CesiumJS 2022^ 原理[2] 渲染架構之三維物體 - 建立並執行指令

四季留歌發表於2022-04-11


回顧

書接上文,Scene.js 模組內的 render 函式會將控制權交給 WebGL,執行 CesiumJS 自己封裝的指令物件,畫出每一幀來。

模組內的 render 函式首先會更新一批狀態資訊,譬如幀狀態、霧效、Uniform 值、通道狀態、三維場景中的環境資訊等,然後就開始更新並執行指令,呼叫的是 Scene 原型鏈上的 updateAndExecuteCommands 方法。

整個過程大致的呼叫鏈是這樣的(function 關鍵字簡寫為 fn):

[Module Scene.js]
- fn render()
  - Scene.prototype.updateAndExecuteCommands()
    - fn executeCommandsInViewport()
      - fn updateAndRenderPrimitives()
          [Module Primitive.js]
          - fn createCommands()
          - fn updateAndQueueCommands()
      - fn executeCommands()
     	- fn executeCommand()

本篇講解的是從 Scene 原型鏈上的 updateAndExcuteCommands() 方法開始,期間 Scene 中的 Primitives 是如何建立指令,又最終如何被 WebGL 執行的。

這個過程涉及非常多細節程式碼,但是為了快速聚焦整個過程,本篇先介紹兩個 CesiumJS 封裝的概念:指令和通道。

預備知識:指令

WebGL 是一種依賴於“全域性狀態”的繪圖 API,物件導向特徵比較弱,為了修改全域性狀態上的頂點資料、著色器程式、幀緩衝、紋理等“資源”,必須通過 gl.XXX 函式呼叫觸發全域性狀態的改變。

而圖形程式設計基礎提出的渲染管線、通道等概念偏向於物件導向,顯然 WebGL 這種偏過程的風格需要被 JavaScript 執行時引擎封裝。

CesiumJS 將 WebGL 的繪製過程,也就是行為,封裝成了“指令”,不同的指令物件有不同的用途。指令物件儲存的行為,具體就是指由 Primitive 物件(不一定全是 Primitive)生成的 WebGL 所需的資料資源(緩衝、紋理、唯一值等),以及著色器物件。資料資源和著色器物件仍然是 CesiumJS 封裝的物件,而不是 WebGL 原生的物件,這是為了更好地與 CesiumJS 各種物件結合去繪圖。

CesiumJS 有三類指令:

  • DrawCommand 繪圖指令
  • ClearCommand 清屏指令
  • ComputeCommand 計算指令

繪圖指令最終會把控制權交給 Context 物件,根據自身的著色器物件,繪製自己身上的資料資源。

清屏指令比較簡單,目的就是呼叫 WebGL 的清屏函式,清空各類緩衝區並填充清空後的顏色值,依舊會把控制權傳遞給 Context 物件。

計算指令則藉助 WebGL 平行計算的特點,將指令物件上的資料在著色器中編碼、計算、解碼,最後寫入到輸出緩衝(通常是幀緩衝的紋理上),同樣控制權會給到 Context 物件。

預備知識:通道

一幀是由多個通道順序繪製構成的,在 CesiumJS 中,通道英文單詞是 Pass

既然通道的繪製是有順序的,其順序儲存在 Renderer/Pass.js 模組匯出的凍結物件中,目前(1.92版本)有 10 個優先順序等級:

const Pass = {
  ENVIRONMENT: 0,
  COMPUTE: 1,
  GLOBE: 2,
  TERRAIN_CLASSIFICATION: 3,
  CESIUM_3D_TILE: 4,
  CESIUM_3D_TILE_CLASSIFICATION: 5,
  CESIUM_3D_TILE_CLASSIFICATION_IGNORE_SHOW: 6,
  OPAQUE: 7,
  TRANSLUCENT: 8,
  OVERLAY: 9,
  NUMBER_OF_PASSES: 10,
}

以上為例,第一優先被繪製的指令,是環境(ENVIRONMENT: 0)方面的物件、物體。而不透明(OPAQUE: 7)的三維物件的繪製指令,則要先於透明(TRANSLUCENT: 8)物體被執行。

CesiumJS 會在每一幀即將開始繪製前,對所有已經收集好的指令根據通道進行排序,實現順序繪製,下文會細談。

1. 生成並執行指令

原型鏈上的 updateAndExecuteCommands 方法會做模式判斷,我們一般使用的是三維模式(SceneMode.SCENE3D),所以只需要看 else if 分支即可,也就是

executeCommandsInViewport(true, this, passState, backgroundColor);

此處,this 就是 Scene 自己。

executeCommandsInViewport() 是一個 Scene.js 模組內的函式,這個函式比較短,對於當前我們關心的東西,只需要看它呼叫的 updateAndRenderPrimitives() 和最後的 executeCommands() 函式呼叫即可。

1.1. Primitive 生成指令

[Module Scene.js]
- fn updateAndRenderPrimitives()
  [Module Primitive.js]
  - fn createCommands()
  - fn updateAndQueueCommands()

Scene.js 模組內的函式 updateAndRenderPrimitives() 負責更新 Scene 上所有的 Primitive。

期間,控制權會通過 PrimitiveCollection 轉移到 Primitive 類(或者有類似結構的類,譬如 Cesium3DTileset 等)上,令其更新本身的資料資源,根據情況建立新的著色器,並隨之建立 繪圖指令,最終在 Primitive.js 模組內的 updateAndQueueCommands() 函式排序、並推入幀狀態物件的指令列表上。

1.2. Context 物件負責執行 WebGL 底層程式碼

[Module Scene.js]
- fn executeCommands()
- fn executeCommand() // 收到 Command 和 Context
  [Module Context.js]
  - Context.prototype.draw()

另一個模組內的函式 executeCommands() 則負責執行這些指令(中間還有一些小插曲,下文再提)。

此時,上文的“通道”再次起作用,此函式內會根據 Pass 的優先順序依次更新唯一值狀態(UniformState),然後下發給 executeCommand() 函式(注意少了個s)以具體的某個指令物件以及 Context 物件。

除了 executeCommand() 函式外,Scene.js 模組內仍還有其它類似的函式,例如 executeIdCommand() 負責執行繪製 ID 資訊紋理的指令,executeTranslucentCommandsBackToFront() / executeTranslucentCommandsFrontToBack() 函式負責透明物體的指令等。甚至在 Scene 物件自己的屬性中,就有清屏指令欄位,會在 executeCommands() 函式中直接執行,不經過上述幾個執行具體指令的函式。

Context 物件是對 WebGL(2)RenderingContext 等 WebGL 原生介面、引數的封裝,所有指令物件最終都會由其進行拆包裝、組裝 WebGL 函式呼叫並執行繪圖、計算、清屏(見上文介紹的預備知識:指令)。

2. 多段視錐體技術

先介紹一個概念,WebGL 中的深度。

簡單的說,螢幕朝裡,三維物體的前後順序就是深度。CesiumJS 的深度非常大,即使不考慮遠太空,只考慮地球表面附近的範圍,WebGL 的數值範圍也不太夠用。聰明的前輩們想到了使用對數函式壓縮深度的值域,因為一個非常大的數字只需取其對數,很快就能小下來。

Scene 物件上有一個可讀可寫訪問器 logarithmicDepthBuffer,它指示是否啟用對數深度。

現在,CesiumJS 通常使用的就是對數深度。

對數深度解決的不僅僅只是普通深度值值域不夠的問題,還解決了不支援對數深度技術之前使用的多段視錐技術問題。

再次簡單的說,多段視錐技術將視錐體由遠及近切成多個段,保證了相機近段的指令足夠多以保證效果,遠段儘量少滿足效能。

你在 Scene.js 模組中的 executeCommands() 函式的最後能找到一個迴圈體:

// Execute commands in each frustum in back to front order
let j;
for (let i = 0; i < numFrustums; ++i) {
  // ...
}

開啟除錯工具,很容易擊中這個斷點,檢視 numFrustums 變數的值,有啟用對數深度的 CesiumJS 程式,一般 numFrustums 都是 1。

3. 指令物件的轉移

在本文第 1 節中,詳細說明了指令物件的生成與被執行。

上述其實忽略了很多細節,現在撿起來說。

指令物件在 Primitive(或類似的類)生成後,由 模組內的 updateAndQueueCommands() 函式排序並推入幀狀態物件的指令列表上:

// updateAndQueueCommands 函式中,函式接收來自 Scene 逐級傳入的幀狀態物件 -- frameState
const commandList = frameState.commandList;
const passes = frameState.passes;
if (passes.render || passes.pick) {
  // ... 省略部分程式碼
  commandList.push(colorCommand);
}

frameState.commandList 就是個普通的陣列。

而在執行時,卻是從 View 物件上的 frustumCommandsList 上取的指令:

// Scene.js 模組的 executeCommands 函式中

const frustumCommandsList = view.frustumCommandsList;
const numFrustums = frustumCommandsList.length;

let j;
for (let i = 0; i < numFrustums; ++i) {
  const index = numFrustums - i - 1;
  const frustumCommands = frustumCommandsList[index];
  
  // ...
  
  // 擷取不透明物體的通道指令執行程式碼片段
  us.updatePass(Pass.OPAQUE);
  commands = frustumCommands.commands[Pass.OPAQUE];
  length = frustumCommands.indices[Pass.OPAQUE];
  for (j = 0; j < length; ++j) {
    executeCommand(commands[j], scene, context, passState);
  }
  
  // ...
}

其中,下發給 executeCommand() 函式的 commands[j] 引數,就是具體的某個指令物件。

所以這兩個過程之間,是怎麼做指令物件傳遞的?

答案就在 View 原型鏈上的 createPotentiallyVisibleSet 方法中。

篩選可見集

View 物件是 Scene、Camera 之間的紐帶,負責“眼睛”與“世界”之間資訊的處理,即檢視。

View 原型鏈上的 createPotentiallyVisibleSet 方法的作用,就是把 Scene 上的計算指令、覆蓋物指令,幀狀態上的指令列表,根據 View 的可見範圍做一次篩選,減少要執行指令個數提升效能。

具體來說,就是把分散在各處的指令,篩選後綁至 View 物件的 frustumCommandsList 列表中,藉助 View.js 模組內的 insertIntoBin() 函式完成:

// View.js 模組內

function insertIntoBin(view, scene, command, commandNear, commandFar) {
  // ...
  
  const frustumCommandsList = view.frustumCommandsList;
  const length = frustumCommandsList.length;

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

這個函式內做了對指令的篩選判斷。

4. 本篇總結

本篇調查清楚了 Scene 物件上各種三維物體是如何繪製的,即藉助 指令 物件儲存待繪製的資訊,最後交由 Context 物件完成 WebGL 程式碼的執行。

期間,發生了指令的分類和可見集的篩選;篇幅原因,CesiumJS 在這漫長的渲染過程中還做了很多細節的事情。

不過,Cesium 的三維物體的渲染架構就算講完了。

接下來,則是另兩個比較頭痛的話題:

  • 地球的渲染架構(瓦片四叉樹)
  • 具備建立指令的各路資料來源(Entity、DataSource、Model、Cesium3DTileset等)

指令和通道的概念仍然會繼續使用,敬請期待。

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