Cesium官方教程8-- 几何体和外观效果

时间：2018-12-06 20:23:45 阅读：220 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

标签：变量 instance 视图 circle fragment prim mes 初学数字

原文地址：https://cesiumjs.org/tutorials/Geometry-and-Appearances/
几何体和外观效果（Geometry and Appearances）
这篇教程会教大家学习Primitive API中支持的几何体和外观效果。这篇教程并不是面向Cesium的普通用户，主要讨论Cesium的高级知识，包括自定义三角网（mesh），形状（shape），体（volume）以及他们的外观。如果你是初学者，建议先学下这篇教程。
Cesium可以使用Entity创建不同的几何体，比如多边形和椭圆等。比如把下面代码拷贝到 Sandcastle 的Hello World 就能创建一个带条纹状材质的矩形:
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条纹矩形
这篇教程里，我们深入到图元内部，使用 Geometry类和 Appearance 类来创建效果。几何体定义了图元的结构，比如三角网、线、点等。外观（appearance）定义了图片的着色效果，包含完整的顶点（vertex）和片段（fragment）着色器（shader）以及着色器状态。
Cesium支持下列几何体：
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Box Geometry
BoxGeometry
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Box Outline Geometry
BoxOutlineGeometryA box
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Circle Geometry
CircleGeometry
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Circle Outline Geometry

CircleOutlineGeometry
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Corridor Geometry
CorridorGeometry

Corridor Outline Geometry
CorridorOutlineGeometry 以米为单位的折线和一个挤压高度

Cylinder Geometry
CylinderGeometry

Cylinder Outline Geometry
CylinderOutlineGeometry圆柱, 椎体,半椎体

Ellipse Geometry
EllipseGeometry

Ellipse Outline Geometry
EllipseOutlineGeometry椭圆或者垂直挤压的椭圆
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Ellipsoid Geometry
EllipsoidGeometry

Ellipsoid Outline Geometry
EllipsoidOutlineGeometry椭球体

Extent Geometry
RectangleGeometry

Extent Outline Geometry
RectangleOutlineGeometry矩形或者垂直挤压矩形

Polygon Geometry
PolygonGeometry

Polygon Outline Geometry
PolygonOutlineGeometry多边形，支持带洞以及垂直挤压
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Polyline Geometry
PolylineGeometry

Polyline Outline Geometry
SimplePolylineGeometry像素宽度定义的折线段

Volume Geometry
PolylineVolumeGeometry

Volume Outline Geometry
PolylineVolumeOutlineGeometry一个二维图形沿着折线的延伸体。

Sphere Geometry
SphereGeometry
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Sphere outline Geometry
SphereOutlineGeometry球体

all Geometry
WallGeometry

Wall Outline Geometry
WallOutlineGeometry垂直于地表的墙面

几何体全家福

使用几何体和外观的优势:

性能 - 尤其是绘制大量静态图元（比如整个美国的邮政编码区域多边形），使用几何体可以把他们组合成一个单一的几何体，这样会减少cpu的开销，并且充分利用GPU的能力。组合几何体可以在web worker中完成，不会影响用户界面的响应。
灵活性 - 图元由几何体和外观构成。不过他们可以单独修改。新建的几何体可以兼容多种不同的外观，反之亦然。

底层访问 - 外观提供了近乎最底层的渲染访问，但是又不需要直接担心渲染 Renderer 的细节技术。外观使下面的技术简单了很多：

编写完整的顶点和片段着色器GLSL代码。
使用用户自定义的渲染状态。

当然也有一些缺点：

使用几何体和外观需要写更多的代码，并且需要对图形知识有深刻的理解。Entity是应用层的抽象；而几何体和外观更像是一个传统3D引擎的级别。
对于静态数据，几何体合并非常有效，但是对于动态数据不适合。
使用几何体和外观来重新编写示例代码：
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没有用矩形的entity，我们使用了普通的 Primitive, 它里面连接和几何体和外观。现在先忽略 Geometry和 a GeometryInstance 的区别，只需知道instance是geometry的容器。
创建矩形几何体 RectangleGeometry的时候，这个矩形区域的三角网会贴合地球曲率。
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网格效果

因为我们预先知道这个几何体是在球面上，所以直接使用 EllipsoidSurfaceAppearance。这样做也能节省内存，支持所有的材质，因为几何体是在椭球体上方的固定高度(译者注：个人理解是说顶点可以只需要二维坐标，高度值可以当作uniform传进去)。
几何体合并
当使用一个图元去绘制多个静态几何体的时候，会有些效率提升。比如我们画两个矩形：
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两个矩形

创建了另一个矩形的instance，然后把两个instance都添加到一个图元里，使用同一个外观去绘制。一些外观允许为每个instance设置不同的属性（attribute）。比如，使用 PerInstanceColorAppearance 对每个instance着不同颜色。
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不同颜色的矩形

每个intance有一个Color 属性。图元里创建一个PerInstanceColorAppearance，它知道使用每个instance的color属性去着色。
几何体合并允许Cesium高效的渲染大量几何体。下面示例绘制了2592个不同颜色的矩形。优化之后，渲染非常块。
var viewer = new Cesium.Viewer(‘cesiumContainer‘);
var scene = viewer.scene;

var instances = [];

for (var lon = -180.0; lon < 180.0; lon += 5.0) {
for (var lat = -85.0; lat < 85.0; lat += 5.0) {
instances.push(new Cesium.GeometryInstance({
geometry : new Cesium.RectangleGeometry({
rectangle : Cesium.Rectangle.fromDegrees(lon, lat, lon + 5.0, lat + 5.0),
vertexFormat: Cesium.PerInstanceColorAppearance.VERTEX_FORMAT
}),
attributes : {
color : Cesium.ColorGeometryInstanceAttribute.fromColor(Cesium.Color.fromRandom({alpha : 0.5}))
}
}));
}
}

scene.primitives.add(new Cesium.Primitive({
geometryInstances : instances,
appearance : new Cesium.PerInstanceColorAppearance()
}));
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几何体合并

拾取
当instance合并之后，仍然支持独立访问。通常，我们会设置一个id属性， Scene.pick函数里通过它来判定哪个instance被拾取。这个id 可以任何js类型：字符串，数字，带属性的对象等等。
下面的示例创建一个带id 的instance，当它被点击的时候控制台会输出一个消息。
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使用id 而不是用instance对象本身去判定，主要是为了避免在创建图元之后，我们的图元甚至我们的项目对所有的instance对象以及它的几何体一直被引用无法释放内存。因为几何体一般包含了一个比较大的数组，这种方式就可以帮我们节省大量内存。
几何体intances
目前为止，我们创建的每个几何体instance都只包含一个几何体。此外，instance竟然用来把同一个几何体放置在场景的不同位置，包括不同大小和方向。由于多个instance可以引用同一个几何体（ Geometry），而每个instance可以有不同的偏移矩阵（modelMatrix）。这样，我们就只需要计算一次几何体（计算顶点等）而多次使用它。
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几何体 instance
下面的代码创建了一个EllipsoidGeometry 和两个instance. 每个instance 引用了相同的椭球几何体,但是使用 modelMatrix放到不同位置，这里效果是一个叠在另一个之上。
var viewer = new Cesium.Viewer(‘cesiumContainer‘);
var scene = viewer.scene;

var ellipsoidGeometry = new Cesium.EllipsoidGeometry({
vertexFormat : Cesium.PerInstanceColorAppearance.VERTEX_FORMAT,
radii : new Cesium.Cartesian3(300000.0, 200000.0, 150000.0)
});

var cyanEllipsoidInstance = new Cesium.GeometryInstance({
geometry : ellipsoidGeometry,
modelMatrix : Cesium.Matrix4.multiplyByTranslation(
Cesium.Transforms.eastNorthUpToFixedFrame(Cesium.Cartesian3.fromDegrees(-100.0, 40.0)),
new Cesium.Cartesian3(0.0, 0.0, 150000.0),
new Cesium.Matrix4()
),
attributes : {
color : Cesium.ColorGeometryInstanceAttribute.fromColor(Cesium.Color.CYAN)
}
});

var orangeEllipsoidInstance = new Cesium.GeometryInstance({
geometry : ellipsoidGeometry,
modelMatrix : Cesium.Matrix4.multiplyByTranslation(
Cesium.Transforms.eastNorthUpToFixedFrame(Cesium.Cartesian3.fromDegrees(-100.0, 40.0)),
new Cesium.Cartesian3(0.0, 0.0, 450000.0),
new Cesium.Matrix4()
),
attributes : {
color : Cesium.ColorGeometryInstanceAttribute.fromColor(Cesium.Color.ORANGE)
}
});

scene.primitives.add(new Cesium.Primitive({
geometryInstances : [cyanEllipsoidInstance, orangeEllipsoidInstance],
appearance : new Cesium.PerInstanceColorAppearance({
translucent : false,
closed : true
})
}));
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椭球体instances

更新每个instance的属性
即便是已经添加到图元里，每个instance的一些属性也可以修改，包括：

Color : ColorGeometryInstanceAttribute 决定了几何体颜色。不过图元应该设置一个 PerInstanceColorAppearance外观。
Show :布尔变量决定instance是否可见，对任意instance都有效。
下面代码演示如何修改几何体instance的颜色:
This example shows how to change the color of the geometry instance:
var viewer = new Cesium.Viewer(‘cesiumContainer‘);
var scene = viewer.scene;

setInterval(function() {
var attributes = primitive.getGeometryInstanceAttributes(‘circle‘);
attributes.color = Cesium.ColorGeometryInstanceAttribute.toValue(Cesium.Color.fromRandom({alpha : 1.0}));
},2000);
几何体的属性需要通过 primitive.getGeometryInstanceAttributes来获取到。attributes 里的值可以直接修改。这里，我们每2秒钟设置‘circle‘这个几何体随机颜色。
外观（Appearances）
几何体定义了结构。图元的另一个关键属性是appearance，决定图元的着色，也就说每个像素是如何上色的。一个图元可以有若干个几何体instance，但是只能有一个appearance属性。根据appearance类型不同，一个appearance可能有一个 material 属性，材质属性决定了大体的着色（ the bulk of the shading）。
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Appearances
Cesium 包含下述外观类型：

MaterialAppearance
MaterialAppearance 所有几何体都使用同一个外观，支持使用 materials 去定义着色效果.

EllipsoidSurface
EllipsoidSurface MaterialAppearance 的简化版本，假定几何体都和地球椭球体平行，就像多边形一样。使用这个可以在计算大量顶点属性的时候节省内存
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PerInstanceColorAppearance
PerInstanceColorAppearance 每个instance使用不同的颜色去着色。

PolylineMaterialAppearance
PolylineMaterialAppearance 支持在折线上设置材质。

PolylineColorAppearance

PolylineColorAppearance支持折线在每个顶点或者每一段设置颜色。
外观完整的定义了顶点和片段着色器代码，在GPU中图元渲染的时候使用。除非要自定义外观，否则我们很少使用它们。外观也定义了完整的渲染你状态，它控制了图元渲染时候的GPU状态。我们可以使用高级的属性来定义渲染状态，比如闭合closed 和半透明translucent，外观会把他们转换为真正的底层状态，比如：
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一旦我们的外观创建了，我们不能修改它的renderState属性，但是我们能修改它的材质 material。当然，我们可以整个替换图元的appearance属性。
大部分外观包含 flat 和faceForward 属性, 这个直接控制了GLSL的着色效果。

flat - 纯色着色，不考虑光照效果。

faceForward - 当有光照的的时候，当视图正对它的时候反转法向量，避免墙体的背面是黑色的。
flat : true | faceForward : false | faceForward : true |
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flat:true

faceForward : false

faceForward : true
几何体和外观的匹配性
我们发现不是所有的外观都能作用在任意几何体上。比如EllipsoidSurfaceAppearance 不能用在WallGeometry 上，因为墙永远垂直地表，而不是平行地表。
隐含之意，一个外观能和一个几何体匹配，需要顶点格式匹配，也就是说几何体必须包含外观需要的顶点格式数据。创建一个几何体的时候，可以指定一个 VertexFormat 参数。
有时候为了简化问题，但是接受一点点浪费和效率低，可以计算一个几何体的所有顶点属性格式，这样就能和所有外观兼容（忽略per-instance属性）
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不兼容
如果使用EllipsoidSurfaceAppearance，比如我们只创建了顶点的位置属性，那么就会崩溃（get away）。

通常，我们怎么知道某种外观需要哪种顶点格式？大部分外观都有一个 vertexFormat 属性，甚至一个 VERTEX_FORMAT静态常量。
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同样，几何体的 vertexFormat 属性也决定了几何体是否可以合并。如果要合并，可以几何体类型不同，但是必须保证顶点格式一致。
相关资源
用户手册: