在Cesium中实现飘动的红旗

前言

实现飘动红旗的效果整体分两部，一是利用三角函数的周期性 让红旗摆动起来，二是根据每个片元的摆动幅度来计算对应位置的阴影 。

这是我在一个园区项目中收到的需求，在此记录及分享实现过程。

基础场景搭建（创建cesium场景和必要的实体）

这里使用gltf模型作为红旗，因为需要获得平滑的摆动效果，因此使用的模型面数较多，同时为了旗子与旗杆可以使用相同的坐标位置，我将模型的定位锚地放到了左上角（见下图，来自建模软件blender）。同样的，飘动的功能也可以手动创建Cesium中polygon或rectangle实体来完成，核心部分与使用gltf模型无异。
创建基础场景

js 复制代码

Cesium.Ion.defaultAccessToken = "your token";
const viewer = new Cesium.Viewer("cesiumContainer");
viewer.camera.setView({
    destination: Cesium.Cartesian3.fromDegrees(116.39122232836966, 39.90701265936752, 4.813199462406734),
    orientation: {
        heading: Cesium.Math.toRadians(26.754499635799313),
        pitch: Cesium.Math.toRadians(5.094600937875728),
        roll: 0,
    },
});
const modelPosition = [116.39124568344667, 39.90705858625655, 6]
//绘制旗子
const flag = viewer.entities.add({
    position: Cesium.Cartesian3.fromDegrees(...modelPosition),
    model: {
        uri: '../source/models/旗子/旗子.gltf',
    },
});
//绘制旗杆
viewer.entities.add({
        position: Cesium.Cartesian3.fromDegrees(modelPosition[0], modelPosition[1]),
        ellipse: {
            semiMinorAxis: 0.01,
            semiMajorAxis: 0.01,
            extrudedHeight: modelPosition[2] + 0.05,
            material: Cesium.Color.fromCssColorString('#eee'),
        },
    });

让旗子飘动起来

请注意，下文中所有着色器的坐标控制都是基于模型自身的局部坐标系。如果使用不同的模型，可能需要根据模型的具体坐标系统调整相关参数。

js 复制代码

const customShader = new Cesium.CustomShader({
    uniforms: {
        // 自增变量，让动画持续执行
        u_time: {
            type: Cesium.UniformType.FLOAT,
            value: 0.0
        },
        u_texture: {
            type: Cesium.UniformType.SAMPLER_2D,
            value: new Cesium.TextureUniform({
                url: "../source/models/旗子/hongqi.jpg",
            })
        }
    },
    varyings: {
        // 旗子的片元偏移量需要传递给片元着色器计算阴影，因此定义为varying变量
        v_offset: Cesium.VaryingType.FLOAT
    },
    vertexShaderText: `
        void vertexMain(VertexInput vsInput, inout czm_modelVertexOutput vsOutput) {
            // 根据模型uv坐标的x和y坐标来确定摆动的频率（对应sin曲线的波频）
            // 这里控制波频时，分别用到了x和y轴坐标，并让x坐标权重大于y坐标，使得摆动更加自然
            // 最后乘以0.13是为了控制摆动的幅度（对应sin曲线的波高）
            float offset = sin(vsInput.attributes.texCoord_0.x * 8.0 +  vsInput.attributes.texCoord_0.y * 1.5 - u_time) * 0.13;
            v_offset = offset - offset * smoothstep(0.4, 0.0,  vsInput.attributes.texCoord_0.x);
            // 为片元赋予新的x坐标，新的x坐标为原始x坐标加上摆动偏移量
            vsOutput.positionMC.x += vsOutput.positionMC.x + v_offset;
            // 因为旗子在x方向上有前后摆动，因此在视觉上z轴应当适当缩短一些
            vsOutput.positionMC.z *= 0.95;
        }`,
    fragmentShaderText: `
        void fragmentMain(FragmentInput fsInput, inout czm_modelMaterial material) {
                
        }`
})
flag.model.customShader = customShader;
viewer.clock.onTick.addEventListener(function () {
    // 使动画持续进行
    customShader.uniforms.u_time.value += 0.1;
});

从上图可以看出，虽然旗子已经实现了摆动效果，但与预期不符：靠近旗杆的一侧本应保持不动。接下来进一步优化顶点着色器代码。

GLSL 复制代码

void vertexMain(VertexInput vsInput, inout czm_modelVertexOutput vsOutput) {
    float offset = sin(vsInput.attributes.texCoord_0.x * 8.0 +  vsInput.attributes.texCoord_0.y * 1.5 - u_time) * 0.13;
    // 这是关键的一步，使用平滑阶梯函数smoothstep函数来控制摆动的范围
    // smoothstep(0.4, 0.0,  vsInput.attributes.texCoord_0.x)表达式在uv的x轴坐标靠近起点时返回1，到达x轴的0.4时返回0
    // 再用offset减去offset乘以smoothstep函数的结果，就可以得到在x轴坐标靠近0时，offset值为0的效果，往x轴的0.4靠近时再渐渐回到完全的摆动
    // 关于smoothstep函数的更多信息，请参考https://zhuanlan.zhihu.com/p/157758600
    v_offset = offset - offset * smoothstep(0.4, 0.0,  vsInput.attributes.texCoord_0.x);
    vsOutput.positionMC.x += vsOutput.positionMC.x + v_offset;
    vsOutput.positionMC.z *= 0.95;
}

此时smoothstep函数已经把旗杆一侧固定住了。

为旗子添加贴图和阴影

GLSL 复制代码

void fragmentMain(FragmentInput fsInput, inout czm_modelMaterial material) {
    // 这一步是为了uv贴图的正确映射
    fsInput.attributes.texCoord_0.y *= -1.0;
    // (1.0 - v_offset * 3.0)表达式用来决定片元的亮度，往x轴的正方向偏移越大，这个表达式输出的值越小，则越暗
    // v_offset * 3.0是为了放大偏移量从而增大明暗对比
    // 贴图颜色乘以亮度系数就是最终色（这里控制亮度系数的范围在0-1之间，不去增加凸起部分的亮度会更逼真一些）
    vec4 color = texture(u_texture,fsInput.attributes.texCoord_0) * min((1.0 - v_offset * 2.0),1.0);
    material.diffuse=vec3(color.rgb);     
}

上图可以看出，旗子凹陷部分已经有了阴影，但是此时阴影和片元的偏移程度为线性关系，阴影处的对比不够强烈，下面分享另一种阴影算法。

优化阴影

接下来通过实现阴影随片元偏移量的指数级增长来增强阴影部分的对比度，使效果更加逼真。

ini 复制代码

void fragmentMain(FragmentInput fsInput, inout czm_modelMaterial material) {
    // 计算片元偏移量的平方用于后续的阴影计算
    float offsetSquared = v_offset * v_offset;
    // 获取片元偏移量的符号，用于在后续的计算中保留偏移量的正负性
    float offsetSign = v_offset >= 0.0 ? 1.0 : -1.0;
    fsInput.attributes.texCoord_0.y *= -1.0;
    // 1.0 - offsetSquared * offsetSign * 30.0表达式用来决定片元的亮度，原理与上面的着色器一致
    // 不过此时片元的亮度与偏移量为指数级增长关系，会在阴影区域获得更加大的反差，增强逼真度
    vec4 color = texture(u_texture, fsInput.attributes.texCoord_0) * min(1.0 - offsetSquared * offsetSign * 30.0, 1.0);
    material.diffuse=vec3(color.rgb);
}

比刚才逼真多了

完整的CustomShader代码

js 复制代码

const customShader = new Cesium.CustomShader({
    uniforms: {
        u_time: {
            type: Cesium.UniformType.FLOAT,
            value: 0.0
        },
        u_texture: {
            type: Cesium.UniformType.SAMPLER_2D,
            value: new Cesium.TextureUniform({
                url: "../source/models/旗子/hongqi.jpg",
            })
        }
    },
    varyings: {
        v_offset: Cesium.VaryingType.FLOAT
    },
    vertexShaderText: `
            void vertexMain(VertexInput vsInput, inout czm_modelVertexOutput vsOutput) {
                // 根据模型uv坐标的x和y坐标来确定摆动的频率（对应sin曲线的波频）
                // 这里控制波频时，分别用到了x和y轴坐标，并让x坐标权重大于y坐标，使得摆动更加自然
                // 最后乘以0.13是为了控制摆动的幅度（对应sin曲线的波高）
                float offset = sin(vsInput.attributes.texCoord_0.x * 8.0 +  vsInput.attributes.texCoord_0.y * 1.5 - u_time) * 0.13;
                // 这是关键的一步，使用平滑阶梯函数smoothstep函数来控制摆动的范围
                // smoothstep(0.4, 0.0,  vsInput.attributes.texCoord_0.x)表达式在uv的x轴坐标靠近起点时返回1，到达x轴的0.4时返回0
                // 再用offset减去offset乘以smoothstep函数的结果，就可以得到在x轴坐标靠近0时，offset值为0的效果
                // 关于smoothstep函数的更多信息，请参考https://zhuanlan.zhihu.com/p/157758600
                v_offset = offset - offset * smoothstep(0.4, 0.0,  vsInput.attributes.texCoord_0.x);
                // 为片元赋予新的x坐标，新的x坐标为原始x坐标加上摆动偏移量
                vsOutput.positionMC.x += vsOutput.positionMC.x + v_offset;
                // 因为旗子在x方向上有前后摆动，因此在视觉上z轴应当适当缩短一些
                vsOutput.positionMC.z *= 0.95;
            }`,
    fragmentShaderText: `
            void fragmentMain(FragmentInput fsInput, inout czm_modelMaterial material) {
                // 计算片元偏移量的平方用于后续的阴影计算
                float offsetSquared = v_offset * v_offset;
                // 获取片元偏移量的符号，用于在后续的计算中保留偏移量的正负性
                float offsetSign = v_offset >= 0.0 ? 1.0 : -1.0;
                fsInput.attributes.texCoord_0.y *= -1.0;
                // 1.0 - offsetSquared * offsetSign * 30.0表达式用来决定片元的亮度，原理与上面的着色器一致
                // 不过此时片元的亮度与偏移量为指数级增长关系，会在阴影区域获得更加大的反差，增强逼真度
                vec4 color = texture(u_texture, fsInput.attributes.texCoord_0) * min(1.0 - offsetSquared * offsetSign * 30.0, 1.0);
                material.diffuse=vec3(color.rgb);
            }`
})

总结

摆动核心

用三角函数把 UV 坐标映射成随时间变化的偏移量，再用 smoothstep 把旗杆侧固定，就能让红旗只在自由端飘动。
阴影核心

把顶点着色器算出的偏移量 v_offset 传进片元着色器，用"1 − 偏移量² × 符号 × 放大系数"做指数级压暗，褶皱阴影逼真立体。
扩展和思考
- 如何使用噪声实现？
- 如何为摆动的增加随机性？

祝玩旗愉快！