WebGL 渲染管线在 Web 3D 地图中的应用

Posted 2021-08-09 雷尔可视化平台

导读

阅读完此文，你会了解：

1. WebGL 渲染管线是什么

2. 如何利用 WebGL 渲染管线解决渲染问题

地图渲染中遇到的问题

        之前的文章中提到过，地图的瓦片数据源是按照瓦片金字塔进行切割和索引的，地图引擎根据当前视窗的范围推算所需瓦片的索引值，然后加载和渲染。

    

        在瓦片切割上，会遇到一个建筑或一个面，落在多个个瓦片的边缘上的情况，这种情况下，服务端的切割策略会有：

        1、沿着边缘切开，这种处理方式的弊端在于会因为精度而产生缝隙；

        2、沿着边缘切开，其中和瓦片相交面积最大的一块儿不裁切，这样就会导致有的部分会画多次；

       

        上图中的这个建筑就被切分开了，当我们使用 WebGL 渲染为 3D 地图时，相交部分因为重叠就会画1+次，会伴有：

        1、z值fighting问题；

        2、透明物体重叠部分渲染结果不一致的问题

     

        我们分析了Mapbox的效果和代码，我们发现他们是利用渲染管线中的「模板测试」解决了这个问题。

 

WebGL 渲染管线

        

        WebGL 进行图形渲染时会经过多个步骤，这些步骤组成了 WebGL 的渲染管线。当图形数据通过整个 WebGL 流水线后，GPU 就把结果写入到 WebGL 的绘制缓存中。如果一个片元在渲染管线中未能通过某个步骤，那么它就不会最终被写入绘制缓存。

        我们主要介绍一下在本文中使用到的模板缓存、深度缓存：

• 模板缓存可以用来控制颜色缓冲在某个位置写入操作。

• 深度缓存存储的的是片元距离相机的远近的值，控制片元之间的遮挡关系。

 

在 ThreeJS 中，控制模板缓存的参数有以下几个：

stencilWrite: 是否打开模板测试，默认 falsestencilWriteMask: 写入模板值的掩码，默认 0xffstencilFunc: 进行模板测试的函数。THREE.AlwaysStencilFuncstencilRef: 模板测试的参考值，默认 0stencilFuncMask: 与模板缓冲区比较时的掩码，默认 0xffstencilFail: 模板测试失败，接下来要执行的操作stencilZFail: 模板测试成功，深度测试失败，接下来要执行的操作stencilZPass: 模板测试和深度测试都成功，接下来要执行的操作

 

深度缓存的控制有：

depthFunc：使用哪种深度比较函数depthTest：是否开启深度测试depthWrite：是否写入深度缓存

 

如何利用 WebGL 渲染管线解决地图渲染的问题

通过模板测试解决重复渲染问题

        我们以跨瓦片的建筑为例来介绍一下如何解决重复渲染问题。

 

思路：我们需要一个状态来记录一下某个位置的建筑是否已经被渲染了；当建筑数据被渲染时，根据这个状态来判断如果这个位置没有被渲染了建筑数据，那么这次渲染就能通过渲染管线，最终被写入到绘制缓存，并修改当前的状态值，记录当前位置已被了渲染建筑数据；反之，那么这次渲染就不会通过 WebGL 渲染流水线，最终也不会被写入到绘制缓存。

 

        从 WebGL 渲染管线的介绍中，可以发现，模板缓存正是可以控制片元是否能够通过渲染管线的，并能在通过渲染管线之后记录一下状态。

 

        于是，在 3D 地图渲染中，设置了如下的模板缓存配置：

stencilWrite: truestencilRef: 1stencilFunc: THREE.GreaterStencilFunc // 参考值大于模板值时通过模板测试stencilZPass: THREE.ReplaceStencilOp // 模板测试和深度测试都成功时，将模板缓存替换为参考值

        当第一次绘制建筑时，使用参考值 1 与默认的模板缓存模板值 0 使用 stencilFunc 进行比较，1 > 0，符合这个模板测试的条件，所以能够通过模板测试；能够通过深度测试的，执行 stencilZPass 设定的操作，将模板缓存的值使用参考值 1 替换；此时，有建筑的区域的模板缓存的值为 1。当此建筑区域有重复数据进行第二次绘制时，使用参考值 1 与模板缓存的值根据 stencilFunc 进行比较，由于第一次绘制建筑时，此区域的模板缓存值已被替换为 1，所以参考值 1 并不大于已有模板值 1，所以不能通过模板测试，重复绘制的片元就被舍弃掉了，不再参与渲染流水线接下来的处理。

 

通过深度测试解决侧面与顶面之间的遮挡问题

 

        之所以在去重渲染之后建筑会产生图中的侧面被穿透了，是因为先渲染了下方四周包围着的建筑，然后再渲染了中间的建筑，导致四周已绘制的建筑区域的模板缓存值被设置为了 1；当绘制上方的建筑时，上方建筑无法通过模板测试。

 

解决方案：先写入深度缓存，不写颜色缓存；然后在按照上面“通过模板测试解决重复渲染问题”的步骤执行一次。

 

        设置深度缓存配置如下：

colorWrite: false // 不写入颜色缓存depthWrite: true // 写入深度缓存

 

    深度缓存写入正确之后，当执行“通过模板测试解决重复渲染问题”进行绘制时，先绘制下方四周的建筑时，由于深度缓存已经有了上方建筑的深度信息，所以上方与下方四周建筑重叠部分的片元不能通过深度测试；根据 stencilZPass 的设定，当只有通过深度测试时，才用模板参考值替换模板缓存的值，所以此时模板缓存的值仍然保持默认值不变。当绘制上方建筑时，重叠区域的值为 0，上方建筑的参考值为 1，根据 stencilFunc 的设定，片元能通过模板测试，所以上方建筑的片元能被写入绘制缓存。

 

WebGL 渲染管线的其他用途

除了使用渲染管线解决地图数据重叠问题之外，还可以实现渲染地图的指定区域渲染。例如在一些场景中，我们的用户希望地图只渲染他关注的行政区，范围外的希望能够裁减掉。在使用模板测试前，是盖了一层蒙层实现的。

 

全部渲染

 

按照给定区域渲染

 

        如果在切割地图瓦片时进行数据的过滤，会产生很大的计算量，并且对于不同的区域，都需要切割一次；如果在前端进行数据过滤，计算量同样会很大。所以通过过滤对地图瓦片数据进行处理是不现实的。模板缓存可以通过设置条件来控制片元能否通过渲染管线，所以可以通过渲染来解决这个问题。

 

        下面来具体介绍一下实现过程：

 

模板缓冲值示意图

 

1. 屏幕上未绘制任何图形时，默认的模板缓冲值为 0；

2. 然后设定如下的配置，绘制一个杭州区域的 geojson 多边形；这个 geojson 的作用只是为了确定杭州区域的片元应该通过渲染管线，最终写入到绘制缓存；所以 geojson 不需要写入深度缓冲与写入颜色缓冲，只需要按照模板参数设置将默认模板值替换为 2；

stencilWrite: truestencilRef: 2stencilZPass: THREE.ReplaceStencilOp
colorWrite: falsedepthWrite: false

3. 最后按照如下设置绘制地图瓦片数据；根据 stencilFunc，只有片元的参考值小于模板值才能通过模板测试，所以杭州 geojson 绘制区域外的片元是无法通过模板测试的，只有 geojson 内部的片元才能通过模板测试。

 stencilWrite: true stencilRef: 1  stencilFunc: THREE.LessStencilFunc    

  

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