Cesium官方教程——Fabric

1、简介

Fabric 是Cesium中定义的描述材质Material的JSON 结构体。Material代表了一个物体的外观。

材质Material可以是比较简单的，比如直接将一张图片赋予表面，或者使用条纹状、棋盘状的图案；也可以使用Fabric和GLSL，重新创建一个新的材质或者组合现有的材质。例如，我们可以通过程序生成的纹理(procedural brick)、凹凸贴图(bump map)和高光贴图(specular map)来生成一个潮湿碎裂的砖块材质。

在Cesium中支持赋予材质的图元都有一个material属性。

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

上边这行代码中，Color是一个内置材质属性，代表了单一颜色，包括透明度（alpha）。Material.fromType是一个快捷的方式，完整的Fabric JSON 应该是这样：

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

每一种材质(material)都有uniforms属性，uniforms可以在创建材质(material)时或之后设置。

polygon.material = new Cesium.Material({
  fabric : {
    type : 'Color',
    uniforms : {
      color : new Cesium.Color(1.0, 0.0, 0.0, 0.5)
    }
  }
});

// Change from translucent red to opaque white
polygon.material.uniforms.color = Cesium.Color.WHITE;

2、内置材质

Cesium有一些内置的材质，常用的两种为：

所有内置的材质都可以像我们创建颜色那样简单的创建：

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

也可以这样创建：

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

2.1 程式化纹理

程式化纹理不直接依赖于图片文件，而是通过GPU计算而来，他们可以设置漫反射(diffuse)和透明度(alpha)。

2.2 基础材质

基础材质较为底层，可以设置基础的材质特性，比如某个方向有多少光线被反射（镜面强度）、或者光线发射量等等。这些材质特性通常组合起来使用，从而创建一个复杂的材质。

2.3 多段线(polyline)材质

多段线材质只可以用于线状的物体。

2.4 其他材质

3、uniform

很多的材质（material）都有image uniform，定义了图片路径或数据路径：

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

一些属性，例如漫反射(diffuse)或法线贴图(NormalMap)的属性，要求图片的每个像素具有RGB三个通道；其他材质属性，例如高光(specular)和透明度(alpha)，要求具有一个通道。我们可以指定从纹理图片的那个通道中获取数据，通过channels或者channel来设置。
例如，默认情况下高光specular属性读取r通道，我们可以改变读取的通道：

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

允许多个材质从相同的图片中读取数据，例如一张相同的图片即存储了漫反射属性(diffuse)所需的rgb通道，也存储了高光属性(specular)所需的a通道。这样这张图片只会加载一次，节省了资源。

材质material也可以使用images的repeat属性，控制图片在横向和纵向的重复次数。经常被用于在物体表面的瓦片纹理。

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

4、创建一个新的材质

创建一个新的材质，可以通过Fabric、一些GLSL代码，以及其他的材质组合起来。
如果新创建的材质只使用一次，可以不设置Type属性：

var fabric = {
   // no type
   // ...rest of fabric JSON
};
polygon.material = new Cesium.Material({
  fabric : fabric
});

当使用一个新的材质类型type时，材质会在第一次绘制时缓存，之后的绘制（通过new Cesium.Material或者Material.fromType）就可以直接使用缓存的材质，就像使用内置材质一样，不需要提供完整的Fabric描述，只需要通过type和定义需要使用的uniforms即可。

var fabric = {
   type : 'MyNewMaterial',
   // ...rest of fabric JSON
};
polygon.material = new Cesium.Material({
  fabric : fabric
});
// ... later calls just use the type.
anotherPolygon.material = Material.fromType('MyNewMaterial');

4.1 Components

可能最简单的使用材质的方式就是直接反射白色：

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

稍微复杂的例子是添加高光反射属性specular component，这样材料的反射光线在直视的时候最强烈，而在斜视时就变弱。

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

components属性包含了定义材料外观的子属性。每个子属性都是一个GLSL代码片段，比如上面示例代码中的vec(0.5)创建了一个3D向量，3D向量中每个分量都被设置为0.5,。
共有以下几个子属性：

总的来说，这些子属性定义了材质的特点，他们是材质material的输出值，同时也是光照系统的输入值。

4.2 Source

source属性通过为czm_getMaterial函数定义GLSL代码的方式，提供了一个更加灵活的定义材质的方式。

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);

使用source最简单的方式是每一个属性都直接返回默认值。

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

Fabric定义：

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

我们把之前的例子中通过source来实现的：

// 通过FABRIC 定义
{
	components : {
		diffuse : 'vec3(0.5)',
		specular : '0.1'
	}
}

// 通过source
{
	source:`
		czm_material czm_getMaterial(czm_materialInput materialInput)
	{
		czm_material m = czm_getDefaultMaterial(materialInput);
		m.diffuse = vec3(0.5);
		m.specular = 0.5;
		return m;
	}`
}

使用source代替components的方式代码量更加多，但也会更加灵活，包括可以为不同的组件公用相同的计算逻辑和函数。一个经验法则是在大多数情况下使用components，除非需要用到czm_getMaterial的灵活性。在底层实现上，components子属性也是通过czm_getMaterial来实现的。在这两种方式下，我们都可以用到GLSL和Cesium提供的内置的函数、变量、常量等。

4.3 Input

materialInput变量在source和components属性中都是有效的，materialInput具有以下参数字段：

|
| **tangentToEyeMatrix** | mat3 | 片元切线空间到视点坐标系的转换矩阵，通常用于法线贴图和凹凸贴图中。 |
| **positionToEyeEC** | vec3 | 在视点坐标系下从片元到视点的向量，用于反射、折射等等。值大小表示从片元到视点的距离。 |
| **normalEC** | vec3 | 片元在视点坐标系下单位化后的发现了，用于凹凸贴图、反射、折射等。 |

一个使用二维纹理坐标st的简单材质使用如下：

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

同样的我们可以设置materialInput.normalEC到diffuse，以在视点坐标系下法线的可视化。
除此之外，对于materialInput，材质还可以使用uniform变量，不管是Cesium内置的uniforms还是材质特定的uniforms。
例如，我们可以实现我们自己的Color材质，基于color uniform设置diffuse以及alpha属性。

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

在Fabric中，uniform属性的子属性也是**GLSL**中的uniforms的名称，以及使用new Material以及Material.fromType中的返回的**JavaScript**对象。子属性的值也是uniform的值（对于标量及向量）。
我们可以通过image uniform实现我们自己的diffuseMap属性

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

在上面代码中，'czm_defaultImage'是一个1x1占位符图像，也可以使用图像URL或数据URL来指定纹理图像。例如，用户可以这样来创建一个OurDiffuseMap：

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

还有一个立方图占位符 czm_defaultCubeMap。支持标准的GLSLuniform 类型，float、vec3、mat4等等。Uniform数组还不支持。

4.4组合材质

到目前为止，我们可以使用内置材质，或者创建我们自己的材质。我们也可以从现有的材质中创建材质（递归），形成材质的层次结构。

材质Fabric具有materials属性，这个materials属性的子属性的值都是一个材质Fabric，也就是一种材质。这些materials可以在components和source属性中引用。例如，一个代表塑料的材质可以通过设置diffuseMap及specularMap来实现。

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

上边这段代码中，components属性中有漫反射diffuse以及镜面反射specular属性，他们从材质的materials属性中提取数值。命名为diffuseMaterial及 specularMaterial的子属性（通过类型DiffuseMap及SpecularMap创建，不要混淆了名称——实例——类型（也可以叫类））。在components和source属性中，子属性可以通过字段名来访问，就像他们是czm_material结构体，因此在上面代码中通过.diffuse和.specular字段可以访问。

鉴于这一点，我们的材质material可以像其他材质material一样被使用。

var m = Material.fromType('OurMappedPlastic');
polygon.material = m;

m.materials.diffuseMaterial.uniforms.image = 'diffuseMap.png';
m.materials.specularMaterial.uniforms.image = 'specularMap.png';

5、Fabric 的结构

Fabric的JSON结构描述在Cesium仓库中。所有Fabric属性、子属性的细节，包括type, materials, uniforms, components, source。有一些JSON。
除了更严格的Fabric文档外，该模式还可用于使用JSV等工具来验证Fabric。

6、渲染管线中的材质（使用GLSL自定义材质）

几何对象包括 Polygon, PolylineCollection, Ellipsoid, CustomSensorVolume，等，都与材质系统整合以支持材质。大多数用户只需简单设置他们所需的材质属性即可，但对于想用书写自定义渲染代码的用户，可能也需要与材质系统结合。

从渲染的角度，材质是GLSL 函数，czm_getMaterial，以及uniforms的组合。片元着色器需要构造一个czm_MaterialInput，调用czm_getMaterial函数，之后将计算的czm_material结果传递给lighting函数，以计算片元着色器颜色。

在JavaScript中，对象应该有一个公共的material属性。当这个属性变化时，update函数应该将材质中的GLSL源预置到几何对象的片元着色器中，并且组合几何对象和材料的uniforms。

var fsSource =
  this.material.shaderSource +
  ourFragmentShaderSource;

this._drawUniforms = combine([this._uniforms, this.material._uniforms]);