Cesium摄像头跟踪飞机实体时晃动问题分析

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在3D场景下使用Cesium跟踪飞机时会出现摄像头晃动问题，导致地图背景不断晃动，影响观看。下面以最新的Cesium1.51源码为例，解析Cesium 渲染过程原理，分析跟踪实体时摄像头晃动的原因，找出可能的解决方法。

Cesium渲染过程分析

使用Cesium最简单示例代码如下：

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var viewer = new Cesium.Viewer('cesiumContainer');

Viewer是Cesium构建应用的最基础的组件。它又是其他组件的容器，包括：

  • animation:控制时间前进、倒退、暂停以及前进和倒退速度的组件
  • baseLayerPicker：图层选择组件
  • fullscreenButton：控制是否全屏的组件
  • vrButton：控制是否VR显示的组件
  • geocoder：地理位置搜索组件
  • homeButton：返回摄像头默认位置按钮组建
  • infoBox：信息框组件
  • sceneModePicker：场景模式选择组件
  • selectionIndicator：选择指示组件
  • timeline：时间线组件
  • navigationHelpButton：导航帮助按钮，告诉使用者如何使用鼠标和触摸屏操纵虚拟地球
  • CesiumWidget：虚拟地球组件

其中，虚拟地球组件CesiumWidget是Viewer包含核心组件，在Viewer中创建CesiumWidget对象时，将设置其useDefaultRenderLoop属性。设置该属性将启动渲染函数startRenderLoop。

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//from Source/Widgets/CesiumWidget/CesiumWidget.js
useDefaultRenderLoop : {
    get : function() {
        return this._useDefaultRenderLoop;
    },
    set : function(value) {
        if (this._useDefaultRenderLoop !== value) {
            this._useDefaultRenderLoop = value;
            if (value && !this._renderLoopRunning) {
                startRenderLoop(this);
            }
        }
    }
},

函数startRenderLoop是Cesium渲染的开始，其代码如下：

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function startRenderLoop(widget) {
    widget._renderLoopRunning = true;

    var lastFrameTime = 0;
    function render(frameTime) {
        if (widget.isDestroyed()) {
            return;
        }

        if (widget._useDefaultRenderLoop) {
            try {
                var targetFrameRate = widget._targetFrameRate;
                if (!defined(targetFrameRate)) {
                    widget.resize();
                    widget.render();
                    requestAnimationFrame(render);
                } else {
                    var interval = 1000.0 / targetFrameRate;
                    var delta = frameTime - lastFrameTime;

                    if (delta > interval) {
                        widget.resize();
                        widget.render();
                        lastFrameTime = frameTime - (delta % interval);
                    }
                    requestAnimationFrame(render);
                }
            } catch (error) {
                ...
            }
        } else {
            widget._renderLoopRunning = false;
        }
    }

    requestAnimationFrame(render);
}

CesiumWidget组件的render方法随后调用Scene的render方法。

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Scene.prototype.render = function(time) {
        if (!defined(time)) {
            time = JulianDate.now();
        }

        var frameState = this._frameState;
        this._jobScheduler.resetBudgets();

        var cameraChanged = this._view.checkForCameraUpdates(this);
        var shouldRender = !this.requestRenderMode || this._renderRequested || cameraChanged || this._logDepthBufferDirty || (this.mode === SceneMode.MORPHING);
        if (!shouldRender && defined(this.maximumRenderTimeChange) && defined(this._lastRenderTime)) {
            var difference = Math.abs(JulianDate.secondsDifference(this._lastRenderTime, time));
            shouldRender = shouldRender || difference > this.maximumRenderTimeChange;
        }

        if (shouldRender) {
            this._lastRenderTime = JulianDate.clone(time, this._lastRenderTime);
            this._renderRequested = false;
            this._logDepthBufferDirty = false;
            var frameNumber = CesiumMath.incrementWrap(frameState.frameNumber, 15000000.0, 1.0);
            updateFrameNumber(this, frameNumber, time);
        }

        // Update
        this._preUpdate.raiseEvent(this, time);
        tryAndCatchError(this, update);
        this._postUpdate.raiseEvent(this, time);

        if (shouldRender) {
            // Render
            this._preRender.raiseEvent(this, time);
            tryAndCatchError(this, render);

            RequestScheduler.update();
        }

        updateDebugShowFramesPerSecond(this, shouldRender);
        callAfterRenderFunctions(this);

        if (shouldRender) {
            this._postRender.raiseEvent(this, time);
        }
    };

Scene的render方法中tryAndCatchError函数将调用render函数。在该render函数中，地球的主要要素（地形&影像）的渲染，将在Globe的beginFrame和endFrame之间完成的。

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function render(scene) {
    ...

    if (defined(scene.globe)) {
        scene.globe.beginFrame(frameState);
    }

    updateEnvironment(scene);
    updateAndExecuteCommands(scene, passState, backgroundColor);
    resolveFramebuffers(scene, passState);

    passState.framebuffer = undefined;
    executeOverlayCommands(scene, passState);

    if (defined(scene.globe)) {
        scene.globe.endFrame(frameState);

        if (!scene.globe.tilesLoaded) {
            scene._renderRequested = true;
        }
    }

    ...
}

其中updateAndExecuteCommands负责数据的调度，比如哪些Tile需要创建，这些Tile相关的地形数据，以及涉及到的影像数据之间的调度，都是在该函数中维护。而scene.globe.endFrame中，会对该帧所涉及的GlobeTile的下载，解析等进行处理。

Cesium跟踪实体

在Viewer组件构造函数内，Viewer订阅了场景组件Scene的渲染后事件postRender，以执行Viewer自己的_postRender函数。

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eventHelper.add(scene.postRender, Viewer.prototype._postRender, this);

Viewer的_postRender函数代码如下，其中updateTrackedEntity函数将更新被跟踪实体的摄像头位置：

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Viewer.prototype._postRender = function() {
    updateZoomTarget(this);
    updateTrackedEntity(this);
};

updateTrackedEntity函数代码如下：

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function updateTrackedEntity(viewer) {
    if (!viewer._needTrackedEntityUpdate) {
        return;
    }

    var trackedEntity = viewer._trackedEntity;
    var currentTime = viewer.clock.currentTime;

    //Verify we have a current position at this time. This is only triggered if a position
    //has become undefined after trackedEntity is set but before the boundingSphere has been
    //computed. In this case, we will track the entity once it comes back into existence.
    var currentPosition = Property.getValueOrUndefined(trackedEntity.position, currentTime);

    if (!defined(currentPosition)) {
        return;
    }

    var scene = viewer.scene;

    var state = viewer._dataSourceDisplay.getBoundingSphere(trackedEntity, false, boundingSphereScratch);
    if (state === BoundingSphereState.PENDING) {
        return;
    }

    var sceneMode = scene.mode;
    if (sceneMode === SceneMode.COLUMBUS_VIEW || sceneMode === SceneMode.SCENE2D) {
        scene.screenSpaceCameraController.enableTranslate = false;
    }

    if (sceneMode === SceneMode.COLUMBUS_VIEW || sceneMode === SceneMode.SCENE3D) {
        scene.screenSpaceCameraController.enableTilt = false;
    }

    var bs = state !== BoundingSphereState.FAILED ? boundingSphereScratch : undefined;
    viewer._entityView = new EntityView(trackedEntity, scene, scene.mapProjection.ellipsoid);
    viewer._entityView.update(currentTime, bs);
    viewer._needTrackedEntityUpdate = false;
}

除此之外，Viewer组件订阅了Clock组建的onTick事件，以执行其自身的_onTick事件处理函数：

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eventHelper.add(clock.onTick, Viewer.prototype._onTick, this);

在Viewer组件的_onTick事件处理函数中，同样会更新被跟踪实体的摄像头位置。而Cesium摄像头跟踪飞机实体时产生晃动的根源即在此处。

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Viewer.prototype._onTick = function(clock) {
        var time = clock.currentTime;

        var isUpdated = this._dataSourceDisplay.update(time);
        if (this._allowDataSourcesToSuspendAnimation) {
            this._clockViewModel.canAnimate = isUpdated;
        }

        var entityView = this._entityView;
        if (defined(entityView)) {
            var trackedEntity = this._trackedEntity;
            var trackedState = this._dataSourceDisplay.getBoundingSphere(trackedEntity, false, boundingSphereScratch);
            if (trackedState === BoundingSphereState.DONE) {
                entityView.update(time, boundingSphereScratch);
            }
        }

       ...
    };

可行的解决方案

在Viewer组件的_onTick函数做如下修改：

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Viewer.prototype._onTick = function(clock) {
        var time = clock.currentTime;

        var isUpdated = this._dataSourceDisplay.update(time);
        if (this._allowDataSourcesToSuspendAnimation) {
            this._clockViewModel.canAnimate = isUpdated;
        }

        var entityView = this._entityView;
        if (defined(entityView)) {
            var trackedEntity = this._trackedEntity;
            var trackedState = this._dataSourceDisplay.getBoundingSphere(trackedEntity, false, boundingSphereScratch);
            if (trackedState === BoundingSphereState.DONE) {
                //entityView.update(time, boundingSphereScratch);
                var range=this.camera.distanceToBoundingSphere(boundingSphereScratch);
                var targetRange=range>boundingSphereScratch.radius*10?range:boundingSphereScratch.radius*10;
                var offset=new HeadingPitchRange(0.0,-Math.toRadians(45.0),targetRange);
                this.camera.viewBoundingSphere(boundingSphereScratch,offset)
            }
        }

       ...
    };

参考文献

  1. Cesium原理篇：1最长的一帧之渲染调度, by 法克鸡丝