材质（Fabric）

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2023-12-01

原文地址：https://github.com/AnalyticalGraphicsInc/cesium/wiki/Fabric

介绍

Fabric 是Cesium中基于JSON格式来描述materials的机制。材质描述多边形、折线、椭球等对象的外观特征。
材质可以简单的是覆盖一张图片，或者是条纹或者棋盘图案。使用Fabric 和GLSL，可以从零开始写脚本新建材质，也可以从现有的材质中派生。比如潮湿碎裂的砖块可以使用程序生成的纹理、凹凸贴图和反射贴图来组合。
对象通过material 属性来支持材质效果。当前这些对象是多边形、折线、椭球等（这篇文章写的较早，其实现在已经很多几何体都支持材质了）。

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

上面，Color是一个内置材质，它表示了包含透明度在内的一个颜色值。Material.fromType是简略写法，完整的Fabric的JSON应该是这样的：

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

每一个材质包含0或者更多个uniforms，uniform是一种输入参数变量，在创建材质时或者创建材质后修改。比如， Color有一个 color uniform ，它包含red, green, blue, 和alpha四个部件。

polygon.material = new Cesium.Material({
  fabric : {
    type : 'Color',
    uniforms : {
      color : new Cesium.Color(1.0, 0.0, 0.0, 0.5)
    }
  }
});
// 把红色半透明修改为 白色不透明
polygon.material.uniforms.color = Cesium.Color.WHITE;

内置材质

Cesium有一些内置材质，应用最广泛的是这两个:

名称	效果图	描述
`Color`		包含透明通道的颜色值
`Image`		jpg或者png格式的图片，可以带透明通道，用`rgb`表示颜色，`a`表示透明度

如同上面的 Color 一样，所有的内置材质都可以这么创建。比如:

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

或者

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

程序生成的纹理（Procedural Textures）

程序生成的纹理，他们不依赖于外部图片文件，是通过GPU编程计算的图案，他们可以表示颜色和透明。

名称	效果图	描述
棋盘图`Checkerboard`		明暗交替组成的棋盘图。
条纹`Stripe`		水平或者垂直方向明暗交替的图案
斑点`Dot`		按行列排列的点组成
网格`Grid`		网格边线，描述3D体的时候有用

基本材质

Base materials represent fine-grain fundamental material characteristics, such as how much incoming light is reflected in a single direction, i.e., the specular intensity, or how much light is emitted, i.e., the emission. These materials can be used as is, but are more commonly combinedusing Fabric to create a more complex material.

名称	效果图	描述
漫反射贴图`DiffuseMap`		一张图片定义了光在所有方向上的散射颜色，一般是个三维向量（`vec3`）
高光反射贴图 `SpecularMap`		一张图片，定义了光在某一个方向上的反射颜色，一般是个标量（`scalar`)，通常用来模拟某个光亮的平面，比如陆地上的水面。
透明贴图`AlphaMap`		一张图片，定义了材质透明度，一般是个标量（`scalar`)。通常让一部分表面透明或者半透明，比如栅栏
法向贴图`NormalMap`	个人感觉原文这张法向贴图不太对	一张图片，定义了在切线空间定义了表面的法向量，一般是个三维向量（ `vec3`）。法向贴图在不增加几何体复杂度的前提下，提升了表面渲染的细节
凹凸贴图`BumpMap`		一张图片，定义了表面的高度，一般是个标量（`scalar`)。就像法向贴图，也可以在不增加几何体复杂度的前提下，提升了表面渲染的细节，它通过相邻像素之间的差异来微调法向量
自发光贴图 `EmissionMap`		一张图片，定义了材质在所有方向上发光颜色，一般是个三维向量（`vec3`）。比如走廊里的灯泡

折线材质

这只一种只能添加到折线几何体上的材质。

名称	效果图	描述
带箭头折线`PolylineArrow`		在折线尾端增加一个箭头
泛光折线 `PolylineGlow`		折线泛光
带边界折线`PolylineOutline`		带边界折线

其他材质

还有一些不适合归到其他类的材质

名称	效果图	描述
水面 `Water`		带波纹动画的水面
外轮廓高亮 `RimLighting`		高亮边缘或者轮廓

了解更多材质，可以去看下这个 Cesium Materials Plugin.

通用的Uniforms

很多材质都有一个image uniform，它是一个图片访问地址，或者数据URI。

polygon.material.uniforms.image = 'image.png';
polygon.material.uniforms.image = 'data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAABAAAAAQCAYAAAAf8/9hAAAAAXNSR0IArs4c6QAAAARnQU1BAACxjwv8YQUAAAAJcEhZcwAADsMAAA7DAcdvqGQAAAC/SURBVDhPrZPRDYQgEEQpjVKuFEvhw0IoxU6QgQwMK+vdx5FsooT3GHdjCM4qZnnnHvvkYoxFi/uvIhwiRCClXFC6v5UQ1uQAsbrkHCLsbaPjFgIzQQc1yUOwu33ePGE3BQUaee2BpjhbP5YUmkAlbNzsAURfBDqJnMIyyv4JjsCCgCnIR32uZUfcJuGBOwEk6bOKhoAADh31EIq3MgFg1mgkE1BA2AoUZoo2iZ3gyqGgmMDC/xWwkfb3/eUd7A1v3kxjNW9taQAAAABJRU5ErkJggg=='

一些材质，比如Diffuse 和 NormalMap 都要求图片至少有RGB三个通道。另一个材质，比如Specular和Alpha要求图片有一个通道。我们可以指定渲染的时候从哪些通道（或者什么顺序)从原始图片中读取数据，通过 channel这个字符串uniform来设置。比如，默认Specular材质是从 r读取高光反射参数。不过我们可以如下修改它：

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

这就是说可以把多个材质的信息放到一个图片里，比如在同一个图片内，用rgb通道存储diffuse值，用a通道存储specular值。也就是说，我们的图片只需要载入一次。
通常材质里有一个repeat uniform，它控制了图片在水平和垂直方向重复了多少次。这个在表面重复贴图的时候很方便：

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

创建新的材质

使用Fabric，只需要一点点GLSL或者其他材质就可以了。
如果不打算复用材质，那么不要设置type参数。

var fabric = {
   // 没有类型
   //fabric的剩余JSON值
};
polygon.material = new Cesium.Material({
  fabric : fabric
});

当在new Cesium.Material时，传入一个不存在的 type类型之后，这个材质将被缓存下来。下次调用 new Cesium.Material 或者 Material.fromType 就会引用缓存里的，就如同我们内置的材质一样，那时候就不需要提供整个Fabric的定义，而仅仅传递 type以及想更改的 uniforms值。

var fabric = {
   type : 'MyNewMaterial',
   //剩余JSON值
};
polygon.material = new Cesium.Material({
  fabric : fabric
});
//再次使用的时候，只需要这样
anotherPolygon.material = Material.fromType('MyNewMaterial');

Components

或许最简单有趣的材质就是纯白色散射光：

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

稍微复杂一点，增加一个高光元素，当视角正对反射光的时候更亮一些，当视角在边上的时候稍微亮一些。

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

components属性包含了定义了材质外观的子属性。每个子属性是一个GLSL的代码段，比如上面的vec3(0.5) ，它实际创建了一个三维向量，每个分量都设置为 0.5。这里可以访问所有的GLSL函数，包括 mix，cos,texture2D`等等。现在有5种子属性：

名称	默认值	说明
`diffuse`	`'vec3(0.0)'`	材质的散射光通道，使用 `vec3`定义了光在所有方向的散射值
`specular`	`0.0`	材质的高光属性。这个定义了材质的反射强度。
`shininess`	`1.0`	高光反射的锐度，值越大越创建一个更小的高亮光斑
`normal`		材质的法向属性。使用 `vec3`定义了在视点空间的表面法向量。一般在法向贴图上使用。默认是表面法向量。
`emission`	`'vec3(0.0)'`	材质的自发光属性。使用 `vec3`定义了所有方向上灯光发出的颜色。默认是`vec3(0.0)`，没有自发光。
`alpha`	`1.0`	材质的透明度。使用一个float值定义，`0.0`表示全透明; `1.0`表示不透明。

综上所述，子属性或者components 定义了材质的特点。他们是材质的输出值，是光照系统的输入值。

代码

提供完整的GLSL代码是一种比前面 components 更灵活的方式。通过自定义czm_getMaterial函数，返回材质的各个分量。代码如下：

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);

最简单的实现就是返回每个分量的默认值。

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

Fabric 这么定义:

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

下面的示例代码，只设置了diffuse和 specular分量的值：

czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput)
{
    czm_materialInput m = czm_getDefaultMaterial(materialInput);
    m.diffuse = vec3(0.5);
    m.specular = 0.5;
    return m;
}

source相对 components更加繁琐，但是更灵活，比如定义一些公用的函数，共享每个分量的计算过程等等。有个原则就是优先使用components属性，除非明确需要实现 czm_getMaterial函数。也就是说 components的子属性实际也是实现czm_getMaterial函数。而两种方式下，我们都可以访问GLSL 的内置函数和Cesium提供的GLSL函数（functions）, 变量（uniforms）, and 常量（constants）（链接已失效）。

材质输入

materialInput 变量在source和 components属性中都可以配置。它具有下面的字段，用来计算材质分量：

名称	默认值	说明
`s`	`float`	一维纹理坐标
`st`	`vec2`	二维纹理坐标
`str`	`vec3`	三维纹理坐标。注意这些维度不同的纹理坐标不一定分量相同，也就是说不能保证 `str.st == st` 和`st.s == s`。比如对于椭球体。一维纹理坐标`s`是从下到上。二维纹理坐标`st`是经度纬度。三维纹理坐标`str`是沿着坐标轴的包围盒
`tangentToEyeMatrix`	`mat3`	从片元的切线空间转到视点空间的转换矩阵，在法向贴图和凹凸贴图时使用。
`positionToEyeEC`	`vec3`	从片元到视点之间的向量，为了反射和折射计算。向量的模表示了从片元到视点的距离。
`normalEC`	`vec3`	片元在视点空间的单位化后的法向量，在凹凸贴图、反射、折射的时候使用。

把纹理坐标的st值显示出来的简单方法：

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

类似的，查看视点坐标下的法向量，只需要把materialInput.normalEC 设置到 diffuse 分量上。
除此之外，在materialInput里，可以访问uniforms变量，包括Cesium 提供的内置变量 uniforms 和材质设置的uniforms变量。比如，我们可以设置自定义的Color材质，依据一个color 变量来设置diffuse和alpha 。

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

Fabric中，uniform属性的子属性是GLSL中的uniform变量名，也是 new Material和 Material.fromType返回中JavaScript的对象属性名。子属性的值也是GLSL中uniform变量的值。（这块意思就是说uniform下的属性和值在GLSL的GPU环境和js的内存环境中一致的）。
可以通过一个自定义的 image变量来实现材质的DiffuseMap ：

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

上面代码里，'czm_defaultImage'是一个1×1的图片。前面说过，这个值可以是一个图片URL地址或者数据URI。比如用户可以使用我们自定义的OurDiffuseMap 材质，这么来设置纹理：

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

也有一个内置的立体贴图：czm_defaultCubeMap。GLSL 标准的uniform变量类型float, vec3, mat4都是支持的。Uniform数组还不支持，但是已经在计划内 roadmap。

材质的合并

至此，我们可以使用内置的材质，可以通过设置材质的components来自定义，或者实现完整的GLSL代码source来自定义。我们还可以通过继承已有的材质来新建材质。
Fabric 有个materials属性，它的每个子属性也是Fabric材质。他们的材质可以可以在 components 或者source 中引用。比如一个塑料材质可以通过 DiffuseMap和SpecularMap两个材质的合并来模拟。

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

这个材质的diffuse和specular 都是从其他材质中提取的。子属性的名字叫diffuseMaterial 和specularMaterial（根据类型 DiffuseMap和SpecularMap创建的材质。不要搞混类型和实例对象的名称，在 components 和source 属性中，子材质通过名称访问，因为他们都是一个czm_material 结构，所以可以访问.diffuse和 .specular分量。
基于这个Fabric材质，可以这么用我们的材质：

var m = Material.fromType('OurMappedPlastic');
polygon.material = m;
m.materials.diffuseMaterial.uniforms.image = 'diffuseMap.png';
m.materials.specularMaterial.uniforms.image = 'specularMap.png';

Fabric 格式

Fabric 是基于JSON 格式的格式定义。这格式定义里详细描述了Fabric的属性和子属性，包括 type, materials, uniforms, components, 和 source等。那里面有一些JSON的格式示例，但是没有必要去看。
对于一些严格要求的Fabric文件，可以使用一些类似 JSV的工具去验证Fabric格式。

渲染流水线中的材质

Polygon, PolylineCollection, Ellipsoid, CustomSensorVolume等几何体已经和材质系统集成。大部分用户只需要简单的设置material就可以了。可是，用户还是想实现自己的材质渲染代码。直接了当的去做就行了。

在渲染阶段，材质就是一段GLSL函数czm_getMaterial 和一些uniform变量。片段着色器需要构造一个 czm_MaterialInput结构，然后调用czm_getMaterial方法，把获得的 czm_material 结果传递给光照处理函数去计算图元颜色。
在JavaScript代码里，这些对象应该有一个 material属性。当这个属性变换的时候，update 函数应该把材质的GLSL代码转为对象的片段着色器代码，并且把对象和材质的uniform变量合并起来。

var fsSource =  this.material.shaderSource +  ourFragmentShaderSource;
this._drawUniforms = combine([this._uniforms, this.material._uniforms]);