【Cesium 颜狗初步】fabric 材质定义与自定义着色器实践
fabric 材质定义：着色器实践
1. 示例代码
贴到沙盒里就可以运行：
var viewer = new Cesium.Viewer("cesiumContainer");
viewer.scene.globe.depthTestAgainstTerrain = true;
viewer.camera.setView({
destination : new Cesium.Cartesian3(-2644963.9889313546, 5763731.142118295, 2199400.7089496767), //世界坐标系下的一个坐标点
orientation : {//旋转角度
heading :6.075,
pitch :-0.727,
roll : 6.283
}
});
const extrudedPolygon = new Cesium.PolygonGeometry({
polygonHierarchy : new Cesium.PolygonHierarchy(
Cesium.Cartesian3.fromDegreesArray([
112.41726298378288, 23.290411251106182,
113.67072522399741, 23.560312361463682,
114.09370956893551, 22.590768298743153,
112.83803246418894, 22.285610818885644
])
),
extrudedHeight: 3000
});
const instance = new Cesium.GeometryInstance({
geometry: extrudedPolygon,
id: 'box with height'
});
const m = new Cesium.Material({
fabric: {
type: 'Color',
uniforms: {
color: new Cesium.Color(216 / 255.0, 170 / 255.0, 208 / 255.0).withAlpha(0.618),
},
}
});
const aper = new Cesium.MaterialAppearance({
material : m,
});
var p = viewer.scene.primitives.add(new Cesium.Primitive({
geometryInstances: instance,
appearance: aper,
releaseGeometryInstances: false,
compressVertices: false,
}));
// p.readyPromise.then(v => console.log(v));
const vs = aper.vertexShaderSource;
const fs = aper.fragmentShaderSource;
const fs2 = aper.getFragmentShaderSource();
console.log(`// 顶点着色器：
${vs}`);
console.log(`// 片元着色器：
${fs}`);
console.log(`// 片元着色器2：
${fs2}`);
2. 修改 fabric 对象
const m = new Cesium.Material({
fabric: {
source: `float a = 12.0;`,
}
});
随便定义一个浮点数，发现报错：
加上 uniform 限定字，报错稍微改了一点：
所以，这个 source 是有规则的。
2.1. 必须拥有函数 czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput)
我改成这样：
source:
`czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput)
{
}`,
报错变化了：
大意是指，czm_getMaterial 这个函数没有返回值。这很正常，强类型的 GLSL 规定了这个函数的返回值类型是结构体 czm_material，那么再次修改它。
2.2. 必须有返回值：不妨返回个默认值
source:
`czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput)
{
czm_material material = czm_getDefaultMaterial(materialInput);
return material;
}`,
这时，形状有颜色了：
material 这个变量是一个结构体，通过修改其材质因子即可实现材质修改。
修改其漫反射因子：
注意，glsl 中创建结构体 vec3 的默认值是 (0, 0, 0)，现在我想要个粉色，rgb色值是：(216 / 255.0, 170 / 255.0, 208 / 255.0)，即 (0.8470588235294118, 0.66666666, 0.8156862745098039)
source:
`czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput)
{
czm_material material = czm_getDefaultMaterial(materialInput);
material.diffuse = vec3(0.8470588235294118, 0.66666666, 0.8156862745098039);
return material;
}`,
没毛病，颜色出来了：
2.3. 顶点着色器与片元着色器
你可以在很多个地方获取材质、外观的着色器源代码：
- Material.prototype.shaderSource：可读可写：当前 material 对象的 source 属性，支持实时修改
- Appearance.prototype.vertexShaderSource：只读：当前外观对象的顶点着色器，仅支持构造时传入
- Appearance.prototype.fragmentShaderSource：只读：当前外观对象的片元着色器，仅支持构造时传入
- Appearance.prototype.getFragmentShaderSource()：返回最终完全版片元着色器源代码。
上面在 fabric 对象中的 source 属性指定的 glsl 源代码，与 console.log(m.shaderSource) 出来的是完全一样的，所以此处忽略。
当通过 2.2 节中对漫反射属性的设置后，外观对象的 vertexShaderSource 和 fragmentShaderSource 输出结果如下：
// 顶点着色器：
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;
}
// 片元着色器：
varying vec3 v_positionEC;
varying vec3 v_normalEC;
varying vec2 v_st;
void main()
{
vec3 positionToEyeEC = -v_positionEC;
vec3 normalEC = normalize(v_normalEC);
#ifdef FACE_FORWARD
normalEC = faceforward(normalEC, vec3(0.0, 0.0, 1.0), -normalEC);
#endif
czm_materialInput materialInput;
materialInput.normalEC = normalEC;
materialInput.positionToEyeEC = positionToEyeEC;
materialInput.st = v_st;
czm_material material = czm_getMaterial(materialInput);
#ifdef FLAT
gl_FragColor = vec4(material.diffuse + material.emission, material.alpha);
#else
gl_FragColor = czm_phong(normalize(positionToEyeEC), material, czm_lightDirectionEC);
#endif
}
捕获重点：片元着色器
观察片元着色器代码中的主函数，其中有一句调用 czm_material material = czm_getMaterial(materialInput);
这一句便是对我们在 fabric 对象中写入的 glsl 代码的调用。
最终，进入 #ifdef FLAT 分支（才疏学浅，不知道这个 FLAT 宏是什么），对像素着色，使用 material 结构的漫反射因子 + 自发光因子 + 透明度因子进行叠加，生成最终的颜色值。所以，这个时候不妨回到 Material 的 source 中，继续动手脚。
是存在直接修改 Appearance 对象 fragmentShader、vertexShader 的大佬的，后面有机会展开说说。
2.4. 牛刀小试：发个光吧
source:
`czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput)
{
czm_material material = czm_getDefaultMaterial(materialInput);
material.diffuse = vec3(0.8470588235294118, 0.66666666, 0.8156862745098039);
material.specular = 1.0;
material.shininess = 0.8;
return material;
}`,
（我偷偷把高度设为了 30000，不然不太明显）
换个地图和参数：
稍微有那么一点感觉了。
const m = new Cesium.Material({
translucent: false,
fabric: {
source:
`czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput)
{
czm_material material = czm_getDefaultMaterial(materialInput);
material.diffuse = vec3(0.24313725490196078, 0.7372549019607844, 0.9333333333333333);
material.specular = 0.5;
material.shininess = 0.8;
material.emission = vec3(0.0, 0.66666666, 0.0);
return material;
}`,
}
});
3. *高级运用：直接修改 Appearance 的片元着色器
用的是 1. 中的代码，修改 aper 对象的构造参数，直接将 2.3 中的片元着色器代码贴入看看：
const aper = new Cesium.MaterialAppearance({
fragmentShaderSource:
` varying vec3 v_positionEC;
varying vec3 v_normalEC;
varying vec2 v_st;
void main()
{
vec3 positionToEyeEC = -v_positionEC;
vec3 normalEC = normalize(v_normalEC);
#ifdef FACE_FORWARD
normalEC = faceforward(normalEC, vec3(0.0, 0.0, 1.0), -normalEC);
#endif
czm_materialInput materialInput;
materialInput.normalEC = normalEC;
materialInput.positionToEyeEC = positionToEyeEC;
materialInput.st = v_st;
czm_material material = czm_getMaterial(materialInput);
#ifdef FLAT
gl_FragColor = vec4(material.diffuse + material.emission, material.alpha);
#else
gl_FragColor = czm_phong(normalize(positionToEyeEC), material, czm_lightDirectionEC);
#endif
}
`
});
没有问题：
所以，基于此模板，只要胆大心细（划掉）只要对 Cesium 内置的着色器足够了解，完全可以自己改顶点和片元着色器。
试一试：把 2.2 和 2.4 中的尝试加入
const aper = new Cesium.MaterialAppearance({
fragmentShaderSource:
` varying vec3 v_positionEC;
varying vec3 v_normalEC;
varying vec2 v_st;
void main()
{
vec3 positionToEyeEC = -v_positionEC;
vec3 normalEC = normalize(v_normalEC);
#ifdef FACE_FORWARD
normalEC = faceforward(normalEC, vec3(0.0, 0.0, 1.0), -normalEC);
#endif
czm_materialInput materialInput;
materialInput.normalEC = normalEC;
materialInput.positionToEyeEC = positionToEyeEC;
materialInput.st = v_st;
czm_material material = czm_getMaterial(materialInput);
material.diffuse = vec3(0.24313725490196078, 0.7372549019607844, 0.9333333333333333);
material.emission = vec3(0.0, 0.66666666, 0.0);
material.specular = 0.5;
material.shininess = 0.8;
#ifdef FLAT
gl_FragColor = vec4(material.diffuse + material.emission, material.alpha);
#else
gl_FragColor = czm_phong(normalize(positionToEyeEC), material, czm_lightDirectionEC);
#endif
}
`
});
4. **实验性记录：修改 Appearance 的顶点着色器
const apr = new Cesium.MaterialAppearance({
vertexShaderSource:
`
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()
{
float zh = position3DHigh.z * 0.97;
float zl = position3DLow.z * 0.97;
vec3 th = vec3(position3DHigh.xy, zh);
vec3 tl = vec3(position3DLow.xy, zl);
vec4 p = czm_translateRelativeToEye(th, tl);
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;
}
`,
})
依旧是上方 1. 的例子，只不过在顶点着色器稍微动动手脚，可达到变形的效果：
很可惜这个 position3DHigh 和 position3DLow 并不是这个 Primitive 的局部相对坐标，所以直接修改 z = 0 是压不平的，但是从图中可略见端倪，猜测这个 z 值是世界坐标，后续使用半透明地形看看。
5. 给材质的着色器代码传入动态值：uniforms 的运用
uniform 在 WebGL 中就是恒定值的意思。一般 WebGL 用 attribute 关键字指定顶点属性或外来值，用 uniform 关键字指定常量，用 varying 关键字指定顶点着色器、片元着色器共享的变量。
在 Cesium fabric 规则中，fabric.uniforms 的所有变量，在 fabric.source 中可以直接使用。
例如，我需要传入一个透明度：
const m = new Cesium.Material({
fabric: {
uniforms: {
my_var: 0.5,
},
source:
`
czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput)
{
czm_material material = czm_getDefaultMaterial(materialInput);
material.diffuse = vec3(0.5, 0.9, 0.3);
material.alpha = my_var;
return material;
}
`
}
});
是可以的：
打印 这个 m变量，可以轻松看到 glsl 代码：
并且支持直接对 js 的变量进行修改以重新着色：
m.uniforms.my_var = 0.9;
注：了解 uniforms
uniforms 是 fabric 对象的一个属性，按理说，你可以给这个对象传递任何与 glsl 内置结构、数据类型有对应关系的数据，例如上例的 my_var，是数字类型，在着色器内部自动解析为 uniform float my_var_0;
参考官方给出的二十多种预置 Material，如果你有兴趣，可以直接把它们的 source 打印出来观察。
例如，在镜面反射材质中，它的 uniforms 就有这两个：
uniforms : {
image : 'specular.png',
channel : 'a'
}
一个是图片路径，一个是图片用于镜面反射强度的通道（此处是 alpha 通道）。
如果你传递的是对象，例如最常见的纹理材质中：
uniforms: {
image: 'diffuse.png',
my_struct: {
x: 10,
y: 2
}
}
这个 my_struct，最终会传入一个结构体 uniform vec2 my_struct_0;
当然有的时候不要作死，比如这个情况是转译不了的：
uniforms: {
my_var: 0.5,
my_struct: {
x: 12,
y: 5,
name: {
value: 'aaa'
},
obj: false,
time: 5
}
}
会报错，因为 my_struct 已经超出了 glsl 能理解的类型。
事实上，你在 uniforms 对象中写的任何数据，在 fabric.components 中一样能用，并且 Cesium 的内置结构体常量、函数都是可以直接使用的。
从着色器的角度看，一种材质无非就是 czm_getMaterial() 函数的返回值罢了。
这里仅仅改的是材质，属于片元着色器阶段发生的事情，在第四节中已经看到了 Material 中写的着色器代码是如何被 Appearance 对象的片元着色器代码调用的。如果你想修改 Primitive 的形状，那就要去修改 Appearance 的顶点着色器。
Primitive 是 Scene 对象下的，在渲染循环中它是最终被宰杀的羔羊（划掉），只要是 Primitive，只要你有能力去修改它的着色器代码，就可以自定义很多东西出来。
玩一玩：可视化纹理坐标
将纹理坐标作为漫反射颜色写入，就能看到纹理坐标的样子了：
const m = new Cesium.Material({
fabric: {
uniforms: {
my_var: 0.5,
},
source:
`
czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput)
{
czm_material material = czm_getDefaultMaterial(materialInput);
material.diffuse = vec3(materialInput.st, 0.0);
material.alpha = my_var;
return material;
}
`
}
});
6. 后续想做的
- 研究自带材质的着色器以及最终生成的顶点着色器、片元着色器
- 继续结合源代码，研究各路 Primitive
- 研究自带 glsl 结构体、函数、常量，灵活运用
- 理解顶点着色器的坐标含义
