Cesium(三) 几何图形与外观
几何图形与外观
我们可以通过Primitive API来操控几何图形及其外观，或者绘制各种特殊的形状。需要先得到Scene对象，然后在其上添加Primitive对象：
var viewer = new Cesium.Viewer('cesiumContainer');
var scene = viewer.scene;
scene.primitives.add(new Cesium.RectanglePrimitive({
//绘制矩形
rectangle : Cesium.Rectangle.fromDegrees(-100.0, 20.0, -90.0, 30.0),
material : Cesium.Material.fromType('Dot') //设置材质
}));
Primitive由两个部分组成：
- （1）几何形状（Geometry）：定义了Primitive的结构，例如三角形、线条、点等
- （2）外观（Appearance ）：定义Primitive的着色（Sharding），包括GLSL（OpenGL着色语言，OpenGL Shading Language）顶点着色器和片段着色器（ vertex and fragment shaders），以及渲染状态（render state）
Cesium支持以下几何图形：
| 几何图形 | 说明 |
| BoxGeometry | 立方体 |
| BoxOutlineGeometry | 仅有轮廓的立方体 |
| CircleGeometry | 圆形或者拉伸的圆形 |
| CircleOutlineGeometry | 只有轮廓的圆形 |
| CorridorGeometry | 走廊：沿着地表的多段线，且具有一定的宽度，可以拉伸到一定的高度 |
| CorridorOutlineGeometry | 只有轮廓的走廊 |
| CylinderGeometry | 圆柱、圆锥或者截断的圆锥 |
| CylinderOutlineGeometry | 只有轮廓的圆柱、圆锥或者截断的圆锥 |
| EllipseGeometry | 椭圆或者拉伸的椭圆 |
| EllipseOutlineGeometry | 只有轮廓的椭圆或者拉伸的椭圆 |
| EllipsoidGeometry | 椭球体 |
| EllipsoidOutlineGeometry | 只有轮廓的椭球体 |
| RectangleGeometry | 矩形或者拉伸的矩形 |
| RectangleOutlineGeometry | 只有轮廓的矩形或者拉伸的矩形 |
| PolygonGeometry | 多边形，可以具有空洞或者拉伸一定的高度 |
| PolygonOutlineGeometry | 只有轮廓的多边形 |
| PolylineGeometry | 多段线，可以具有一定的宽度 |
| SimplePolylineGeometry | 简单的多段线 |
| PolylineVolumeGeometry | 多段线柱体 |
| PolylineVolumeOutlineGeometry | 只有轮廓的多段线柱体 |
| SphereGeometry | 球体 |
| SphereOutlineGeometry | 只有轮廓的球体 |
| WallGeometry | 墙 |
| WallOutlineGeometry | 只有轮廓的墙 |
使用Geometry和Appearance 具有以下优势：
- （1）性能：绘制大量Primitive时，可以将其合并为单个Geometry以减轻CPU负担、更好的使用GPU。合并Primitive由web worker线程执行，UI保持响应性
- （2）灵活性：Geometry与Appearance 解耦，两者可以分别进行修改
- （3）低级别访问：易于编写GLSL 顶点、片段着色器、使用自定义的渲染状态
同时，具有以下劣势：
- （1）需要编写更多地代码
- （2）需要对图形编程有更多的理解，特别是OpenGL的知识
使用来Geometry、Appearance 改写上面的例子，代码为：
var viewer = new Cesium.Viewer('cesiumContainer');
var scene = viewer.scene;
//GeometryInstance是Geometry的一个容器
var instance = new Cesium.GeometryInstance({
geometry : new Cesium.RectangleGeometry({
rectangle : Cesium.Rectangle.fromDegrees(-100.0, 20.0, -90.0, 30.0),
vertexFormat : Cesium.EllipsoidSurfaceAppearance.VERTEX_FORMAT
})
});
//使用抽象的Primitive而不是RectanglePrimitive
scene.primitives.add(new Cesium.Primitive({
geometryInstances : instance,
//使用该外观，可以使矩形覆盖在地球表面，或者悬浮一定的高度
appearance : new Cesium.EllipsoidSurfaceAppearance({
material : Cesium.Material.fromType('Dot')
})
}));
合并几何图形（Combing Geometries）
合并多个GeometryInstances 为一个Primitive可以极大的提高性能，下面的例子创建了2592一颜色各异的矩形，覆盖整个地球 ：
var viewer = new Cesium.Viewer( 'cesiumContainer' );
var scene = viewer.scene;
var instances = [];
for ( var lon = -180.0; lon < 180.0; lon += 5.0 )
{
for ( var lat = -90.0; lat < 90.0; lat += 5.0 )
{
instances.push( new Cesium.GeometryInstance( {
geometry : new Cesium.RectangleGeometry( {
rectangle : Cesium.Rectangle.fromDegrees( lon, lat, lon + 5.0, lat + 5.0 )
} ),
attributes : {
color : Cesium.ColorGeometryInstanceAttribute.fromColor( Cesium.Color.fromRandom( {
alpha : 0.5
} ) )
}
} ) );
}
}
scene.primitives.add( new Cesium.Primitive( {
geometryInstances : instances, //合并
//某些外观允许每个几何图形实例分别指定某个属性，例如：
appearance : new Cesium.PerInstanceColorAppearance()
} ) );
选取几何图形（Picking）
即使多个 GeometryInstance被合并为单个Primitive，让然可以独立的被访问。我们可以为每一个GeometryInstance指定一个id，并且可以通过Scene.pick来判断该实例是否被选取：
var viewer = new Cesium.Viewer( 'cesiumContainer' );
var scene = viewer.scene;
var instance = new Cesium.GeometryInstance( {
geometry : new Cesium.RectangleGeometry( {
rectangle : Cesium.Rectangle.fromDegrees( -100.0, 30.0, -90.0, 40.0 )
} ),
id : 'rectangle-1',
attributes : {
color : Cesium.ColorGeometryInstanceAttribute.fromColor( Cesium.Color.RED )
}
} );
scene.primitives.add( new Cesium.Primitive( {
geometryInstances : instance,
appearance : new Cesium.PerInstanceColorAppearance()
} ) );
var handler = new Cesium.ScreenSpaceEventHandler( scene.canvas );
//设置单击事件的处理句柄
handler.setInputAction( function( movement )
{
var pick = scene.pick( movement.position );
if ( Cesium.defined( pick ) && ( pick.id === 'rectangle-1' ) )
{
console.log( '矩形被选取' );
}
}, Cesium.ScreenSpaceEventType.LEFT_CLICK );
几何图形实例（Geometry Instances）
上面的例子中，我们已经用到了GeometryInstances，注意GeometryInstance与Geometry的关系：前者是后者的容器，多个Instance可以共用一个Geometry，并且可以通过GeometryInstances.modelMatrix属性提供不同position、scale、rotate等位置、缩放、旋转信息。例如，下面的例子使用同一个Geometry绘制了两个Instance，一个位于另一个的上方：
var viewer = new Cesium.Viewer( 'cesiumContainer' );
var scene = viewer.scene;
var ellipsoidGeometry = new Cesium.EllipsoidGeometry( {
vertexFormat : Cesium.PerInstanceColorAppearance.VERTEX_FORMAT,
radii : new Cesium.Cartesian3( 300000.0, 200000.0, 150000.0 )//三轴半径
} );
//下方的实例
var cyanEllipsoidInstance = new Cesium.GeometryInstance( {
geometry : ellipsoidGeometry,
modelMatrix : Cesium.Matrix4.multiplyByTranslation( Cesium.Transforms.eastNorthUpToFixedFrame( Cesium.Cartesian3.fromDegrees( -100.0, 40.0 ) ), new Cesium.Cartesian3( 0.0, 0.0, 150000.0 ) ),
attributes : {
color : Cesium.ColorGeometryInstanceAttribute.fromColor( Cesium.Color.CYAN )
}
} );
//上方的实例
var orangeEllipsoidInstance = new Cesium.GeometryInstance( {
geometry : ellipsoidGeometry,
modelMatrix : Cesium.Matrix4.multiplyByTranslation( Cesium.Transforms.eastNorthUpToFixedFrame( Cesium.Cartesian3.fromDegrees( -100.0, 40.0 ) ), new Cesium.Cartesian3( 0.0, 0.0, 450000.0 ) ),
attributes : {
color : Cesium.ColorGeometryInstanceAttribute.fromColor( Cesium.Color.ORANGE )
}
} );
scene.primitives.add( new Cesium.Primitive( {
geometryInstances : [
cyanEllipsoidInstance, orangeEllipsoidInstance
],
appearance : new Cesium.PerInstanceColorAppearance( {
translucent : false,
closed : true
} )
} ) );
更新单个GeometryInstance的属性
在添加到Primitive中以后，让然可以修改几何图形的某些属性：
- （1）颜色：如果Primitive设置了PerInstanceColorAppearance外观，则可以修改ColorGeometryInstanceAttribute类型的颜色
- （2）可见性：任何实例可以修改可见性
示例代码：
var viewer = new Cesium.Viewer( 'cesiumContainer' );
var scene = viewer.scene;
var circleInstance = new Cesium.GeometryInstance( {
geometry : new Cesium.CircleGeometry( {
center : Cesium.Cartesian3.fromDegrees( -95.0, 43.0 ),
radius : 250000.0,
vertexFormat : Cesium.PerInstanceColorAppearance.VERTEX_FORMAT
} ),
attributes : {
color : Cesium.ColorGeometryInstanceAttribute.fromColor( new Cesium.Color( 1.0, 0.0, 0.0, 0.5 ) ),
show : new Cesium.ShowGeometryInstanceAttribute( true ) //显示或者隐藏
},
id : 'circle'
} );
var primitive = new Cesium.Primitive( {
geometryInstances : circleInstance,
appearance : new Cesium.PerInstanceColorAppearance( {
translucent : false,
closed : true
} )
} );
scene.primitives.add( primitive );
//定期修改颜色
setInterval( function()
{
var attributes = primitive.getGeometryInstanceAttributes( 'circle' );//获取某个实例的属性集
attributes.color = Cesium.ColorGeometryInstanceAttribute.toValue( Cesium.Color.fromRandom( {
alpha : 1.0
} ) );
}, 2000 );
外观（Appearances）
Primitive由两个重要部分组成：几何图形实例、外观，一个Primitive只能有一个外观，而可以有多个实例。几何图形定义了结构，外观定义了每个像素被如何着色，外观可能使用材质（Material）。这些对象的关系如下图所示：
Cesium支持下表列出的外观：
| 外观 | 说明 |
| MaterialAppearance | 支持各种Geometry类型的外观，支持使用材质来定义着色 |
| EllipsoidSurfaceAppearance | MaterialAppearance的一个版本。假设几何图形与地表是平行的，并且依此来进行顶点属性（vertex attributes）的计算 |
| PerInstanceColorAppearance | 让每个实例使用自定义的颜色来着色 |
| PolylineMaterialAppearance | 支持使用材质来着色多段线 |
| PolylineColorAppearance | 使用每顶点或者每片段（per-vertex or per-segment ）的颜色来着色多段线 |
外观定义了需要在GPU上执行的完整的GLSL顶点、片段着色器，通常不需要修改这一部分，除非需要定义自己的外观。
外观还定义了完整的render state，用于在绘制Primitive时控制GPU的状态，可以直接或者通过高层API来定义render state：
//下面的外观可用于定义一个Viewer不可进入的不透明盒子
var appearance = new Cesium.PerInstanceColorAppearance( {
translucent : false,
closed : true
} );
//下面的代码效果同上
var translucent = new Cesium.PerInstanceColorAppearance( {
renderState : {
depthTest : {
enabled : true
},
cull : {
enabled : true,
face : Cesium.CullFace.BACK
}
}
} );
一旦外观被创建，其render state就不可再变，但是其材质是可以替换的。另外Primitive的外观也是不可修改的。
大部分外观具有flat、faceForward属性，可以间接的控制GLSL 着色器：
- （1）flat：扁平化着色，不考虑光线的作用
- （2）faceForward：布尔值，控制光照效果
Geometry与Appearance的兼容性
需要注意，不是所有外观和所有几何图形可以搭配使用，例如EllipsoidSurfaceAppearance与WallGeometry就不能搭配，原因是后者是垂直于地表的。
即使外观与几何图形兼容，它们还必须有匹配的顶点格式（vertex formats）—— 即几何图形必须具有外观可以作为输入的数据格式，在创建Geometry时可以提供VertexFormat。
为了简便，可以让Geometry计算所有顶点属性（vertex attributes），以使之适用于任何外观，但这样做效率较差：
var geometry = new Cesium.RectangleGeometry( {
vertexFormat : Cesium.VertexFormat.ALL
} );
而如果我们使用外观EllipsoidSurfaceAppearance，其实只需要知道位置：
var geometry = new Ceisum.RectangleGeometry( {
vertexFormat : Ceisum.VertexFormat.POSITION_ONLY
} );
大部分外观具有vertexFormat属性或者VERTEX_FORMAT 静态常量，创建形状时只需要使用这些顶点格式即可：
var geometry = new Ceisum.RectangleGeometry( {
vertexFormat : Ceisum.EllipsoidSurfaceAppearance.VERTEX_FORMAT
} );
var geometry2 = new Ceisum.RectangleGeometry( {
vertexFormat : Ceisum.PerInstanceColorAppearance.VERTEX_FORMAT
} );
var appearance = new Ceisum.MaterialAppearance();
var geometry3 = new Ceisum.RectangleGeometry( {
vertexFormat : appearance.vertexFormat
} );
此外，两个形状必须具有匹配的vertexFormat，才能被合并到一个Primitive中。