Cesium 应用篇添加雨雪天气

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2023-12-01

作为一个三维地球，在场景中来点雨雪效果，貌似可以增加一点真实感。Cesium 官网 Demo 中有天气系统的实例，用的是Cesium中的粒子系统做的。效果如下图所示，粒子系统的本质是向场景中添加了很多物体，用 BillBoard 技术展现。这种实现方式有一个麻烦的地方就是当视角变化(拉近、拉远、平移、旋转)时，粒子就会变化，甚至会消失，影响体验。考虑用shader的方式直接模拟雨雪效果，恰好发现了 Catzpaw 大神写的模拟雨雪的shader，果断增添到 Cesium 中。

1. 添加 GLSL 代码

Catzpaw 大神写的模拟雨雪的效果如下，那我们要做的就是将这个效果和地球场景融合。这就用到之前博客中介绍的后期处理过程，只需要添加一个 PostProcessStage 创建雪的效果，添加一个 PostProcessState 创建雨的效果即可。

首先在 Source/Shaders/PostProcessStages 文件夹下新建 Snow.glsl 文件和 Rain.glsl 文件，glsl 文件中存放雨雪效果的片元着色器代码。代码分别如下：

 1 uniform sampler2D colorTexture; //输入的场景渲染照片
 2 varying vec2 v_textureCoordinates;
 3 
 4 float snow(vec2 uv,float scale)
 5 {
 6     float time = czm_frameNumber / 60.0;
 7     float w=smoothstep(1.,0.,-uv.y*(scale/10.));if(w<.1)return 0.;
 8     uv+=time/scale;uv.y+=time*2./scale;uv.x+=sin(uv.y+time*.5)/scale;
 9     uv*=scale;vec2 s=floor(uv),f=fract(uv),p;float k=3.,d;
10     p=.5+.35*sin(11.*fract(sin((s+p+scale)*mat2(7,3,6,5))*5.))-f;d=length(p);k=min(d,k);
11     k=smoothstep(0.,k,sin(f.x+f.y)*0.01);
12     return k*w;
13 }
14 
15 void main(void){
16     vec2 resolution = czm_viewport.zw;
17     vec2 uv=(gl_FragCoord.xy*2.-resolution.xy)/min(resolution.x,resolution.y);
18     vec3 finalColor=vec3(0);
19     //float c=smoothstep(1.,0.3,clamp(uv.y*.3+.8,0.,.75));
20     float c = 0.0;
21     c+=snow(uv,30.)*.0;
22     c+=snow(uv,20.)*.0;
23     c+=snow(uv,15.)*.0;
24     c+=snow(uv,10.);
25     c+=snow(uv,8.);
26     c+=snow(uv,6.);
27     c+=snow(uv,5.);
28     finalColor=(vec3(c)); //屏幕上雪的颜色
29     gl_FragColor = mix(texture2D(colorTexture, v_textureCoordinates), vec4(finalColor,1), 0.5);  //将雪和三维场景融合
30 
31 }

 1 uniform sampler2D colorTexture;//输入的场景渲染照片
 2 varying vec2 v_textureCoordinates;
 3 
 4 float hash(float x){
 5     return fract(sin(x*133.3)*13.13);
 6 }
 7 
 8 void main(void){
 9 
10     float time = czm_frameNumber / 60.0;
11     vec2 resolution = czm_viewport.zw;
12 
13     vec2 uv=(gl_FragCoord.xy*2.-resolution.xy)/min(resolution.x,resolution.y);
14     vec3 c=vec3(.6,.7,.8);
15 
16     float a=-.4;
17     float si=sin(a),co=cos(a);
18     uv*=mat2(co,-si,si,co);
19     uv*=length(uv+vec2(0,4.9))*.3+1.;
20 
21     float v=1.-sin(hash(floor(uv.x*100.))*2.);
22     float b=clamp(abs(sin(20.*time*v+uv.y*(5./(2.+v))))-.95,0.,1.)*20.;
23     c*=v*b; //屏幕上雨的颜色
24 
25     gl_FragColor = mix(texture2D(colorTexture, v_textureCoordinates), vec4(c,1), 0.5); //将雨和三维场景融合
26 }

生成雨和雪的glsl代码很神奇，就是单纯的数学计算，意识到学好数学还是很重要的，再次向大神膜拜，哈哈。

2. 创建 PostProcessStage

在上一步写完 glsl 代码后，接下来就是创建 PostProcessStage 对象。通过在PostProcessStageLibray类中添加两个函数，就可以创建出需要的PostProcessStage对象。代码如下：

 1 PostProcessStageLibrary.createSnowStage = function() {
 2         var snow = new PostProcessStage({
 3             name : 'czm_snow',
 4             fragmentShader : Snow
 5         });
 6         return snow;
 7     }
 8 
 9     PostProcessStageLibrary.createRainStage = function() {
10         var snow = new PostProcessStage({
11             name : 'czm_rain',
12             fragmentShader : Rain
13         });
14         return snow;
15     }

3. 外部调用

在准备好以上内容后，就可以直接在 html 页面中调用。为了达到更加逼真的效果，还需要更改一下大气参数。代码和效果如下：

1 var collection = viewer.scene.postProcessStages;
2 var snow = Cesium.PostProcessStageLibrary.createSnowStage();
3 collection.add(snow);
4 scene.skyAtmosphere.hueShift = -0.8;
5 scene.skyAtmosphere.saturationShift = -0.7;
6 scene.skyAtmosphere.brightnessShift = -0.33;
7 
8 scene.fog.density = 0.001;
9 scene.fog.minimumBrightness = 0.8;

4. 总结

通过 Shader 这种方式模拟雨雪可以不受视点位置的影响，相当于是一个全屏的后处理，当然在效果模拟上还有可以增强的地方。本文描写的步骤可以作为大家在 Cesium 上添加后期处理效果步骤的一个参考。

Cesium 应用篇 添加雨雪天气

1. 添加 GLSL 代码

2. 创建 PostProcessStage

3. 外部调用

4. 总结

Cesium 应用篇添加雨雪天气