1、简介

Fabric 是Cesium中定义的描述材质Material的JSON 结构体。Material代表了一个物体的外观。

材质Material可以是比较简单的,比如直接将一张图片赋予表面,或者使用条纹状、棋盘状的图案;也可以使用FabricGLSL,重新创建一个新的材质或者组合现有的材质。例如,我们可以通过程序生成的纹理(procedural brick)、凹凸贴图(bump map)和高光贴图(specular map)来生成一个潮湿碎裂的砖块材质。image.png在Cesium中支持赋予材质的图元都有一个material属性。

polygon.material = Material.fromType('Color');

上边这行代码中,Color是一个内置材质属性,代表了单一颜色,包括透明度(alpha)。Material.fromType是一个快捷的方式,完整的Fabric JSON 应该是这样:

polygon.material = new Cesium.Material({
  fabric : {
    type : 'Color'
  }
});

每一种材质(material)都有uniforms属性,uniforms可以在创建材质(material)时或之后设置。

注:uniform是一个webgl概念,用于与顶点无关的数据。

polygon.material = new Cesium.Material({
  fabric : {
    type : 'Color',
    uniforms : {
      color : new Cesium.Color(1.0, 0.0, 0.0, 0.5)
    }
  }
});

// Change from translucent red to opaque white
polygon.material.uniforms.color = Cesium.Color.WHITE;

2、内置材质

Cesium有一些内置的材质,常用的两种为:

名称 缩略图 描述
Color image.png 颜色,包括透明度
Image image.png 图片,可以没有透明度(.jpg),也可以包含透明度(.png)格式;漫反射、rgb、alpha通道组合。

所有内置的材质都可以像我们创建颜色那样简单的创建:

polygon.material = Material.fromType('Image');
polygon.material.uniforms.image = 'image.png';

也可以这样创建:

polygon.material = new Cesium.Material({
  fabric : {
    type : 'Image',
    uniforms : {
      image : 'image.png'
    }
  }
});

2.1 程式化纹理

程式化纹理不直接依赖于图片文件,而是通过GPU计算而来,他们可以设置漫反射(diffuse)和透明度(alpha)

名称 缩略图 描述
Checkerboard image.png Checkerboard with alternating light and dark colors.
Stripe image.png Alternating light and dark horizontal or vertical stripes
Dot image.png A pattern of dots organized by row and column.
Grid image.png A grid of lines, useful for displaying 3D volumes.

2.2 基础材质

基础材质较为底层,可以设置基础的材质特性,比如某个方向有多少光线被反射(镜面强度)、或者光线发射量等等。这些材质特性通常组合起来使用,从而创建一个复杂的材质。

Name 注释 Screenshot Description
漫反射贴图DiffuseMap 可以表现出物体被光照射到而显出的颜色和强度 image.png 一张具有一个三维向量(vec3)的图片,定义了光在所有方向上的散射颜色。
高光贴图SpecularMap 高光贴图是用来表现当光线照射到模型表面时,其表面属性的 image.png 一张具有标量分量的图片,定义了单一方向反射的入射光的强度。通过用于使物体表面的一部分有光泽,比如:水和地面。
透明贴图AlphaMap image.png 一张具有标量分量的图片,定义了材质的透明度。通常用于使物体表面的一部分有透明度,比如:删栏。
法线贴图NormalMap image.png 一张具有三维向量的图片,定义了物体表面发现的切线坐标。通常用于增加物体表面的细节。
凹凸贴图BumpMap 也叫高度贴图,丰富物体表面的细节。 image.png 一张具有标量分量的图片,类似法线贴图,凹凸贴图用于增加物体表面的细节无需通过实际修改物体表面。
自发光贴图EmissionMap image.png 一张具有三维向量(vec3)的图片,定义了材质在所有方向上发射的光线。例如:沿着一条公路的灯

2.3 多段线(polyline)材质

多段线材质只可以用于线状的物体。

Name 注释 Screenshot
带箭头线PolylineArrow image.png Places an arrow head at the end point of a line.
发光线PolylineGlow image.png Makes glowing lines.
带边框的线PolylineOutline image.png Line outline.

2.4 其他材质

名称 注释 简介
Water image.png Animating water with waves and ripples.
高亮轮廓RimLighting image.png 突出边缘轮廓

3、uniform

很多的材质(material)都有image uniform,定义了图片路径或数据路径:

polygon.material.uniforms.image = 'image.png';
polygon.material.uniforms.image = 'data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAABAAAAAQCAYAAAAf8/9hAAAAAXNSR0IArs4c6QAAAARnQU1BAACxjwv8YQUAAAAJcEhZcwAADsMAAA7DAcdvqGQAAAC/SURBVDhPrZPRDYQgEEQpjVKuFEvhw0IoxU6QgQwMK+vdx5FsooT3GHdjCM4qZnnnHvvkYoxFi/uvIhwiRCClXFC6v5UQ1uQAsbrkHCLsbaPjFgIzQQc1yUOwu33ePGE3BQUaee2BpjhbP5YUmkAlbNzsAURfBDqJnMIyyv4JjsCCgCnIR32uZUfcJuGBOwEk6bOKhoAADh21EIq3MgFg1mgkE1BA2AoUZoo2iZ3gyqGgmMDC/xWwkfb3/eUd7A1v3kxjNW9taQAAAABJRU5ErkJggg=='

一些属性,例如漫反射(diffuse)或法线贴图(NormalMap)的属性,要求图片的每个像素具有RGB三个通道;其他材质属性,例如高光(specular)和透明度(alpha),要求具有一个通道。我们可以指定从纹理图片的那个通道中获取数据,通过channels或者channel来设置。例如,默认情况下高光specular属性读取r通道,我们可以改变读取的通道:

polygon.material = new Cesium.Material({
  fabric : {
    type : 'SpecularMap',
    uniforms : {
      image : 'specular.png',
      channel : 'a'
    }
  }
});

允许多个材质从相同的图片中读取数据,例如一张相同的图片即存储了漫反射属性(diffuse)所需的rgb通道,也存储了高光属性(specular)所需的a通道。这样这张图片只会加载一次,节省了资源。

材质material也可以使用images的repeat属性,控制图片在横向和纵向的重复次数。经常被用于在物体表面的瓦片纹理。

polygon.material = new Cesium.Material({
  fabric : {
    type : 'DiffuseMap',
    uniforms : {
      image : 'diffuse.png',
      repeat : {
        x : 10,
        y : 2
      }
    }
  }
});

4、创建一个新的材质

创建一个新的材质,可以通过Fabric、一些GLSL代码,以及其他的材质组合起来。如果新创建的材质只使用一次,可以不设置Type属性:

var fabric = {
   // no type
   // ...rest of fabric JSON
};
polygon.material = new Cesium.Material({
  fabric : fabric
});

当使用一个新的材质类型type时,材质会在第一次绘制时缓存,之后的绘制(通过new Cesium.Material或者Material.fromType)就可以直接使用缓存的材质,就像使用内置材质一样,不需要提供完整的Fabric描述,只需要通过type和定义需要使用的uniforms即可。

var fabric = {
   type : 'MyNewMaterial',
   // ...rest of fabric JSON
};
polygon.material = new Cesium.Material({
  fabric : fabric
});
// ... later calls just use the type.
anotherPolygon.material = Material.fromType('MyNewMaterial');

4.1 Components

可能最简单的使用材质的方式就是直接反射白色:

var fabric = {
  components : {
    diffuse : 'vec3(1.0)'
  }
}

稍微复杂的例子是添加高光反射属性specular component,这样材料的反射光线在直视的时候最强烈,而在斜视时就变弱。

{
  components : {
    diffuse : 'vec3(0.5)',
    specular : '0.1'
  }
}

components属性包含了定义材料外观的子属性。每个子属性都是一个GLSL代码片段,比如上面示例代码中的vec(0.5)创建了一个3D向量,3D向量中每个分量都被设置为0.5,。共有以下几个子属性:

属性名 默认值 描述
漫反射diffuse 'vec3(0.0)' 漫反射属性是一个三维向量vec3,这个向量定义了光在所有方向上的散射值。
高光specular 0.0 高光属性,使用浮点数定义了单一方向上的反射强度。
光泽度shininess 1.0 镜面反射的光泽度。越高的值创建一个更小、更集中的镜面高光。
法线normal 材质的法线属性是一个三维向量vec3,定义了视点坐标系下的表面法向量。通常用于法向贴图。默认值是物体表面默认的发现。
自发光emission 'vec3(0.0)' 自发光属性使用三维向量vec3定义,定义了在所有方向上灯光发出的颜色值。默认是vec3(0.0),也就是不发光。
alpha 1.0 阿法尔通道使用浮点数定义,0.0表示全透,1.0表示不透明。

总的来说,这些子属性定义了材质的特点,他们是材质material的输出值,同时也是光照系统的输入值。

4.2 Source

source属性通过为czm_getMaterial函数定义GLSL代码的方式,提供了一个更加灵活的定义材质的方式。

struct czm_materialInput
{
	float s;
	vec2 st;
	vec3 str;
	mat3 tangentToEyeMatrix;
	vec3 positionToEyeEC;
	vec3 normalEC;
};

struct czm_material
{
	vec3 diffuse;
	float specular;
	float shininess;
	vec3 normal;
	vec3 emission;
	float alpha;
};

czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput);

使用source最简单的方式是每一个属性都直接返回默认值。

czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput)
{
    return czm_getDefaultMaterial(materialInput);
}

Fabric定义:

{
  source : 'czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput) { return czm_getDefaultMaterial(materialInput); }'
}

我们把之前的例子中通过source来实现的:

// 通过FABRIC 定义
{
	components : {
		diffuse : 'vec3(0.5)',
		specular : '0.1'
	}
}

// 通过source
{
	source:`
		czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput)
	{
		czm_material m = czm_getDefaultMaterial(materialInput);
		m.diffuse = vec3(0.5);
		m.specular = 0.5;
		return m;
	}`
}

使用source代替components的方式代码量更加多,但也会更加灵活,包括可以为不同的组件公用相同的计算逻辑和函数。一个经验法则是在大多数情况下使用components,除非需要用到czm_getMaterial的灵活性。在底层实现上,components子属性也是通过czm_getMaterial来实现的。在这两种方式下,我们都可以用到GLSLCesium提供的内置的函数、变量、常量等。

4.3 Input

materialInput变量在sourcecomponents属性中都是有效的,materialInput具有以下参数字段:

名称 类型 描述
**s** float 一维纹理坐标
**st** vec2 二维纹理坐标
**str** vec3 三维纹理坐标。> 注意:一维、二维、三维纹理坐标之间并不一定分量相同,不能保证str.st == st and st.s == s。例如,对于一个椭圆体,一维纹理坐标s可能是从底部到顶部,二维纹理坐标st是经纬度坐标,三维纹理坐标是沿着坐标轴的包围盒。

| | **tangentToEyeMatrix** | mat3 | 片元切线空间到视点坐标系的转换矩阵,通常用于法线贴图和凹凸贴图中。 | | **positionToEyeEC** | vec3 | 在视点坐标系下从片元到视点的向量,用于反射、折射等等。值大小表示从片元到视点的距离。 | | **normalEC** | vec3 | 片元在视点坐标系下单位化后的发现了,用于凹凸贴图、反射、折射等。 |

一个使用二维纹理坐标st的简单材质使用如下:

{
  components : {
    diffuse : 'vec3(materialInput.st, 0.0)'
  }
}

同样的我们可以设置materialInput.normalECdiffuse,以在视点坐标系下法线的可视化。除此之外,对于materialInput,材质还可以使用uniform变量,不管是Cesium内置的uniforms还是材质特定的uniforms。例如,我们可以实现我们自己的Color材质,基于color uniform设置diffuse以及alpha属性。

{
  type : 'OurColor',
  uniforms : {
    color : new Color(1.0, 0.0, 0.0, 1.0)
  },
  components : {
    diffuse : 'color.rgb',
    alpha : 'color.a'
  }
}

Fabric中,uniform属性的子属性也是**GLSL**中的uniforms的名称,以及使用new Material以及Material.fromType中的返回的**JavaScript**对象。子属性的值也是uniform的值(对于标量及向量)。我们可以通过image uniform实现我们自己的diffuseMap属性

{
  type : 'OurDiffuseMap',
  uniforms : {
    image : 'czm_defaultImage'
  },
  components : {
    diffuse : 'texture2D(image, materialInput.st).rgb'
  }
}

在上面代码中,'czm_defaultImage'是一个1x1占位符图像,也可以使用图像URL或数据URL来指定纹理图像。例如,用户可以这样来创建一个OurDiffuseMap

polygon.material = Material.fromType('OurDiffuseMap');
polygon.material.uniforms.image = 'diffuse.png';

还有一个立方图占位符 czm_defaultCubeMap。支持标准的GLSLuniform 类型,floatvec3mat4等等。Uniform数组还不支持。

4.4组合材质

到目前为止,我们可以使用内置材质,或者创建我们自己的材质。我们也可以从现有的材质中创建材质(递归),形成材质的层次结构。

材质Fabric具有materials属性,这个materials属性的子属性的值都是一个材质Fabric,也就是一种材质。这些materials可以在componentssource属性中引用。例如,一个代表塑料的材质可以通过设置diffuseMapspecularMap来实现。

{
  type : 'OurMappedPlastic',
  materials : {
    diffuseMaterial : {
      type : 'DiffuseMap'
    },
    specularMaterial : {
      type : 'SpecularMap'
    }
  },
  components : {
      diffuse : 'diffuseMaterial.diffuse',
      specular : 'specularMaterial.specular'
  }
};

上边这段代码中,components属性中有漫反射diffuse以及镜面反射specular属性,他们从材质的materials属性中提取数值。命名为diffuseMaterialspecularMaterial的子属性(通过类型DiffuseMapSpecularMap创建,不要混淆了名称——实例——类型(也可以叫类))。在componentssource属性中,子属性可以通过字段名来访问,就像他们是czm_material结构体,因此在上面代码中通过.diffuse.specular字段可以访问。

鉴于这一点,我们的材质material可以像其他材质material一样被使用。

var m = Material.fromType('OurMappedPlastic');
polygon.material = m;

m.materials.diffuseMaterial.uniforms.image = 'diffuseMap.png';
m.materials.specularMaterial.uniforms.image = 'specularMap.png';

5、Fabric 的结构

FabricJSON结构描述在Cesium仓库中。所有Fabric属性、子属性的细节,包括type, materials, uniforms, components, source。有一些JSON。除了更严格的Fabric文档外,该模式还可用于使用JSV等工具来验证Fabric。

6、渲染管线中的材质(使用GLSL自定义材质)

几何对象包括 Polygon, PolylineCollection, Ellipsoid, CustomSensorVolume,等,都与材质系统整合以支持材质。大多数用户只需简单设置他们所需的材质属性即可,但对于想用书写自定义渲染代码的用户,可能也需要与材质系统结合。

从渲染的角度,材质是GLSL 函数,czm_getMaterial,以及uniforms的组合。片元着色器需要构造一个czm_MaterialInput,调用czm_getMaterial函数,之后将计算的czm_material结果传递给lighting函数,以计算片元着色器颜色。

在JavaScript中,对象应该有一个公共的material属性。当这个属性变化时,update函数应该将材质中的GLSL源预置到几何对象的片元着色器中,并且组合几何对象和材料的uniforms

var fsSource =
  this.material.shaderSource +
  ourFragmentShaderSource;

this._drawUniforms = combine([this._uniforms, this.material._uniforms]);
作者:|Nicander|,原文链接: https://www.cnblogs.com/Nicander/p/17238872.html

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