Graphics Tech in Cesium - Vertex Compression | cesium.com

頂點壓縮概述

計算機圖形學中一種常見的作法是打包、壓縮頂點屬性，它增加了頂點著色器中的代碼，達到減小記憶體占用的效果，同時也減少了資料通過總線從CPU到GPU的時間，降低了GPU記憶體帶寬，

另一個好處是，可以存放超過頂點屬性的最大數量的其他額外頂點屬性，

減少頂點屬性的一種方法是將所有的屬性成四維向量，并確保所有的分量充分得到使用，例如，代替如下頂點屬性：

attribute vec3 axis;
attribute float rotation;

可以用四維向量來代替：

attribute vec4 axisAndRotation;

// 使用它
vec3 axis = axisAndRotation.xyz;
float rotation = axisAndRotation.w;

通過將多個頂點屬性打包到單個浮點數中，可以進一步操作，舉個例子，為什么在一個無符號的 byte 中存盤一個 bool 型別的頂點屬性？顯然，bool 型別的只需要 1bit（1byte能存8bit），作者希望 WebGL 2.0 中會有 GLSL 逐位運算子，不過在此之前，可以用乘除2的次方的方法來移位操作，

一個 32 位浮點數有 24 位精度，所以，可以將 24 位打包成一個浮點數，以 Cesium 中的 Billboard 的屬性打包來舉例，首先：

var UPPER_BOUND = 32768.0;  // 2^15

var LEFT_SHIFT7 = 128.0;
var LEFT_SHIFT5 = 32.0;
var LEFT_SHIFT3 = 8.0;
var LEFT_SHIFT2 = 4.0;

// value 小于min回傳min，大于max回傳max，否則回傳value
function clamp(value, min, max) {
  return value < min ? min : value > max ? max : value;
}
    
// pixelOffset 是螢屏空間的像素偏移量，假設它很短，
// 開始，將它限制在 ±2^15 范圍內，
var compressed = CesiumMath.clamp(pixelOffsetX, -UPPER_BOUND, UPPER_BOUND);

// 然后加上 UPPER_BOUND，讓它回到范圍 [0, 2^16] 內
compressed = Math.floor(compressed + UPPER_BOUND);

// 左移，以便可以使用剩余的位
// [譯者注] js 的左移貌似不是這樣的，而且左移 128 位應該是不對的，應該是左移 7 位（2^7=128）？
// [譯者注] 經查應該是 compressd << 7;
compressed = * LEFT_SHIFT7;

// 水平的對齊方式（horizontalOrigin）可以是 中央、左邊、右邊，那么用2bit就可以表示，
// 整數范圍取值就是 [-1, 1]，加一個1到 [0, 2]，然后左移5位

// [譯者注] horizontalOrigin 應該是一個表達 billboard 對齊點位的方式，一共三種，用 -1、0、1可以表示，加1就是 0、1、2，用二進制的
// 00、01、10 完全可以表示，只占 2bit，所以在上面移動了7位之后的7個bit中占2bit即可，即向左移動5bit
// [譯者注] 假設 horizontalOrigin 是 2，那么二進制就是 0000 0010，因為前面左移空出7個bit，所以把頂頭這個1移動5個bit即可：
// 0000 0010 -> 0100 0000
// [譯者注] 所以這里這個乘號我也不知道他是不是寫錯代碼了
compressed += (horizontalOrigin + 1.0) * LEFT_SHIFT5;

// 垂直方向的同理
compressed += (verticalOrigin + 1.0) * LEFT_SHIFT3;

// 是否顯示是一個 bool 值，只用1bit就夠了，剛好用完剩下的1bit
compressed += (show ? 1.0 : 0.0) * LEFT_SHIFT2;

只需要在 GLSL 中反過來操作就可以獲取值，見 BillboardCollectionVS.glsl 中的頂點著色器，

有關更多的頂點壓縮資訊，見參考，

譯者注

這很坑啊，js代碼里的位運算貌似寫錯了，不過大體意思我是讀懂了，根據特定場合優化資料的存盤，從二進制入手，

只需要進行位運算，空出一些 bit，將一些本身并不需要很長存盤位的變數塞進去就行了，在 glsl 中進行反操作，就可以獲取壓縮的值，

法線壓縮

官方使用八進制表示法來表示 Cesium 中的單位向量，此表示方法將一個三維單位向量壓縮為二維向量，這個二維向量的每個分量用 8 bit 存盤，

參考 AttributeCompression.octEncode 方法來學習如何將單位三維向量轉換成一個八進制編碼的二維向量，

十進制編碼的向量可以存盤為二維無符號byte 型別的頂點屬性，如果有更多可用的資料，或許可以更進一步打包向量，

還可以打包兩個8bit 分量進一個浮點數，為其他資料留出 8bit，參考 AttributeCompression.octEncodeFloat 這個方法來學習編碼程序，參考 czm_octDecode 這個 glsl 函式來解碼，

還可以將三個單位向量打包成兩個浮點數，參考 AttributeCompression.octPack 方法來學習如何編碼，參考 czm_octDecode 這個 glsl 函式來解碼，

將三個單位向量編碼為兩個浮點數僅對不相關的單位向量有用，例如，切線向量僅需要編碼兩個向量，可以使用其他兩個的叉積作為第三個向量，

譯者注

主要是各種縮縮縮，摳1bit是1bit，知道是單位向量的前提下可以盡可能減少bit的占用，而且知道關系的話，可以用數學計算完成表達的，就減少一個資料的存盤也是不錯的，例如這里提到的叉積，

紋理坐標壓縮

對于 Cesium 的 Billboard 生成的幾何，它的紋理坐標并不需要用完浮點數的全24位精度，只需要12位精度即可，

紋理重復并不需要，每個紋理坐標嚴格地限制在 0 到1之間，參考 AttributeCompression.compressTextureCoordinates 方法，它將紋理坐標壓縮成一個浮點數，

在 Cesium 中，這么壓縮可能會導致 billboard 失真，但是截至發文時，官方還沒看到失真的效果，

Cesium 中的頂點壓縮

Primitive 類有一個 compressVertices 屬性，默認值是 true，這意味著 切線空間向量、紋理坐標將會被壓縮，

BillboardCollection 和 LabelCollection 的每個頂點具有18個屬性，每個屬性又是不同的型別和維度，壓縮和打包后，每個頂點的屬性被壓縮成 8 個四維浮點向量，

參考 BillboardCollection 和它的頂點著色器（BillboardCollectionVS.glsl），

譯者小結

通過預判各種屬性的情況，充分利用位運算和邏輯關系，可以將資料安插在有限的二進制位中，壓縮的作業交給資料生產者和JavaScript，

隨后由頂點著色器完成逆向決議資料的程序，充分利用GPU的計算能力，

參考

[Calver02] Dean Calver. Vertex Decompression in a Shader. In Direct3D ShaderX: Vertex and Pixel Shader Tips and Tricks. Edited by Wolfgang F. Engel. 2002.

[Cigolle14] Cigolle, Donow, Evangelakos, Mara, McGuire, Meyer, A Survey of Efficient Representations for Independent Unit Vectors, Journal of Computer Graphics Techniques (JCGT), vol. 3, no. 2, 1-30, 2014.

[Persson12] Emil Persson. Creating Vast Game Worlds. 2012.

[Pranckevi?ius09] Aras Pranckevi?ius. Compact Normal Storage for Small G-Buffers. 2009.

標籤：GIS

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