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

渲染是前端可视化的核心,本文描述Cesium渲染模块的Shader

2. WebGL中的Shader

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,着色器(Shader)是运行在GPU上的小程序,这些小程序为图形渲染管线的某个特定部分而运行,从基本意义上来说,着色器只是一种把输入转化为输出的程序。着色器可以是一个顶点着色器(vertex shader)或片元着色器(fragment shader),每个ShaderProgram都需要这两种类型的着色器。上述代码中创建着色器和着色器程序的代码:

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);

创建着色器的步骤大致为:

此时 WebGLShader 仍不是可用的形式,它需要被添加到一个 WebGLProgram

创建着色器程序的步骤大致为:

使用着色器程序(上述代码中):

// Use the program
gl.useProgram(shaderProgram);
// Draw a single triangle
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);

3. Cesium中的Shader

Cesium渲染模块中的Shader对象包含从创建GLSL到创建Shader Program整个流程

流程大致为:

  • Cesium中支持分段编写GLSL代码,包括ShaderStruct、ShaderFunction、ShaderDestination
  • 将分段的代码组合成GLSL,即ShaderSource
  • ShaderBuilder使用ShaderSource创建的ShaderProgram会缓存起来,即ShaderCache
  • 需要新的ShaderProgram时,先查询缓存中是否有,有就复用,无则创建

在Cesium源码中创建ShaderProgram大多也是这个流程,例如PolylineCollection.js

const fs = new ShaderSource({
defines: defines,
sources: ["in vec4 v_pickColor;\n", this.material.shaderSource, PolylineFS],
}); const vsSource = batchTable.getVertexShaderCallback()(PolylineVS);
const vs = new ShaderSource({
defines: defines,
sources: [PolylineCommon, vsSource],
}); this.shaderProgram = ShaderProgram.fromCache({
context: context,
vertexShaderSource: vs,
fragmentShaderSource: fs,
attributeLocations: attributeLocations,
});

ShaderProgram.fromCache只是简单的指向ShaderCache.getShaderProgram

ShaderProgram.fromCache = function (options) {
// ...
return options.context.shaderCache.getShaderProgram(options);
};

ShaderCache.getShaderProgram逻辑就是先查询缓存中是否有Shader,有就复用,无则创建:

ShaderCache.prototype.getShaderProgram = function (options) {
// ...
let cachedShader;
if (defined(this._shaders[keyword])) {
cachedShader = this._shaders[keyword];
} else {
const shaderProgram = new ShaderProgram();
cachedShader = {
cache: this,
shaderProgram: shaderProgram,
keyword: keyword,
derivedKeywords: [],
count: 0,
};
}
return cachedShader.shaderProgram;
};

注意,此时的ShaderProgram只是个空壳,它并没有真正的创建WebGLProgram对象,但是它具备了创建WebGLProgram对象所需要的条件

可以参考源码中PointCloud.js

function createShaders(){
// ...
drawCommand.shaderProgram = ShaderProgram.fromCache({
context: context,
vertexShaderSource: vs,
fragmentShaderSource: fs,
attributeLocations: attributeLocations,
}); drawCommand.shaderProgram._bind();
}

所以shaderProgram._bind()才创建了WebGLProgram对象

ShaderProgram.prototype._bind = function () {
initialize(this);
this._gl.useProgram(this._program);
}; function initialize(shader) {
// ...
reinitialize(shader);
} function reinitialize(shader) {
// ...
const program = createAndLinkProgram(gl, shader, shader._debugShaders);
}

通过多处调用,最后createAndLinkProgram(gl, shader)实现了创建:

function createAndLinkProgram(gl, shader) {
const vsSource = shader._vertexShaderText;
const fsSource = shader._fragmentShaderText; const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader, vsSource);
gl.compileShader(vertexShader); const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
gl.shaderSource(fragmentShader, fsSource);
gl.compileShader(fragmentShader); const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader); const attributeLocations = shader._attributeLocations;
if (defined(attributeLocations)) {
for (const attribute in attributeLocations) {
if (attributeLocations.hasOwnProperty(attribute)) {
gl.bindAttribLocation(
program,
attributeLocations[attribute],
attribute
);
}
}
} gl.linkProgram(program);
gl.deleteShader(vertexShader);
gl.deleteShader(fragmentShader);
// ... return program;
}

值得一说的是,真正的WebGLProgram对象是直到需要绘制时才创建,不需要绘制的就不会创建,这样有效节省了资源:

function beginDraw(context, framebuffer, passState, shaderProgram, renderState) {
// ...
bindFramebuffer(context, framebuffer);
applyRenderState(context, renderState, passState, false);
shaderProgram._bind();
}

4. 参考资料

[1]WebGLProgram - Web API 接口参考 | MDN (mozilla.org)

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

[3]Cesium原理篇:6 Render模块(3: Shader) - fu*k - 博客园 (cnblogs.com)

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

[5]Cesium DrawCommand 1 不谈地球 画个三角形 - 岭南灯火 - 博客园 (cnblogs.com)

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