【OpenGL4.0】GLSL-几何着色器详解和实例（GS：Geometry Shader）
http://blog.csdn.net/xiajun07061225/article/details/7752769
一、什么是几何着色器（GS：Geometry Shader）
Input Assembler（IA）从顶点缓冲区上的输入流中接收顶点数据，并且把数据项转换为规范的格式。vertex shader通常用来把顶点从模型空间变换到平面空间，vertex shader读取一个顶点，输出一个顶点。Pixel Shader读取单一pixel属性，输出包含颜色和Z信息的的片断。而geometry shader是DirectX10提出的，把同一区域的所有顶点作为输入，产生新的顶点或者区域。此外数据流输出（steam output）把geometry shader输出的顶点信息复制为4个连续的输出缓冲子集。理论上来说，steam output的输出能力和Input Assembler的输入能力相匹配。
Shader就是一段可以改变像素、顶点和几何学特征的小程序。Vertex Shader是专门处理多边形顶点的。那么Geometry shader就是专门用来处理场景中的几何图形。在过去Vertex Shader每一次运行只能处理一个顶点的数据，并且每次只能输出一个顶点的结果。在整个游戏场景中，绘制的几何图形的任务量非常庞大，如果仅仅依靠Vertex Shader单一来完成，效率会极其低下。
现在DX10的设计师们在顶点与像素的处理过程中又加入了（Geometry shader)几何着色器。它可以根据顶点的信息来批量处理几何图形，对Vertex附近的数据进行函数处理，快速创造出新的多边形。通过stream out将这些结果传递给其他Shader或buffer，将CPU从复杂庞大的几何运算中解放出来。大爆炸，粒子效果，瀑布流水等复杂又关联的场景都可以用Geometry shader很逼真的表现出来。
图一是渲染管线示意图。
图一 渲染管线示意图
GS位于VS与PS之间，可以完成许多模型层面上的工作诸如LOD。以往这些工作都是在CPU上完成的，占用了宝贵的CPU循环 —— CPU可是很繁忙的东西，游戏逻辑、音乐、输入接受都是靠它，却无法提高多少性能，CPU的并行计算性能是远远无法和GPU相比的。
二、几何着色器功能简介
GS被设计针对每个图元执行一次。它能够访问图元的所有顶点，以及与其相关的输入变量的值。换句话说，如果前一阶段提供了某一个输出变量，那么GS就可以访问图元中所有顶点的那个变量的值。因此，GS中的输入变量都是数组类型。
需要注意的是，GS所接受的图元和以前的不同，它只接受“可调整的”图元。
可调整的图元（Adjacency Primitive）
在OpenGL中，我们定义了新的图元类型：
GL_LINES_ADJACENCY_EXT
GL_LINE_STRIP_ADJACENCY_EXT
GL_TRIANGLES_ADJACENCY_EXT
GL_TRIANGLE_STRIP_ADJECENCY_EXT
我们可以在glBegin()、glDrawElements()中将他们作为新的参数使用。下面分别说明这4中类型的特点。
（1）Lines with Adjacecy
4*N个顶点被提供，N是要绘制的线段的数目。线段在#1个#2之间绘制，#0和#3提供调整信息。
（2）Line Strip with Adjacency
顶点数目是N+3，N是要绘制的线段的数目。线段在#1、#2、。。。、#N+1之间绘制，#0和#N+2提供调整信息。
（3）Triangles with Adjacency
顶点数目是6*N，组成三角形的是#0、#2、#4.而#1、#3、#5定义了修正三角形。
（4）Triangle Strip with Adjacency
顶点数目是2N+4.#0、#2、。。。定义三角形序列。其他的定义调整三角形。
在着色器链接之前，必须调用glProgramParameter进行相应的设置。
（1）设置GS可以输出的最大顶点数目
glProgramParameteriEXT( progname, GL_GEOMETRY_VERTICES_OUT_EXT, int value )
（2）设置GS接收的图元的类型
glProgramParameteriEXT( progname, GL_GEOMETRY_INPUT_TYPE_EXT, int value )
需要注意的是，GS的输出图元的类型必须和输入图元的类型匹配。
value的可能取值是：
A、GL_POINTS
B、GL_LINES
对应的输入图元类型可以是：GL_LINES、GL_LINE_STRIP、GL_LINE_LOOP
C、GL_LINES_ADJACENCY_EXT
对应的输入图元类型可以是：GL_LINES_ADJACENCY_EXT、GL_LINES_STRIP_ADJACENCY_EXT
D、GL_TRIANGLES
对应的输入图元类型可以是：GL_TRIANGLES、GL_TRIANGLE_STRIP、GL_TRIANGLE_FAN
E、GL_TRIANGLE_ADJACENCY_EXT
对应的输入图元类型可以是：GL_TRIANGLES_ADJACENCY_EXT、GL_TRIANGLE_STRIP_ADJACENCY_EXT
（3）设置输出图元类型
glProgramParameteriEXT( progname, GL_GEOMETRY_OUTPUT_TYPE_EXT, int value )
value的可能取值是：
GL_POINTS
GL_LINE_STRIP
GL_TRIANGLE_STRIP
GS可以输出0个、1个或者多个图元。这些图元的类型和它从前一阶段接收到的图元的类型不一定相同。然而，GS不能输出多种类型的图元。比如，GS可以接收三角形，输出多个线段序列，或者是输出0个或多个三角形序列。
这就是的GS有多种用途。下面是几个典型例子。一个GS可以依据某些准则比如可见性来移除一些图元。GS也可以产生额外的图元扩大所渲染的对象的形状。GS也可以计算图元的额外信息，而把图元原封不动的输出。GS也可以输出和输入图元完全不同的图元。
GLSL中GS与VS的交互
在GS中，绿色正方形所表示的是由变量gl_VerticesIn所指定的，即最大维数。
GS内置输出变量：varying out vec4 gl_FrontColor;
varying out vec4 gl_BackColor;
varying out vec4 gl_FrontSecondaryColor;
varying out vec4 gl_BackSecondaryColor;
varying out vec4 gl_TexCoord[]; // at most gl_MaxTextureCoords
varying out float gl_FogFragCoord;
GS内置输入变量：
varying in vec4 gl_FrontColorIn[gl_VerticesIn];
varying in vec4 gl_BackColorIn[gl_VerticesIn];
varying in vec4 gl_FrontSecondaryColorIn[gl_VerticesIn];
varying in vec4 gl_BackSecondaryColorIn[gl_VerticesIn];
varying in vec4 gl_TexCoordIn[gl_VerticesIn][]; // at most will be// gl_MaxTextureCoords
varying in float gl_FogFragCoordIn[gl_VerticesIn];
varying in vec4 gl_PositionIn[gl_VerticesIn];
varying in float gl_PointSizeIn[gl_VerticesIn];
varying in vec4 gl_ClipVertexIn[gl_VerticesIn];
GS的功能实现基于两个很重要的内置函数：EmitVertex和EndPrimitive.这两个函数使得GS能够传送多个顶点或者图元到管线的下一阶段。GS为一个顶点定义输出变量，然后调用EmitVertex。之后，GS就能够接着定义下一个顶点的相关输出变量，再次调用EmitVertex。在对图元的所有顶点完成相同的操作之后，GS调用EndPrimitive让OpenGL知道图元的所有顶点都传送完毕。如果没有显式调用EndPrimitive，系统会隐式调用。不过显式调用是一个好的习惯，建议这么做。如果GS没有调用EmitVertex，那么输入的图元就不会被渲染。
需要注意的是，GS保证输出由输入图元产生的结果的顺序和输入图元的顺序是相同的。这会造成性能上的影响。比如，多个着色器单元并行运算，结果必须被保存然后进行排序。为了在兼容性和效率之间平衡，Shader Model4.0做了一个限制：每一次执行最多只能产生1024个32位的值。
三、几何着色器运用实例
下面介绍一个实例：用GS实现一个粒子系统，绘制了很多上面贴了纹理的小正方形。
效果如下：
顶点着色器：
- #version 400
- layout (location = 0) in vec3 VertexPosition;
- uniform mat4 ModelViewMatrix;
- uniform mat3 NormalMatrix;
- uniform mat4 ProjectionMatrix;
- void main()
- {
- gl_Position = ModelViewMatrix * vec4(VertexPosition,1.0);
- }
#version 400
layout (location = 0) in vec3 VertexPosition;
uniform mat4 ModelViewMatrix;
uniform mat3 NormalMatrix;
uniform mat4 ProjectionMatrix;
void main()
{
gl_Position = ModelViewMatrix * vec4(VertexPosition,1.0);
}
- #version 400
- layout( points ) in;
- layout( triangle_strip, max_vertices = 4 ) out;
- uniform float Size2; // Half the width of the quad
- uniform mat4 ProjectionMatrix;
- out vec2 TexCoord;
- void main()
- {
- mat4 m = ProjectionMatrix;
- gl_Position = m * (vec4(-Size2,-Size2,0.0,0.0) + gl_in[0].gl_Position);
- TexCoord = vec2(0.0,0.0);
- EmitVertex();
- gl_Position = m * (vec4(Size2,-Size2,0.0,0.0) + gl_in[0].gl_Position);
- TexCoord = vec2(1.0,0.0);
- EmitVertex();
- gl_Position = m * (vec4(-Size2,Size2,0.0,0.0) + gl_in[0].gl_Position);
- TexCoord = vec2(0.0,1.0);
- EmitVertex();
- gl_Position = m * (vec4(Size2,Size2,0.0,0.0) + gl_in[0].gl_Position);
- TexCoord = vec2(1.0,1.0);
- EmitVertex();
- EndPrimitive();
- }
#version 400
layout( points ) in;
layout( triangle_strip, max_vertices = 4 ) out;
uniform float Size2; // Half the width of the quad
uniform mat4 ProjectionMatrix;
out vec2 TexCoord;
void main()
{
mat4 m = ProjectionMatrix;
gl_Position = m * (vec4(-Size2,-Size2,0.0,0.0) + gl_in[0].gl_Position);
TexCoord = vec2(0.0,0.0);
EmitVertex();
gl_Position = m * (vec4(Size2,-Size2,0.0,0.0) + gl_in[0].gl_Position);
TexCoord = vec2(1.0,0.0);
EmitVertex();
gl_Position = m * (vec4(-Size2,Size2,0.0,0.0) + gl_in[0].gl_Position);
TexCoord = vec2(0.0,1.0);
EmitVertex();
gl_Position = m * (vec4(Size2,Size2,0.0,0.0) + gl_in[0].gl_Position);
TexCoord = vec2(1.0,1.0);
EmitVertex();
EndPrimitive();
}
- #version 400
- in vec2 TexCoord;
- uniform sampler2D SpriteTex;
- layout( location = 0 ) out vec4 FragColor;
- void main()
- {
- FragColor = texture(SpriteTex, TexCoord);
- }
#version 400
in vec2 TexCoord;
uniform sampler2D SpriteTex;
layout( location = 0 ) out vec4 FragColor;
void main()
{
FragColor = texture(SpriteTex, TexCoord);
}