Cesium原理篇：Batch

通过之前的Material和Entity介绍，不知道你有没有发现，当我们需要添加一个rectangle时，有两种方式可供选择，我们可以直接添加到Scene的PrimitiveCollection，也可以构造一个Entity，添加到Viewer的EntityCollection中，代码如下：

// 直接构造Primitive，添加
rectangle = scene.primitives.add(new Cesium.Primitive({
    geometryInstances : new Cesium.GeometryInstance({
        geometry : new Cesium.RectangleGeometry({
            rectangle : Cesium.Rectangle.fromDegrees(-120.0, 20.0, -60.0, 40.0),
            vertexFormat : Cesium.EllipsoidSurfaceAppearance.VERTEX_FORMAT
        })
    }),
    appearance : new Cesium.EllipsoidSurfaceAppearance({
        aboveGround : false
    })
}));

// 间接构造一个Entity，Cesium内部将其转化为Primitive
viewer.entities.add({
    rectangle : {
        coordinates : Cesium.Rectangle.fromDegrees(-92.0, 20.0, -86.0, 27.0),
        outline : true,
        outlineColor : Cesium.Color.WHITE,
        outlineWidth : 4,
        stRotation : Cesium.Math.toRadians(45),
        material : stripeMaterial
    }
});

两者有何不同，为什么还要提供Entity这种方式，绕了一大圈，最后照样是一个primitive。当然，有一个因素是后者调用简单，对用户友好。但还有一个重点是内部在把Entity转为Primitive的这条生产线上，会根据Entity的不同进行打组分类，好比快递的分拣线会将同一个目的地的包裹分到一类，然后用一个大的箱子打包送到该目的地，目的就是优化效率，充分利用显卡的并发能力。

在Entity转为Primitive的过程中，GeometryInstance是其中的过渡类，以Rectangle为例，我们看看构造GeometryInstance的过程：

RectangleGeometryUpdater.prototype.createFillGeometryInstance = function(time) {
    if (this._materialProperty instanceof ColorMaterialProperty) {
        var currentColor = Color.WHITE;
        if (defined(this._materialProperty.color) && (this._materialProperty.color.isConstant || isAvailable)) {
            currentColor = this._materialProperty.color.getValue(time);
        }
        color = ColorGeometryInstanceAttribute.fromColor(currentColor);
        attributes = {
            show : show,
            color : color
        };
    } else {
        attributes = {
            show : show
        };
    }

    return new GeometryInstance({
        id : entity,
        geometry : new RectangleGeometry(this._options),
        attributes : attributes
    });
}

首先，该材质_materialProperty就是构建Entity时传入的材质对象，attributes则用来标识该Geometry实例化的attribute属性，Cesium内部判断该材质是否为color类型，进而对应不同的实例化attribute。在其他GeometryUpdater方法中都是此逻辑，因此在材质的处理上，只对color进行了实例化的处理。这里留意一下appearance参数，可以看到主要对应perInstanceColorAppearanceType和materialAppearanceType两种，分别封装ColorMaterialProperty和其他MaterialProperty，这个在之前的Material中已经讲过。

Batch

Cesium通过GeometryInstance作为标准，来达到物以类聚鸟以群分的结果，这个标准就是如上的介绍，有了标准还不够，还需要为这个标准搭建一条流水线，将标准转化为行动。这就是Batch的作用。之前在Entity中提到GeometryVisualizer提供了四种Batch，我们以StaticGeometryColorBatch和StaticGeometryPerMaterialBatch为例，对比说明一下这个流水线的流程。

我们在此来到DataSourceDisplay类，初始化是针对每一个Updater，都封装了一个Visualizer.我们还是以RectangleGeometry为例展开：

new GeometryVisualizer(WallGeometryUpdater, scene, entities)

function GeometryVisualizer(type, scene, entityCollection) {
    for (var i = 0; i < numberOfShadowModes; ++i) {
        this._outlineBatches[i] = new StaticOutlineGeometryBatch(primitives, scene, i);
        this._closedColorBatches[i] = new StaticGeometryColorBatch(primitives, type.perInstanceColorAppearanceType, true, i);
        this._closedMaterialBatches[i] = new StaticGeometryPerMaterialBatch(primitives, type.materialAppearanceType, true, i);
        this._openColorBatches[i] = new StaticGeometryColorBatch(primitives, type.perInstanceColorAppearanceType, false, i);
        this._openMaterialBatches[i] = new StaticGeometryPerMaterialBatch(primitives, type.materialAppearanceType, false, i);
    }
｝

而每一次添加的Entity都会以事件的方式通知到每一个Updater绑定的GeometryVisualizer，调用insertUpdaterIntoBatch方法，根据每个Entity材质的不同放到对应的Batch队列中,其实Cesium的batch很简单，就是看是否是color类型的材质，只有这一个逻辑判断：

function insertUpdaterIntoBatch(that, time, updater) {    
    if (updater.fillMaterialProperty instanceof ColorMaterialProperty) {
        that._openColorBatches[shadows].add(time, updater);
    } else {
        that._openMaterialBatches[shadows].add(time, updater);
    }
}

我们先看ColorMaterialProperty材质的处理方式：

function StaticGeometryColorBatch(primitives, appearanceType, closed, shadows) {
    this._solidBatch = new Batch(primitives, false, appearanceType, closed, shadows);
    this._translucentBatch = new Batch(primitives, true, appearanceType, closed, shadows);
}

StaticGeometryColorBatch.prototype.add = function(time, updater) {
    var instance = updater.createFillGeometryInstance(time);
    if (instance.attributes.color.value[3] === 255) {
        this._solidBatch.add(updater, instance);
    } else {
        this._translucentBatch.add(updater, instance);
    }
};

可见，按照颜色是否透明分为两类，这个不难理解，因为这两类对应的PASS不同，渲染的优先级不一样。同时，在添加到对应batch队列前，会调用Updater.createFillGeometryInstance方法创建该Geometry对应的Instance。因此，这里体现了Cesium的一个规范，每一个GeometryGraphics类型都对应了一个该Geometry的Updater类，该Updater类通过一套create*geometryInstance方法，实现不同的GeometryGraphics到GeometryInstance的标准化封装。下面是RectangleGeometryUpdater提供的三个create方法：

// 填充面的geoinstance
RectangleGeometryUpdater.prototype.createFillGeometryInstance
// 边框线的geoinstance
RectangleGeometryUpdater.prototype.createOutlineGeometryInstance
// 针对动态批次
RectangleGeometryUpdater.prototype.createDynamicUpdater

前两个不用多说，看注释。后一个一看dynamic，看上去牛逼，其实只是将creategeometryinstance的过程延后进行，不是在add中创建，而是在update的时候创建。接着在Batchupdate中，将batch队列中所有的geometryinstances封装成一个Primitve，这个流水线至此结束。因为我们在之前的Entity中介绍过这个过程，所以不在此展开。下面，我们在看看StaticGeometryPerMaterialBatch，对比一下两者的不一样。

StaticGeometryPerMaterialBatch.prototype.add = function(time, updater) {
    var items = this._items;
    var length = items.length;
    for (var i = 0; i < length; i++) {
        var item = items[i];
        if (item.isMaterial(updater)) {
            item.add(time, updater);
            return;
        }
    }
    var batch = new Batch(this._primitives, this._appearanceType, updater.fillMaterialProperty, this._closed, this._shadows);
    batch.add(time, updater);
    items.push(batch);
};

可以看到，非颜色材质的batch里面还有一个items数组，会判断当前的updater中的材质是否存在于items数组中，如果没有，则根据该材质创建一个新的batch，并添加到items数组中。因为多了这一层，所以之前Updater.createFillGeometryInstance的调用延后到batch.add的过程中，并无其他不同。然后调用batch.update，以材质类型为标准创建对应的primitive。

BatchTable

对于这些实例化的属性，Primitive在update中对其进行处理，思路就是将这些值保存到一张RGBA的纹理,并根据实例化属性的长度构建对应的VBO，从而方便Shader中的使用。下面，我们以两个Rectangle为例，来看看详细的过程。

createBatchTable

function createBatchTable(primitive, context) {
    // 0 获取instance
    // 获取该Primitive中instance数组
    var geometryInstances = primitive.geometryInstances;
    var instances = (isArray(geometryInstances)) ? geometryInstances : [geometryInstances];
    
    var attributeIndices = {};
    // 获取这些instances中相同的attribute属性字段的名称
    var names = getCommonPerInstanceAttributeNames(instances);
    
    // 1创建attribute
    // 创建这些属性字段的attribute，包括对应的变量名，字段类型等
    // indices是他们的索引
    for (i = 0; i < length; ++i) {
        name = names[i];
        attribute = instanceAttributes[name];

        attributeIndices[name] = i;
        attributes[i] = {
            functionName : 'czm_batchTable_' + name,
            componentDatatype : attribute.componentDatatype,
            componentsPerAttribute : attribute.componentsPerAttribute,
            normalize : attribute.normalize
        };
    }
    
    // 2为attributes赋值
    // 遍历所有的instance，取出每一个instance对应的attribute值
    // 将这些值按照其字段类型保存到batchTable中
    for (i = 0; i < numberOfInstances; ++i) {
        var instance = instances[i];
        instanceAttributes = instance.attributes;

        for (var j = 0; j < length; ++j) {
            name = names[j];
            attribute = instanceAttributes[name];
            var value = getAttributeValue(attribute.value);
            var attributeIndex = attributeIndices[name];
            batchTable.setBatchedAttribute(i, attributeIndex, value);
        }
    }

    // 4 将batch的结果保存在primitive中，方便下面的处理
    primitive._batchTable = batchTable;
    primitive._batchTableAttributeIndices = attributeIndices;
}

如上，可以看到BatchTable可以认为是这些instance的一个实例化属性表，属性也是按照VBO的结构来设计的，就是为了后续shader中使用的方便。

BatchTable.prototype.update

BatchTable.prototype.update = function(frameState) {
    createTexture(this, context);
    updateTexture(this);
｝

创建完BatchTable，则调用update，将该Table的属性值以RGBA的方式保存到一张Texture中，这类似于一个float纹理，但通用性更强一些，毕竟有一些浏览器竟然不支持float纹理。比如ColorMaterialProperty，里面有color，show，distanceDisplayCondition三个实例化属性，分别控制颜色，是否可见以及可见范围的控制。实际上，还包括pickColor，boundingSphereRadius，boundingSphereCenter3DHigh，boundingSphereCenter3DLow，boundingSphereCenter2DHigh，boundingSphereCenter2DLow共计9个属性，其中Center占了四个属性，我们后续有机会在详细说一下Cesium的算法细节，目的是为了避免近距离观察物体时因为精度导致的抖动问题，用两个float来表示一个double的思路来解决。这样，假如我们有两个instance对象，则该纹理x维度是9*2 = 18，而大多数情况下，y维度则始终为1（只要x维度的长度不超过显卡最大纹理长度的限制），相当于一个一维纹理，其实就是一个hashtable。

createTexture后就是updateTexture就是把我们之前set的attribute属性值保存到该纹理中。

updateBatchTableBoundingSpheres

这个不多讲了，就是刚才说的，把centre的xyz每一个属性保存为两个float的过程。

createShaderProgram

BatchTable.prototype.getVertexShaderCallback
Primitive._appendShowToShader
Primitive._appendDistanceDisplayConditionToShader
Primitive._updateColorAttribute

通过如上几个函数，添加处理BatchTable部分的片源着色器代码。

createCommands

BatchTable.prototype.getUniformMapCallback = function() {
    var that = this;
    return function(uniformMap) {
        var batchUniformMap = {
            batchTexture : function() {
                return that._texture;
            },
            batchTextureDimensions : function() {
                return that._textureDimensions;
            },
            batchTextureStep : function() {
                return that._textureStep;
            }
        };

        return combine(uniformMap, batchUniformMap);
    };
};

如上，在创建command时，创建对应的uniformMap，传入uniform变量。

总结

如上就是Cesium批次流程的大概流程，着重介绍了BatchTable这种思想，如果我们在实际设计中这也是值得我们学习借鉴的地方。打个比方，如果你对相机不熟悉，就用自动对焦，则基本就是傻瓜操作，而如果你比较熟悉，则可以用单反，自己来设置参数。Batch流程也是如此，只是解决了最常见，最基本的分类，如果你足够熟悉，可以基于Primitive自己来手动完成分组的过程，多快好省，可以不同类型的geometry来做一个批次，always try， never die。

好了，这里忽略了两个地方，一个是这个面如何做到贴地，二是Geometry在渲染时抖动有是怎么一回事。前者用到了模版缓冲的方法，后者则是float精度问题导致的，我们下一节在说一下第一个问题。