【Cesium 歷史博客】多視錐體優化：使用對數深度緩存

導語

Cesium 的渲染引擎是基於高精度渲染設計的。不過，就算是以米做爲單位的常規遊戲引擎，也會遇到精度問題，例如 z值衝突 和 抖動。

z值衝突是指兩個三角形接近時，有重疊的像素，可是深度緩存的精度不足以肯定哪個三角形更接近相機，當視圖發生變化時，這些重疊像素會閃爍。

之因此會發生 z值衝突，是由於深度緩存的精度 與 深度的倒數成正比，意味着越靠近截平面的三角形繪製精度越高，越遠則越低。

這裏有一個動圖，顯示了相機在 WGS84 橢球上方約 8000 米觀察的地形發生的 z值衝突：

z值衝突的兩種解決方法：使用多視錐體、使用對數深度緩存。

在 Cesium 1.45 版本中，Cesium 混合了這兩種技術以替代原來單一的多視錐體技術。

這麼作的好處顯而易見：

• 更好的性能：減小了 drawcall
• 更好的視覺效果：能夠在不影響性能的狀況下將近平面儘量移動得近一些

1. 多視錐渲染技術

Cesium 原來的多視錐體實現是使用 3 個視錐體，其分割距離分別是 [1, 1000]，[1000, 100w], [100w, 10e] 米。

這些視錐體從後到前（相對於相機）的順序進行渲染，而且在每一個視錐體中深度緩存被清除。

渲染開始時，根據繪製命令（DrawCommands）的包裹範圍（boundingVolume），將繪製命令放置在一個或多個圓錐體中。

在兩個視錐邊界的繪製命令則兩邊都會繪製一次，爲了優化這個重複繪製，Cesium 從視點觸發，根據最近和最遠的包裹範圍計算合適的近平面和遠平面距離，以最大程度減小視錐。（這句話翻譯得不太好，專業名稱比較多）。

下圖是珠穆朗瑪峯的近地視圖：

將每一個視錐分別着色後的樣子（第一個視錐是紅色，第二個視錐是綠色，黃色介於第一個和第二個視錐中，這裏看不到第三個視錐）：

下圖是同樣的地形場景，只不過把視錐體顯示了出來，第一個視錐（1~1000米）過小了這裏看不到。

在這個場景下，有 137 個 drawcall，第一個視錐有 28 個，第二個視錐有 102 個，第三個視錐有 7 個。重複調用數有 26 個，第一個和第二個視錐之間的重複調用佔 12 個；在全部視錐體中都重複的調用有 7 個。

2. 對數深度緩存

z值衝突的另外一種解決方法是使用對數深度緩存技術。

將對數值輸出到深度緩存，能夠很好分配這些數值。Cesium 更新了頂點和片元着色器以支持對數深度緩存。

關於對數緩存技術，能夠參考三篇博客（在國外國內訪問不了）

• Maximizing Depth Buffer Range and Precision (outerra.blogspot.com)

• Logarithmic Depth Buffer (outerra.blogspot.com)

• Logarithmic Depth Buffer Optimizations and Fixes (outerra.blogspot.com)

對上述的場景使用對數深度緩存，近平面爲 0.1，遠平面爲 1e8，只需一個視錐體，一共 111 個 drawcall。

這麼作不只能夠減小 drawcall，並且默認狀況下，近平面更接近相機，從而能夠近距離查看。

對於多個視錐體，這並不是不可實現，可是可能會有性能問題。只用一個視錐體，使用對數深度緩存，能夠減小將繪製命令分配給每一個視錐體的 CPU 計算量。

視錐上清除命令和全屏掃描命令可能比較少。對數深度緩存消除了視錐邊界處的奇怪問題，對後續開發的新功能（後處理、貼地線）會有幫助。

這是一張拖拉機的輪子，近平面爲 1 米。

當近平面距離爲 0.1 米時，輪胎看起來就比較完整了。

簡而言之，對於只有地形瓦片的視圖，刪除重複的 drawcall 爲 10~30個。對於 3dTiles 或 BIM 模型來講，能減小 20~40 個 drawcall。

在片元着色器中，覆蓋平面很大一部分的三角形的深度信息將被寫入深度緩存，在頂點着色器中計算、插值得來的對數數值可能並非對的。對數深度緩存的典型優化方法是僅修改頂點着色器、僅修改接近相機的三角形的片元着色器兩種。

在片元着色器中寫入片元深度值會致使 GPU 的深度檢測被禁用。而在 Cesium 中是不可能的，由於存在一種狀況：可能存在覆蓋屏幕可是不靠近相機的三角形，例如覆蓋整個陸地的超大多邊形。因此，瀏覽器得支持 EXT_frag_depth 這個 WebGL 擴展，才能在片元着色器中寫入片元深度，才能利用這個功能，不然 Cesium 仍會使用舊的多視錐體技術。

雖然 Cesium 中的大多數視圖僅須要一個單個對數深度的視錐，可是也有例外。一個極端的例子是，在很是遙遠的距離觀察一個很大的三角面。

下例是一個極端狀況，即這裏有兩個超級大平面，和地球切面差很少，它們尺寸是同樣的，可是空間距離上只差 300 米，可是相機到觀察目標的距離有 6400w 米。

對於上面的視圖，能夠預見，幾何圖形在三角面距離比較遠時仍然可見（例如行星）。三角面比較靠近的，則看不到，例如衛星。爲了解決這個問題，Cesium使用了一種混合技術，在多個視錐體中，每一個視錐都使用對數深度緩存。減少 Scene.logarithmicDepthFarToNearRatio 的值，就會增長視錐體的個數，而後減小z值衝突。

*譯者注

簡而言之，配合對數深度緩存技術和原來的多視錐體技術的靈活搭配使用，減小 drawcall，提高性能，提高顯示效果。