关于GLSL的gl_FragCoord、gl_FragDepth以及深度计算

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gl_FragCoord和gl_FragDepth分别是片元着色器的输入和输出变量。

gl_FragCoord是个vec4，四个分量分别对应x, y, z和1/w。其中，x和y是当前片元的窗口相对坐标，不过它们不是整数，小数部分恒为0.5。x - 0.5和y - 0.5分别位于[0, windowWidth - 1]和[0, windowHeight - 1]内。windowWidth和windowHeight都以像素为单位，亦即用glViewPort指定的宽高。w即为乘过了投影矩阵之后点坐标的w，用于perspective divide的那个值。gl_FragCoord.z / gl_FragCoord.w可以得到当前片元和camera之间的距离。参见Fog in GLSL page 4。

gl_FragCoord.z是固定管线计算出的当前片元的深度。它已经考虑了多边形偏移，并经过了投影变换。它位于[0.0, 1.0]之间。如果用gl_FragColor = vec4(vec3(gl_FragCoord.z), 1.0)将其可视化，多半会看到一片白。这是由于变换的非线性，大多数点的深度都非常接近于1。用gl_FragColor = vec4(vec3(pow(gl_FragColor.z, exp)), 1.0)并将exp取为合适的值，就能看到从黑到白的深度变化了。距离观察者近的颜色深，接近0.0；距离观察者远的颜色浅，接近1.0；这说明一直以来的右手坐标系在投影变换后变成了左手坐标系。关于深度的变换和精确性参见OpenGL FAQ - 12 The Depth Buffer。

根据GLSLangSpec.Full.1.30.08（p61），gl_FragCoord.z是固定功能计算所得的结果。如果片元着色器不写gl_FragDepth，那么这个值将用在后续处理中。OpenGL Shading Language提到（p104），即使将gl_FragCoord.z赋值给gl_FragDepth也不能保证产生和固定功能完全相同的值。但是，可以保证相对正确。加之片元着色器一旦写入gl_FragDepth，就必须保证在每个分支都有写入。因此，如果一个着色器需要在某些条件下自己计算深度，其它条件下的正确做法就是gl_FragDepth = gl_FragCoord.z。

在OpenGL的固定管线中，深度坐标是在视口变换期间变换到glDepthRange指定的范围之内（OpenGL编程指南-原书第五版，88页）。视口变换也就是光栅化（Rasterization），在进行到片元着色器的时候自然已经编码完毕了。

自行计算片元深度可以用下面的方法（参考OpenGL FAQ - 12 The Depth Buffer）：

[cpp] view plaincopy

01 // Vertex Shader
02 varying vec4 position;
03 void main(void)
04 {
05     position = gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex;
06     gl_Position = ftransform();
07 }
08 // Fragment Shader
09 uniform float zFar;
10 uniform float zNear;
11 varying vec4 position;
12 void main()
13 {
14     float zDiff = zFar - zNear;
15     float interpolatedDepth = (position.w / position.z) * zFar * zNear / zDiff + 0.5 * (zFar + zNear) / zDiff + 0.5;
16     gl_FragColor = vec4(vec3(pow(interpolatedDepth, 15.0)), 1.0);
17 }