ClearCommand({
        color : new Color(),
        stencil : 0,
        owner : this
    });
}

       然后在渲染中更新队列执行清空指令：

function updateAndClearFramebuffers(scene, passState, clearColor, picking) {
    var clear = scene._clearColorCommand;
    // 设置想要清空的颜色值，默认为（1,0,0,0,）
    Color.clone(clearColor, clear.color);
    // 通过execute方法，清空当前FBO对应的帧缓冲区
    clear.execute(context, passState);
}

       然后，会根据你设置的颜色，深度，模板值来清空对应的帧缓冲区，代码好多啊，但很容易理解：

Context.prototype.clear = function(clearCommand, passState) {
    clearCommand = defaultValue(clearCommand, defaultClearCommand);
    passState = defaultValue(passState, this._defaultPassState);

    var gl = this._gl;
    var bitmask = 0;

    var c = clearCommand.color;
    var d = clearCommand.depth;
    var s = clearCommand.stencil;

    if (defined(c)) {
        if (!Color.equals(this._clearColor, c)) {
            Color.clone(c, this._clearColor);
            gl.clearColor(c.red, c.green, c.blue, c.alpha);
        }
        bitmask |= gl.COLOR_BUFFER_BIT;
    }

    if (defined(d)) {
        if (d !== this._clearDepth) {
            this._clearDepth = d;
            gl.clearDepth(d);
        }
        bitmask |= gl.DEPTH_BUFFER_BIT;
    }

    if (defined(s)) {
        if (s !== this._clearStencil) {
            this._clearStencil = s;
            gl.clearStencil(s);
        }
        bitmask |= gl.STENCIL_BUFFER_BIT;
    }

    var rs = defaultValue(clearCommand.renderState, this._defaultRenderState);
    applyRenderState(this, rs, passState, true);

    var framebuffer = defaultValue(clearCommand.framebuffer, passState.framebuffer);
    bindFramebuffer(this, framebuffer);

    gl.clear(bitmask);
};

ComputeCommand

       ComputeCommand需要配合ComputeEngine一起使用，可以认为是一个特殊的DrawCommand，它不是为了渲染，而是通过渲染机制，实现GPU的计算，通过Shader计算结果保存到纹理传出的一个过程，实现在Web前端高效的处理大量的数值计算，下面，我们通过学习之前ImageryLayer中对墨卡托影像切片动态投影的过程来了解该过程。

       首先，创建一个ComputeCommand，定义这个计算过程前需要准备的内容，以及计算后对计算结果如何处理：

var computeCommand = new ComputeCommand({
    persists : true,
    owner : this,
    // 执行前计算一下当前网格中插值点经纬度和墨卡托
    // 并构建相关的参数，比如GLSL中的计算逻辑
    // 传入的参数，包括attribute和uniform等
    preExecute : function(command) {
        reprojectToGeographic(command, context, texture, imagery.rectangle);
    },
    // 执行后的结果保存在outputTexture
    postExecute : function(outputTexture) {
        texture.destroy();
        imagery.texture = outputTexture;
        finalizeReprojectTexture(that, context, imagery, outputTexture);
        imagery.releaseReference();
    }
});

       还记得Pass中的Compute枚举吧，放在第一位，每次Scene.update时，发现有ComputeCommand都会优先计算，这个逻辑和DrawCommand一样，都会在update中push到commandlist中，比如在ImageryLayer中，则是在

queueReprojectionCommands方法完成的，而具体的执行也和DrawCommand比较相似，稍微有一些特殊和针对的部分，具体代码如下：

ComputeCommand.prototype.execute = function(computeEngine) {
    computeEngine.execute(this);
};

ComputeEngine.prototype.execute = function(computeCommand) {
    if (defined(computeCommand.preExecute)) {
        // Ready?
        computeCommand.preExecute(computeCommand);
    }
        
    var outputTexture = computeCommand.outputTexture;
    var width = outputTexture.width;
    var height = outputTexture.height;

    // ComputeEngine是一个全局类，在Scene中可以获取
    // 内部有一个Drawcommand
    // 把ComputeCommand中的参数赋给DrawCommand
    var drawCommand = drawCommandScratch;
    drawCommand.vertexArray = vertexArray;
    drawCommand.renderState = renderState;
    drawCommand.shaderProgram = shaderProgram;
    drawCommand.uniformMap = uniformMap;
    drawCommand.framebuffer = framebuffer;
    // Go!
    drawCommand.execute(context);

    if (defined(computeCommand.postExecute)) {
        // Over~
        computeCommand.postExecute(outputTexture);
    }
};

总结

       Renderer系列告一段落，并没有涉及很多WebGL的语法层面，主要希望大家能对各个模块的作用有一个了解，并在这个了解的基础上，学习一下Cesium对WebGL渲染引擎的封装技巧。通过这一系列，个人很佩服Cesium的开发人员对OpenGL渲染引擎的理解，在完成这一系列的过程中，个人受益匪浅，也希望能对各位起到一个分享和帮助。

       基于功能的面向函数的接口，封装成基于状态管理的面向对象的封装，方便了我们的使用和管理。但从中我们还是可以看到，WebGL在某些方面的薄弱，比如实例化和FBO的部分功能需要在WebGL2.0的规范下才支持，当然对此，我表示乐观，我感受到了WebGL标准化的快速发展。

       另外，我也想到了用Three.js封装Cesium渲染引擎的可能，当然我对Three.js不了解，但随着不断学习Cesium。Renderer，我个人并不喜欢这个想法。我觉得在设计和封装上，Renderer已经很不错了，我们可以借鉴Three.js在功能和易用性上的特点，强化Cesium，而不是全盘否定重新造轮子。而且并不能因为点上的优势而进行面上的推倒，如果对这两个引擎都不了解，最好还是埋头学习少一点高谈阔论。基本功是顿悟不出来的。