Cesium渲染模块之Buffer

1. 引言

Cesium是一款三维地球和地图可视化开源JavaScript库，使用WebGL来进行硬件加速图形，使用时不需要任何插件支持，基于Apache2.0许可的开源程序，可以免费用于商业和非商业用途

Cesium官网：Cesium: The Platform for 3D Geospatial

Cesium GitHub站点：CesiumGS/cesium: An open-source JavaScript library for world-class 3D globes and maps (github.com)

API文档：Index - Cesium Documentation

通过阅读源码，理清代码逻辑，有助于扩展与开发，笔者主要参考了以下两个系列的文章

• Cesium教程系列汇总 - fu*k - 博客园 (cnblogs.com)
• 开源GIS/Cesium源码 - 随笔分类 - 四季留歌 - 博客园 (cnblogs.com)

渲染是前端可视化的核心，本文描述Cesium渲染模块的Buffer

2. WebGL中的Buffer

以下大致是一个最简的WebGL绘制代码：

<canvas id="canvas"></canvas>
<script>
    const vertexSource = `
                attribute vec3 aPos;

                void main()
                {
                    gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);
                }
              `
    const fragmentSource = `
                void main()
                {
                    gl_FragColor = vec4(1.0, 0.5, 0.2, 1.0);
                }
              `
    const canvas = document.getElementById('canvas');
    canvas.width = canvas.clientWidth;
    canvas.height = canvas.clientHeight;
    const gl = canvas.getContext('webgl2');
    if (!gl) {
        alert('WebGL not supported');
    }

    const vertices = new Float32Array([
        -0.5, -0.5, 0.0,
        0.5, -0.5, 0.0,
        0.0, 0.5, 0.0,
    ]);
    const vbo = gl.createBuffer();
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo);
    gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW);

    const vao = gl.createVertexArray();
    gl.bindVertexArray(vao);
    gl.vertexAttribPointer(0, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
    gl.enableVertexAttribArray(0)

    const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
    gl.shaderSource(vertexShader, vertexSource);
    gl.compileShader(vertexShader);

    const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
    gl.shaderSource(fragmentShader, fragmentSource);
    gl.compileShader(fragmentShader);

    const shaderProgram = gl.createProgram();
    gl.attachShader(shaderProgram, vertexShader);
    gl.attachShader(shaderProgram, fragmentShader);
    gl.linkProgram(shaderProgram);

    gl.clearColor(0.2, 0.3, 0.3, 1.0);
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

    gl.useProgram(shaderProgram);
    gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);

</script>

其中，vbo是顶点缓冲对象(Vertex Buffer Objects, VBO)，主要用来储存顶点数据：

const vertices = new Float32Array([
    -0.5, -0.5, 0.0,
    0.5, -0.5, 0.0,
    0.0, 0.5, 0.0,
]);
const vbo = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW);

WebGLBuffer 接口属于 WebGL API 的一部分，表示一个不透明的缓冲区对象，储存诸如顶点或着色之类的数据

WebGLBuffer 对象没有定义任何自己的方法或属性，且内容不能被直接访问。当使用 WebGLBuffer 对象时， WebGLRenderingContext 下的这些方法会很有用：

• WebGLRenderingContext.bindBuffer()
• WebGLRenderingContext.createBuffer()
• WebGLRenderingContext.deleteBuffer()
• WebGLRenderingContext.isBuffer()
• 更详细的内容可以参考：WebGLBuffer - Web API 接口参考 | MDN (mozilla.org)

示例代码中：

createBuffer() 方法可创建并初始化一个用于储存顶点数据或着色数据的WebGLBuffer对象

bindBuffer(target, buffer) 方法将给定的WebGLBuffer绑定到目标，参数：

• target

  GLenum (en-US) 指定绑定点 (target)。可能的值：

  • gl.ARRAY_BUFFER: 包含顶点属性的 Buffer，如顶点坐标，纹理坐标数据或顶点颜色数据。
  • gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER: 用于元素索引的 Buffer

• buffer

  要绑定的 WebGLBuffer

bufferData(target, size, usage) 方法创建并初始化了 Buffer 对象的数据存储区，参数：

• target

  GLenum (en-US) 指定 Buffer 绑定点（目标）。可取以下值：

  • gl.ARRAY_BUFFER: 包含顶点属性的 Buffer，如顶点坐标，纹理坐标数据或顶点颜色数据。
  • gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER: 用于元素索引的 Buffer

• size

  • GLsizeiptr (en-US) 设定 Buffer 对象的数据存储区大小

• usage

  GLenum (en-US) 指定数据存储区的使用方法。可取以下值：

  • gl.STATIC_DRAW: 缓冲区的内容可能经常使用，而不会经常更改。内容被写入缓冲区，但不被读取。
  • gl.DYNAMIC_DRAW: 缓冲区的内容可能经常被使用，并且经常更改。内容被写入缓冲区，但不被读取。
  • gl.STREAM_DRAW: 缓冲区的内容可能不会经常使用。内容被写入缓冲区，但不被读取

以上大致就是WebGL中Buffer（VBO）的用法

3. Cesium中的Buffer

Cesium中，对WebGL的Buffer进行了封装：

function Buffer(options) {
  const gl = options.context._gl;
  gl.bindBuffer(bufferTarget, buffer);
  gl.bufferData(bufferTarget, hasArray ? typedArray : sizeInBytes, usage);
  gl.bindBuffer(bufferTarget, null);
}
 
Buffer.createVertexBuffer = function (options) {
  return new Buffer({
    context: options.context,
    bufferTarget: WebGLConstants.ARRAY_BUFFER,
    typedArray: options.typedArray,
    sizeInBytes: options.sizeInBytes,
    usage: options.usage,
  });
};
 
Buffer.createIndexBuffer = function (options) {
  const buffer = new Buffer({
      // ...
  });
  return buffer;
};

Buffer类的构造函数只是一次简单的封装，Buffer.createVertexBuffer函数可以更为快速的构建Buffer，搜索源码就会发现大多也是使用Buffer.createVertexBuffer创建Buffer，比如GeoJsonLoader.js：

// ...
// Create GPU buffers
const positionBuffer = Buffer.createVertexBuffer({
    typedArray: positionsTypedArray,
    context: frameState.context,
    usage: BufferUsage.STATIC_DRAW,
});
positionBuffer.vertexArrayDestroyable = false;

const featureIdBuffer = Buffer.createVertexBuffer({
    typedArray: featureIdsTypedArray,
    context: frameState.context,
    usage: BufferUsage.STATIC_DRAW,
});
featureIdBuffer.vertexArrayDestroyable = false;

const indexBuffer = Buffer.createIndexBuffer({
    typedArray: indicesTypedArray,
    context: frameState.context,
    usage: BufferUsage.STATIC_DRAW,
    indexDatatype: indexDatatype,
});
indexBuffer.vertexArrayDestroyable = false;
// ...

使用Buffer.createVertexBuffer创建指定数据大小而数据未确定的VBO的例子：

// Example 1. Create a dynamic vertex buffer 16 bytes in size.
const buffer = Buffer.createVertexBuffer({
    context : context,
    sizeInBytes : 16,
    usage : BufferUsage.DYNAMIC_DRAW
});

使用Buffer.createVertexBuffer创建数据确定的VBO的例子：

// Example 2. Create a dynamic vertex buffer from three floating-point values.
// The data copied to the vertex buffer is considered raw bytes until it is
// interpreted as vertices using a vertex array.
const positionBuffer = buffer.createVertexBuffer({
    context : context,
    typedArray : new Float32Array([0, 0, 0]),
    usage : BufferUsage.STATIC_DRAW
});

使用Buffer.createIndexBuffer创建指定数据大小而数据未确定的IBO的例子：

// Example 1. Create a stream index buffer of unsigned shorts that is
// 16 bytes in size.
const buffer = Buffer.createIndexBuffer({
    context : context,
    sizeInBytes : 16,
    usage : BufferUsage.STREAM_DRAW,
    indexDatatype : IndexDatatype.UNSIGNED_SHORT
});

使用Buffer.createIndexBuffer创建数据确定的IBO的例子：

// Example 2. Create a static index buffer containing three unsigned shorts.
const buffer = Buffer.createIndexBuffer({
    context : context,
    typedArray : new Uint16Array([0, 1, 2]),
    usage : BufferUsage.STATIC_DRAW,
    indexDatatype : IndexDatatype.UNSIGNED_SHORT
});

此外，Buffer封装的函数有：

Buffer.prototype.copyFromArrayView = function (arrayView, offsetInBytes)
Buffer.prototype.copyFromBuffer = function (
  readBuffer,
  readOffset,
  writeOffset,
  sizeInBytes
)
Buffer.prototype.getBufferData = function (
  arrayView,
  sourceOffset,
  destinationOffset,
  length
)
Buffer.prototype.isDestroyed
Buffer.prototype.destroy

4. 参考资料

[1]Cesium原理篇：6 Renderer模块(1: Buffer) - fu*k - 博客园 (cnblogs.com)

[2]WebGLRenderingContext - Web API 接口参考 | MDN (mozilla.org)

[3]Cesium渲染模块之概述 - 当时明月在曾照彩云归 - 博客园 (cnblogs.com)