Web3D 基于Cesium的高质量场景渲染：渲染管线+物理材质2.0升级

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🕘 收藏时间：2025年05月05日

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“在Web3D时代，随着互联网技术和硬件性能的不断提升，用户对三维场景渲染的要求也日益严苛。Cesium作为业内领先的3D地球引擎，其强大的渲染能力和开放性架构使得开发者能够不断突破传统渲染的边界，打造出更加真实、精细的虚拟世界。本文将详细介绍基于Cesium平台推出的全新渲染管线2.0与高质量物理材质2.0方案，主要是基于渲染管线和物理材质2.0的升级说明，性能优化和一些新特性集成展示，后续计划分享一部分基础版的延迟渲染，多光源技术实现。”

5000动态光源

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全新的渲染管线2.0
全新的渲染管线2.0是在原有延迟渲染基础上，进一步集成并拓展了一系列高级特性和性能优化方案。主要目标在于提升多光源环境下的细节表现、实现体积光交互以及构建一套集成动态天空系统的高性能渲染框架。下面是基于渲染管线1.0的拓展和升级说明：

1. 延迟多光源与HDR Bloom增强
延迟渲染技术通过将光照计算推迟到片元阶段，能够更高效地处理大量光源。此次升级的改进版延迟多光源方案，不仅解决了传统延迟渲染在多光源场景下出现的性能瓶颈，同时与HDR Bloom效果深度融合，实现了高光细节与阴影层次的精准展现。
• 多光源数据优化 对光照数据进行统一存储与归类，减少重复计算，确保在场景中有大量光源时依旧保持高效渲染。 
• HDR Bloom集成 在强光区域引入HDR Bloom效果，使得画面中的高光部分具有更强的穿透感和层次感，同时在低光区域保留细腻的阴影变化。 
• 细节增强 通过算法优化，使得在场景中无论是直射光还是反射光都能在不同亮度范围内展现出更多细节，增强整体画面的真实感。

2. 多种光源的体积光渲染
体积光技术用于模拟光线在介质中的散射与吸收现象，从而营造出如光束、光雾等立体感强烈的视觉效果。此次管线升级在多光源场景下引入体积光特性，提升了光源与场景物体之间的互动效果。
• 实时体积光计算 利用GPU并行计算技术，针对每个光源计算其在大气或雾霾中的散射路径，生成自然的光柱或光雾效果。 
• 多光源协同作用 在复杂场景中，各光源产生的体积光效果可能会出现重叠，本模块通过调节各光源贡献权重，确保整体光效既自然又不会产生过度叠加的失真问题。 
• 动态交互 体积光特性与场景中动态物体、摄像机视角以及实时天气数据紧密结合，使得每个光源的体积效应能够随时随地响应场景变化，提升沉浸感。

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体积光融合

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Web3D | 基于Cesium实现体积阴影和城市规划模拟

3. 移轴特效
高性能移轴特效主要用于局部或重点聚焦的微缩场景展示，通过模拟摄像机的移轴效果，实现局部区域的焦点突出及景深虚化。虽然该模块在本次升级中不作为重点详细展开，但依然为整体渲染系统提供了灵活的视角切换能力。

4. 集成动态天空系统
动态天空系统是此次渲染管线2.0最为核心和亮眼的部分。与传统静态天空背景不同，该系统通过一系列高级特性，将天空、天气、光照、反射、散射等元素无缝集成到整体渲染框架中，实现全场景的动态、真实表现。
1. 动态FBO/UBO优化 
    ◦ 动态FBO管理 通过实时调整帧缓存对象的分辨率与渲染目标，确保在不同场景和分辨率下都能获得最佳的画面质量。 
    ◦ 统一缓冲区（UBO）应用 将天空、天气以及光照相关的共享数据统一存储，通过UBO在多个着色器间高效传递，减少CPU与GPU之间的数据传输开销，从而保证整体渲染流畅性。 
2. 屏幕空间反射（SSR）与次表面散射（SSS） 
    ◦ 屏幕空间反射 利用当前帧缓冲中的信息，实时计算天空以及周边环境在物体表面的反射效果，尤其对金属和玻璃等高反射材质尤为关键。 
    ◦ 次表面散射 模拟光线穿透半透明材质（如皮肤、蜡质、大理石）的效果，让材质内部的光散射与外部光照形成自然过渡，进一步提升材质真实感。 
3. 天气系统与云层模拟 
    ◦ 实时天气模拟 通过噪声算法和流体模拟技术，实时生成各种天气状态下的云层、雨雪效果及大气散射。 
    ◦ 光照色调调节 ：根据当前天气状态（晴、阴、雨等），自动调整整个场景的光照参数和色调，确保画面整体和谐统一，模拟出真实的日出日落、阴影变幻等效果。 
4. HDR渲染集成 
    ◦ 高动态范围（HDR）技术 捕捉并处理场景中极高与极低的光照信息，确保在高光区域与阴影部分都能准确还原真实亮度。 
    ◦ 色调映射 通过先进的色调映射算法，将HDR数据转换为设备显示范围内的色彩，实现平滑过渡，保证画面细节丰富且层次分明。 
5. 未来扩展—蒙特卡洛路径追踪的SSGI系统 
    ◦ 全局光照的深化 在现有动态天空系统基础上，未来计划引入基于蒙特卡洛路径追踪的屏幕空间全局光照（SSGI）系统，进一步计算间接光照效果，提升场景整体照明的真实度和细节丰富性。 
    ◦ 迭代优化 目前SSGI系统仍在开发完善中，其目标是通过真实物理光线追踪，为动态天空与地面场景带来更加精细的光照交互效果。

自定义管线渲染与Cesium官方性能对比
渲染前帧率
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https://sandcastle.cesium.com/?src=3D%20Tiles%20Compare.html

渲染后帧率
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RTX2060静态帧率与动态帧率
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HDR+SSR+5000光源渲染
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基础OSM白膜渲染
https://sandcastle.cesium.com/?src=Cesium%20OSM%20Buildings.html

TAA+HDR+SSR+SSS无法线模型渲染
https://sandcastle.cesium.com/?src=Google%20Photorealistic%203D%20Tiles.html

02
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高质量物理材质2.0
高质量物理材质2.0模块旨在为场景中的物体提供更为真实和一致的材质表现。通过对前期物理材质1.0渲染方案的拓展和升级，结合Cesium新版材质特性，系统集成了Babylon材质标准和glTF拓展，从而实现了跨平台、跨引擎的材质统一表达，同时与动态天空系统深度融合，形成了一个高保真、高交互的渲染环境。

1. 物理材质渲染的拓展与升级
在物理材质2.0中，研发团队对原有的物理材质渲染方案进行了全面升级。通过引入Babylon材质标准和完善glTF拓展，系统不仅实现了材质数据的统一管理，更在细节和真实感上达到了新的高度。
• Babylon材质标准集成 
    ◦ PBR模型应用 利用Babylon成熟的物理基础渲染（PBR）技术，通过金属度、粗糙度、环境光遮蔽等参数精确模拟材质在不同光照下的表现。 
    ◦ 高光与反射优化 Babylon材质在高光和反射部分具有出色表现，与多光源环境和HDR效果结合后，使物体表面反射更加自然、细腻。 
• glTF拓展支持 
    ◦ 数据一致性 glTF作为3D模型交换的标准格式，其拓展机制允许开发者在不同平台间传递丰富的材质数据。物理材质2.0对glTF格式进行了针对性扩展，确保了数据在跨平台展示时的准确性和一致性。 
    ◦ 拓展接口预留 在保持标准化的同时，也为后续新特性（如动态环境映射、实时光照响应等）预留了接口，增强系统的扩展性。 
• 跨平台统一表达 
    ◦ 数据复用与优化 通过统一的材质管理模块，确保从桌面到移动端、甚至VR/AR平台上的材质表现一致，同时与渲染管线中的光照、动态天空数据实现高效交互。 
    ◦ 实时调控 材质系统支持在不同场景和天气条件下自动调整自身参数，做到色彩、反射和透明度的动态平衡，使物体在各种环境下都能展现出自然真实的质感。

2. 集成动态天空系统特性的融合
高质量物理材质2.0并不仅仅是材质参数的简单堆砌，而是通过与动态天空系统数据的无缝对接，使材质表现更符合物理真实。借助动态天空系统提供的实时环境光照、天气变化及HDR数据，材质系统能够动态调整自身表现，实现材质与场景的完美融合。
• 实时环境映射 
    ◦ 动态反射 ：物体表面通过环境映射技术实时捕捉天空和周边环境的色彩与亮度变化，使得金属、玻璃等高反射材质能够展现出与动态天空一致的反射效果。 
    ◦ 光照数据融合 ：材质系统直接接收动态天空模块传递的光照、色温等数据，实时调整反射高光和阴影表现，确保画面中物体的光效与天空环境无缝衔接。 
• 物理属性与环境互动 
    ◦ 自动调节 依据环境变化（如日出、日落、阴天、雨天等），材质内置算法能够自动调整金属度、粗糙度等参数，使得材质在不同环境下都能达到理想的视觉效果。 
    ◦ 次表面散射协同 对于需要展示次表面散射效果的材质（例如皮肤、蜡质、大理石等），系统通过与动态天空SSR/SSS数据的交互，呈现出内部光散射的柔和效果，增强材质的真实感。 
• 跨模块数据共享 
    ◦ 统一数据平台 材质系统与渲染管线共享同一套动态FBO/UBO数据，保证天空、天气与物体材质在实时渲染中的数据一致性。 
    ◦ 高效数据更新 借助GPU加速，材质参数在环境变化时能够迅速更新，确保场景整体光影和材质表现始终保持同步。

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基于Cesium的全新渲染管线2.0与高质量物理材质2.0方案，通过将改进版延迟多光源与HDR Bloom、体积光特性、轻量级移轴特效及动态天空系统有机结合，实现了光照、天气与材质的全方位实时互动。整个系统不仅在技术上实现了跨越式升级，更为Web3D应用提供了一套高性能、高真实感的渲染解决方案。

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