Cesium 基于 Framebuffer 的几种 pick 方式

Freedomerr

于 2025-03-12 14:03:28 发布

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分类专栏： Cesium GPU 三维渲染文章标签：图形渲染 3d

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上篇聊了关于GPU拾取的几种方式。GPU 拾取的多重奇幻之旅：颜色编码、G-Buffer 与光线追踪的全景探索

本篇来聊聊Cesium应用的两种拾取方式: 颜色编码, 深度缓存。

Cesium相关 pick API这里就不介绍咯, 可以直接去官方文档查阅!

总的来说, 一般在渲染引擎会提供在交互拾取时所需的 object和position。

Cesium是使用颜色编码拾取物体或物体上的metadata信息, 使用深度缓存提取当前像素上的 worldPosition。

先来看看基于颜色编码拾取物体流程: (以Primitive为例)

在批量处理数据时会为object或实例创建一个唯一的整数ID并转换为颜色存储到batchTable或batchTexture里(颜色编码最多 4294967295 个, 就是当前可以维护这些数量的可拾取物, 超出会报错), 且颜色编码的映射维护在上下文里的 pickObjects里(着色器里会通过 czm_batchTable_pickColor 函数获取到当前的编码ID)。
在 createCommands 之后, 会依据配置 ‘allowPicking’ 给当前 command添加 pickID: ‘v_pickColor’。
在 Scene 进行 Frame Render 的时候, 会更新 DerivedCommand, 这时候会依据当前 Command 是否具有 pickID 而决定是否创建输出颜色编码的ShaderProgram 及 Command。
在调用 scene.pick时, 会将当前 pass 通道的其它值改为false, pick改为true,更新pickFramebuffer, 及停止其他渲染工作。
绑定 pickFramebuffer, 执行 pickCommand, 执行 Draw Call, 将当前颜色编码通过 out_FragColor 输出到当前FBO上。
以当前鼠标点为中心, 调用 readPixels 读取长宽默认为 3 的正方形上的像素值, 然后通过螺旋扫描算法寻找当前颜色编码对应的primitive。

虽然说颜色编码在GPU拾取中并不是最好的方案, 但Cesium本身从Real-Time Rendering角度架构设计, 对颜色编码做了很多优化方案: 诸如: Scissor Test, Culling Volumn等弥补颜色编码在超大场景中可能频繁Draw Call带来的通信成本。

下面来聊聊基于深度缓存的pickPosition:

从render开始, Cesium就会准备 pickDepthbuffer 来接收片元着色器输出的 gl_FragDepth (一般会处理成 logDepth 对数深度, 默认不包含透明物体的深度值)。
当Scene的 pickTranslucentDepth 设置为true时, Cesium 在处理 Current Frame 中的 commands的时候, 会重新写入深度缓存, 但大致的设计流程是和 pickObject一样的(透明物体的处理涉及到 MRT, OIT, Blend 等其它渲染内容, 打算后面仔细说说)。
从 depthBuffer 中获取深度值, 然后进行世界坐标的转换, 可以一起仔细看看这一块代码。


/**
 * @private
 */
SceneTransforms.drawingBufferToWorldCoordinates = function (
  scene,
  drawingBufferPosition,
  depth,
  result,
) {
  const context = scene.context;
  const uniformState = context.uniformState;
  const currentFrustum = uniformState.currentFrustum;
  const near = currentFrustum.x;
  const far = currentFrustum.y;
  
  // 默认是开启 logDepth 来消除 z-fighting
  if (scene.frameState.useLogDepth) {
    // transforming logarithmic depth of form
    // log2(z + 1) / log2( far + 1);
    // to perspective form
    // (far - far * near / z) / (far - near)
    const log2Depth = depth * uniformState.log2FarDepthFromNearPlusOne;
    const depthFromNear = Math.pow(2.0, log2Depth) - 1.0;
    depth = (far * (1.0 - near / (depthFromNear + near))) / (far - near);
  }

  // 这里得到的深度值是由 gl_FragDepth 输出的标准设备坐标, 
  // 所以要有完整的 x, y, z 的NDC坐标去反推世界坐标
  const viewport = scene.view.passState.viewport;
  const ndc = Cartesian4.clone(Cartesian4.UNIT_W, scratchNDC);
  ndc.x = ((drawingBufferPosition.x - viewport.x) / viewport.width) * 2.0 - 1.0;
  ndc.y =
    ((drawingBufferPosition.y - viewport.y) / viewport.height) * 2.0 - 1.0;
  ndc.z = depth * 2.0 - 1.0;
  ndc.w = 1.0;
  let worldCoords;
  let frustum = scene.camera.frustum;
  // 正交投影的变换
  if (!defined(frustum.fovy)) {
    const offCenterFrustum = frustum.offCenterFrustum;
    if (defined(offCenterFrustum)) {
      frustum = offCenterFrustum;
    }
    worldCoords = scratchWorldCoords;

    // 由于正交投影是线性变换, 
    // 只需将NDC坐标从标准设备空间转换到正交视锥体即可,得到投影坐标
    worldCoords.x =
      (ndc.x * (frustum.right - frustum.left) + frustum.left + frustum.right) *
      0.5;
    worldCoords.y =
      (ndc.y * (frustum.top - frustum.bottom) + frustum.bottom + frustum.top) *
      0.5;
    worldCoords.z = (ndc.z * (near - far) - near - far) * 0.5;
    worldCoords.w = 1.0;
    // 投影坐标 乘以 视图逆矩阵 得到 世界坐标
    worldCoords = Matrix4.multiplyByVector(
      uniformState.inverseView,
      worldCoords,
      worldCoords,
    );
  } else {
    // 如果是透视投影, 直接与视图投影逆矩阵相乘, 得到世界坐标
    worldCoords = Matrix4.multiplyByVector(
      uniformState.inverseViewProjection,
      ndc,
      scratchWorldCoords,
    );
    // 将世界坐标转换为标准的笛卡尔坐标, 
    // 由于正交投影没有透视作用, w会一直为 1
    // Reverse perspective divide
    const w = 1.0 / worldCoords.w;
    Cartesian3.multiplyByScalar(worldCoords, w, worldCoords);
  }
  return Cartesian3.fromCartesian4(worldCoords, result);
};

上面是从得到深度值到输出笛卡尔世界坐标的主要流程, 我们平时使用渲染引擎不会考虑到这些, 渲染引擎默认处理流程世界坐标 -> 本地坐标 -> 投影坐标 -> NDC标准设备坐标, pickPosition 的坐标流程逆推。

这里提到了坐标转换, 本人向提一嘴之前写的一个library, 类似于 babylon 的 gizmo, 有兴趣的话可以研究一下, 点个star

在cesium场景中通过拖拽轴对几何体做几何变换

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