Cesium 顶点着色器修改:自定义顶点处理逻辑

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本文介绍了如何在 Cesium 中修改顶点着色器以实现自定义的顶点处理逻辑,如顶点位移和根据高度计算颜色。通过示例代码展示了如何添加 uniform 和 attribute 变量,并使用模型视图投影矩阵进行变换。修改顶点着色器需要图形编程知识和对 WebGL 渲染管线的理解,同时要考虑性能和兼容性问题。

顶点着色器是在图形渲染管线中负责处理顶点数据的程序,它的作用是对输入的顶点进行变换和处理,为后续的光栅化阶段提供所需的顶点属性信息。在 Cesium 中,顶点着色器的修改可以帮助我们实现一些自定义的顶点处理逻辑,以满足特定的需求。本文将介绍如何在 Cesium 中修改顶点着色器,并提供相应的源代码示例。

Cesium 是一个基于 WebGL 的地理信息可视化引擎,它提供了丰富的地理数据可视化功能。在 Cesium 中,顶点着色器位于渲染管线的顶点处理阶段,用于对顶点进行变换、计算顶点属性等操作。通过修改顶点着色器,我们可以实现一些定制化的效果,例如顶点位移、颜色计算等。

在 Cesium 中,顶点着色器的修改可以通过自定义的着色器程序实现。下面是一个简单的示例,展示了如何在 Cesium 中修改顶点着色器来实现顶点位移效果:

// 顶点着色器
attribute vec3 position;
uniform mat4 modelViewProjection;
uniform float displacement;

void main() {
    // 对顶点进行位移
    vec3 displacedPosition = position + vec3(0.0, displacement, 0.0);
    
    // 计算最终的顶点位置
    gl_Position = modelViewProjection * vec4(displacedPosition, 1.0);
}

在上述代码中,我们通过添加一个名为 displacement 的 uniform 变量来控制顶点

<think> 我们将在Cesium中通过自定义材质着色器为线条内部添加方向箭头。核心思路是在片段着色器中根据纹理坐标计算箭头图案,并叠加到原始线条颜色上。 ### 实现原理 1. **坐标系转换**:在片段着色器中获取线条的纹理坐标`st`(沿线条方向为s轴,垂直方向为t轴) 2. **箭头定位**:沿s轴等间距重复箭头图案 3. **形状生成**:利用距离场技术生成三角形箭头 ### 关键步骤 #### 1. 定义箭头形状函数 在片段着色器中创建函数,判断当前点是否在箭头区域内: ```glsl // 输入:当前点st坐标,箭头宽度width,箭头高度height bool isInArrow(vec2 st, float width, float height){ // 箭头底部从0.5-width/2到0.5+width/2 // 箭头顶部尖点位于(0.5, 1.0) // 计算到箭头左边界的有符号距离 float left = st.x - (0.5 - width/2.0); // 计算到箭头右边界的有符号距离 float right = (0.5 + width/2.0) - st.x; // 计算到箭头底部的距离 float bottom = st.y; // 箭头顶部斜边:y方向从0到1,x方向从两侧向中心收缩 float slope = (1.0 - st.y) / height; // height控制箭头尖度 float leftEdge = st.x - (0.5 - width/2.0 + slope * width/2.0); float rightEdge = (0.5 + width/2.0 - slope * width/2.0) - st.y; // 判断点是否在箭头区域内 return (left >= 0.0 && right >= 0.0 && bottom >= 0.0 && leftEdge >= 0.0 && rightEdge >= 0.0); } ``` #### 2. 在片段着色器中集成 ```glsl czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput){ czm_material material = czm_getDefaultMaterial(materialInput); // 获取纹理坐标(沿线条方向为st.s,垂直方向为st.t) vec2 st = materialInput.st; // 原始线条颜色(示例为蓝色) vec4 lineColor = vec4(0.0, 0.5, 1.0, 1.0); // 箭头参数 float arrowWidth = 0.3; // 箭头底部宽度(归一化值) float arrowHeight = 0.3; // 箭头高度(归一化值) float spacing = 0.5; // 箭头间距(占整个线条的比例) // 计算重复的箭头位置(沿s轴重复) float arrowPos = fract(st.s / spacing); // 创建局部坐标(将箭头定位在当前段) vec2 arrowSt = vec2(arrowPos, st.t); // 检查当前点是否在箭头内 if (isInArrow(arrowSt, arrowWidth, arrowHeight)) { material.diffuse = vec3(1.0, 0.0, 0.0); // 箭头颜色(红色) material.alpha = 1.0; } else { material.diffuse = lineColor.rgb; material.alpha = lineColor.a; } return material; } ``` #### 3. 优化箭头显示(抗锯齿) ```glsl // 改进的isInArrow函数(添加距离场和抗锯齿) float arrowSDF(vec2 st, float width, float height){ // 计算到箭头各边界的距离 vec2 center = vec2(0.5, 0.0); vec2 tip = vec2(0.5, 1.0); // 计算箭头底部两个角点 vec2 bottomLeft = vec2(0.5 - width/2.0, 0.0); vec2 bottomRight = vec2(0.5 + width/2.0, 0.0); // 计算到两侧斜边的距离 float d1 = distanceToLine(st, bottomLeft, tip); float d2 = distanceToLine(st, bottomRight, tip); // 计算到底部的距离 float d3 = st.y; // 到y=0的距离 // 取最小距离作为SDF return min(d3, min(d1, d2)); } // 在czm_getMaterial中使用SDF float sdf = arrowSDF(arrowSt, arrowWidth, arrowHeight); float antialias_range = 0.01; // 抗锯齿范围 float arrowFactor = 1.0 - smoothstep(0.0, antialias_range, sdf); // 混合箭头颜色 vec4 finalColor = mix(lineColor, vec4(1.0,0.0,0.0,1.0), arrowFactor); material.diffuse = finalColor.rgb; material.alpha = finalColor.a; ``` ### 完整示例代码 ```glsl // 自定义材质:带方向箭头的线条 czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput){ czm_material material = czm_getDefaultMaterial(materialInput); vec2 st = materialInput.st; // 基础线条颜色(蓝色) vec4 lineColor = vec4(0.0, 0.5, 1.0, 1.0); // 箭头参数 float arrowWidth = 0.3; float arrowHeight = 0.3; float spacing = 0.5; float arrowPos = fract(st.s / spacing); vec2 arrowSt = vec2(arrowPos, st.t); // 计算箭头SDF(有向距离场) float sdf = arrowSDF(arrowSt, arrowWidth, arrowHeight); // 抗锯齿渲染 float antialias = 0.01; float arrowFactor = 1.0 - smoothstep(0.0, antialias, sdf); // 混合颜色 vec4 finalColor = mix(lineColor, vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0), arrowFactor); material.diffuse = finalColor.rgb; material.alpha = finalColor.a; return material; } // 计算点到线段的距离 float distanceToLine(vec2 p, vec2 a, vec2 b){ vec2 pa = p - a; vec2 ba = b - a; float h = clamp(dot(pa, ba) / dot(ba, ba), 0.0, 1.0); return length(pa - ba * h); } // 箭头SDF函数 float arrowSDF(vec2 st, float width, float height){ // 箭头底部两个角点 vec2 bottomLeft = vec2(0.5 - width/2.0, 0.0); vec2 bottomRight = vec2(0.5 + width/2.0, 0.0); vec2 tip = vec2(0.5, height); // 箭头尖点 // 计算到三条边的距离 float d1 = distanceToLine(st, bottomLeft, tip); float d2 = distanceToLine(st, bottomRight, tip); float d3 = st.y; // 底部边界(y=0) // 返回最小距离(内部为负值) return min(d3, min(d1, d2)); } ``` ### 使用注意事项 1. **参数调整**:根据实际线条宽度调整`arrowWidth`和`arrowHeight` 2. **方向控制**:若需要反向箭头,可修改`tip`坐标的y值为负 3. **性能优化**:复杂线条建议使用预生成箭头纹理替代实时SDF计算 > **技术要点**:通过有向距离场(SDF)生成几何图形可实现任意分辨率下的清晰显示,结合`smoothstep`函数实现抗锯齿边缘[^2]。 §§相关问题§§ 1. 如何在Cesium中实现动态移动的箭头效果(如流动方向指示)? 2. 如何优化复杂SDF计算的性能? 3. Cesium中如何为3D管线(如管道)添加方向标记? </think> ### 在Cesium着色器中为线条添加方向箭头的实现方法 在Cesium中为线条内部添加方向箭头需要巧妙利用纹理坐标和数学计算,以下是完整实现方案: #### 核心原理 ```glsl // 关键算法框架 czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput i) { czm_material m = czm_getDefaultMaterial(i); vec2 st = i.st; // 获取纹理坐标 // 箭头生成逻辑 if (shouldRenderArrow(st)) { m.diffuse = arrowColor; } else { m.diffuse = lineColor; } return m; } ``` #### 完整实现代码 ```glsl // 自定义材质:带方向箭头的线条 czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput) { czm_material material = czm_getDefaultMaterial(materialInput); vec2 st = materialInput.st; // 线条基础颜色 vec4 lineColor = vec4(0.0, 0.5, 1.0, 1.0); // 蓝色线条 vec4 arrowColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 红色箭头 // 箭头参数 float arrowSpacing = 0.2; // 箭头间距(0-1) float arrowSize = 0.1; // 箭头大小 float arrowTip = 0.9; // 箭头尖端位置 // 计算箭头位置 (沿s轴重复) float arrowPos = fract(st.s / arrowSpacing); // 仅在箭头区域绘制 if (arrowPos > arrowTip - arrowSize && arrowPos < arrowTip) { // 计算归一化坐标 float normalizedPos = (arrowPos - (arrowTip - arrowSize)) / arrowSize; // 箭头形状计算:等腰三角形 float tipPosition = 0.5; // 箭头尖端在中心 float arrowWidth = 0.5 * (1.0 - normalizedPos); // 箭头宽度渐变 // 判断是否在箭头区域内 (y方向在[-arrowWidth, arrowWidth]之间) if (abs(st.t - 0.5) < arrowWidth && st.t > 0.5 - arrowWidth) { material.diffuse = arrowColor.rgb; material.alpha = arrowColor.a; return material; } } // 绘制线条主体 material.diffuse = lineColor.rgb; material.alpha = lineColor.a; return material; } ``` #### 关键参数说明 | 参数 | 类型 | 默认值 | 说明 | |------|------|--------|------| | `arrowSpacing` | `float` | 0.2 | 箭头间距(沿线条方向) | | `arrowSize` | `float` | 0.1 | 箭头大小 | | `arrowTip` | `float` | 0.9 | 箭头尖端位置 | | `lineColor` | `vec4` | 蓝色 | 线条基础颜色 | | `arrowColor` | `vec4` | 红色 | 箭头颜色 | #### 动态箭头方向调整 要使箭头方向适应线条走向,需结合线条角度: ```glsl // 添加顶点着色器输出 varying float v_polylineAngle; // 从顶点着色器传递线条角度 // 在片段着色器中 float angle = v_polylineAngle; mat2 rotation = mat2(cos(angle), -sin(angle), sin(angle), cos(angle)); // 旋转坐标使箭头对齐线条方向 vec2 rotatedSt = rotation * (st - vec2(0.5)) + vec2(0.5); ``` #### 使用示例 ```javascript // 创建带箭头的线条材质 const arrowLineMaterial = new Cesium.Material({ fabric: { type: 'ArrowLine', source: shaderSource, // 上面的GLSL代码 uniforms: { arrowSpacing: 0.3, arrowSize: 0.15 } } }); // 应用到图元 const polyline = viewer.entities.add({ polyline: { positions: Cesium.Cartesian3.fromDegreesArray([...]), width: 10, material: arrowLineMaterial } }); ``` #### 优化技巧 1. **动画效果**:添加时间变量创建流动箭头 ```glsl float movingArrow = fract(st.s / arrowSpacing + czm_frameNumber * 0.01); ``` 2. **动态尺寸**:根据缩放级别调整箭头大小 ```glsl float screenSize = czm_metersPerPixel * arrowScale; ``` 3. **距离衰减**:远处减少箭头密度 ```glsl float density = clamp(1.0 / (czm_metersPerPixel * 10.0), 0.1, 1.0); ``` > **提示**:在Sandcastle中使用`viewer.scene.debugShowFramesPerSecond = true`监控性能影响[^1]
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