Cesium中通过射线计算日照_cesium 日照分析

Cesium中通过射线计算日照

前段时间接触到一个需求，需要实时的计算建筑的日照，通常优先通过shadow map来实现。通过shadow map可以直接获取某一时刻的光照信息，累积不同太阳光位置的shadow map即可得到物体表面的光照时长。

不过本人技术有限，还没能力手撕shadow map，之前看了光线追踪的内容，考虑到也可以通过射线求交的方法来计算物体表面是否直达光源，来累积光照时长。

累积光照时长需要解决一下几个问题：

• 对于复杂几何结构的物体不可能直接求交，算法过于复杂
• 需要知道不同时刻的太阳位置
• 不同的日照时长通过不同的颜色来表达

OBB

这里仅实现对立方体的遮挡计算，即通过计算物体的有向外包矩形来概化射线求交。

太阳位置

Cesium中内置了计算太阳位置的方法，通过Simon1994PlanetaryPositions可以计算得到某时刻的太阳在地球坐标系内的位置。对应代码中的SunHelper.js文件中的方法。

let transforMatrix=Transforms.computeTemeToPseudoFixedMatrix(date);
let sunpos=Simon1994PlanetaryPositions.computeSunPositionInEarthInertialFrame(date);
Matrix3.multiplyByVector(transforMatrix,sunpos,sunpos);
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由于晚上没必要计算日照，所以多加一步，在物体的位置生成一个平面，当作地平线，在平面以下的当作晚上，在平面以上的当作白天。仅在平面以上的太阳位置需要参与计算

颜色表达

能累积到光照的次数后，即可以直接换算到不同的颜色，可以用LUT，也直接除一个整数限制到1以内即可

实现流程

起止日期计算太阳位置

这里计算得到的太阳位置需要换成光线方向，并不是需要真的太阳位置。太阳位置减去物体位置得到大致的光线方向。如下sunposs存储筛选后的太阳光线方向。

const startDate = JulianDate.fromDate(new Date("2023/07/02 18:00:00"));
viewer.clockViewModel.currentTime = startDate;
const hours = 24;
const sunposs = [];
for (let i = 0; i < hours; i++) {
  const date = new JulianDate();
  JulianDate.addHours(startDate, i, date);
  console.log(date);
  let sunpos = ComputeSunPos(date);
  const dir = new Cartesian3();
  Cartesian3.subtract(sunpos, suninitpos, dir);
  Cartesian3.normalize(dir, dir);
  const dist = Plane.getPointDistance(tgplane, sunpos);
  if (dist > 0) {
    sunposs.push(dir);
  }
}
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生成立方体

我手上没有实际的楼的数据，就手动创建了几个立方体，来计算遮挡。

可以参看createBox方法。

立方体即当作OBB，传入FragmentShader中参与相交计算。OBB通过一个立方体中心，和立方体的三个半轴来构造。数据也仅传入立方体中心和三个半轴。

最开始担心精度抖动问题，立方体中心点采用了EncodedCartesian3进行了高低位拆分。中心和半轴依次存入boxcenters和boxaxies中。

提交数据到GPU

数据还是通过uniform类型来提交，暂未考虑数据过大的问题。

不支持uniform数组

调试的时候发现，通过{type: , value: }提交数据后，无法正确传入到shader中。翻看createUniformArray.js中的代码发现UniformArrayFloatVec3.set方法，对于提交的数组并没有正确解析（也可能是没找到正确的用法），这里我直接改了对应的代码，在设置value的时候判断一下是不是数组。

const value = this.value instanceof Array?this.value:this.value.value;
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数据提交还是正常的fabric，里面的rtc_lxs也是测试精度抖动问题，感觉实际并没有多少效果。

fabric: {
      uniforms: {
        lxs: { type: `vec3[${sunposs.length}]`, value: sunposs },
        boxcenters: { type: `vec3[${boxcenters.length}]`, value: boxcenters },
        boxaxies: { type: `vec3[${boxaxies.length}]`, value: boxaxies },
        rtc_lxs:new Cartesian3(-2764233.530084816, 4787599.944020384, 3170398.735383637)
      }
    }
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立方体求交

OBB求交就不多说了，还是用的PlaneSet，即一对平面，立方体为三组平面，通过计算射线的进去，离开的时间来判断是否相交。

在FS中实现相交算法后，即可遍历太阳位置和立方体，判断每个太阳下，立方体直接的相互遮挡，记录相交次数。

在立方体相交时，剔除法线和光线朝向反向的顶点，保证背面不累计次数。

具体代码，看仓库里面吧。懒得说了。

现有问题

目前计算过于耗时，在距离立方体近的视角下，帧数只有个位数，后面有时间再优化一下。

边缘计算抖动： 在能射到光源和不能射到光源的交界处，计算总是抖动，边界及其不稳定，这个不知道啥问题，有大佬懂得可以指教一下。

代码没整理，后期优化。

仓库地址

YHLpuyu/cesium_shine: cesium实现日照分析，纯几何方法 (github.com)

更新

在计算相交时，可以先通过顶点法线和光线方向来剔除一部分顶点的计算，反向的顶点一定不会暴露在光源下。大概可以减少一半的像素计算量。

for(int i=0;i<suncount;i++){
    float lxs_front=dot(v_normal,lxs_0[i]);
    if(lxs_front<0.01) continue; //剔除反向的像素
    shinecount+=(1.-step(0.1,sunshine(i,pos,boxuniform_count)));
  }
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