Geometry shader总结

Posted 2020-08-25 风过蔷薇

什么是Geometry Shader

GS存在于vertext shader和固定功能vertex post-processing stage之间，它是可选的不是必要的。
GS的输入是单个primitive，输出可能是0个或多个primitive. 

GS的作用

GS的主要作用就是从已有的primitive中生成新的primitive，它可以“无中生有”的生成新的顶点

OpenGL官网上提到两种用法：

  Layered rendering: 对一个primitive，不改变rendertarget渲染出多个图片
  Transform Feedback: 用来执行GPU的计算任务(pre-compute shader)

Real-time rendering书中提到了几种效果可以用GS来实现：

　　creating various sized particles from point data

      extruding fins along silhouettes for fur rendering

      finding object edges for shadow algorithms

下图是个例子，给GS输入一个三角形，GS输出4个三角形

Layered Rendering

上面说到了，GS的一大用处体现在layerd rendering，即多层渲染。

试想一下，对于多层纹理而言，每一层的纹理坐标实际上是相同的。层号如何指定呢？固然可以在建立VBO时给纹理坐标第三个维度值，但是这并不会让OpenGL画到你想画的层上：Fragment的过程就是将顶点像素化的过程，而这个过程是二维的……最后拿到的二维图像必然没有深度，层数无从谈起。

但是Geometry却有个关键的内建输出变量：out int gl_Layer，正是它能够指定绘制的层数。我们不妨先将我写出来的geometry shader的内容贴出来，注意显卡至少要支持到OpenGL 4.0，#version这句至少是400：

 1 #version 450
 2 layout (triangles, invocations = 2) in; //输入三角形，2次调用
 3 layout (triangle_strip, max_vertices = 3) out;  //输出三角形
 4 in vec2 gTexCoord[];    //从Vertex传过来的纹理坐标
 5 out vec2 fTexCoord;     //传到Fragment去的纹理坐标
 6 out int gl_Layer;   //层数的标记
 7 void main()
 8 {
 9     for(int k=0; k<gl_in.length(); k++)   //针对三角形每个顶点
10     {
11         gl_Layer = gl_InvocationID;    //用调用编号标记层号
12         fTexCoord = gTexCoord[k];    //纹理坐标传递
13         gl_Position = gl_in[k].gl_Position;    //顶点坐标传递
14         EmitVertex();    //开始传递顶点信息，对每个顶点调用一次
15     }
16     EndPrimitive();    //结束一个primitive，一个primitive调用一次
17 }

 需要注意的是，triangles意味着你在OpenGL的绘制指令必须是GL_TRIANGLE、GL_TRIANGLE_STRIP或者GL_TRIANGLE_FAN。其他的对应关系可以在Wiki查到。三角形有3个顶点，这一组3个顶点将同时进入Geometry中，因此在Geometry中能拿到一个gl_in[]的内建数组，这个数组的大小应该跟绘制时一组顶点的数量一致，三角形就是3。而在这里我不需要增加顶点，因此输出也还是3个顶点。同时纹理坐标也理所当然地变成了数组。因此需要一个循环来对三角形的每个顶点进行操作。

这里顶点坐标和纹理坐标都不必改，因此直接传递过去了。重点在于gl_Layer这一句。gl_Layer这个内建变量用于指示当前绘制的层号，这个值将影响像素化后像素绘制到哪一层上。OpenGL要求一组顶点（这里是一个三角形）内部的gl_Layer必须一致。这里赋值之后顺便把它传到Fragment里作为标志。
关键的一步在于第二行的invocations = 2和gl_InvocationID这个内建变量。invocations=n指示Geometry对每组顶点做n次运算，用gl_InvocationID来标记每次运算的序号。我们可以将这个序号送到gl_Layer来作为层号的值！这样geometry就会将这一组顶点重复发送两次，而这两次是发送到不同层上的，从而实现不同层的绘制！

接下来只要在Fragment里拿到这个gl_Layer，根据需要分层作处理就可以了。

用Transform feedback创建粒子系统

粒子系统是为了模仿一些自然现象（比如烟，灰尘，烟火，雨等）所使用的技术的一个通用名字。在这些现象中，共同的地方就是它们是由大量的小粒子所组成，这些小的粒子以某种方式在一起移动，这样就构成了一种自然现象。

DirectX10 介绍了一个新的特性叫 Stream Output，这个对于粒子系统的实现是非常有用的。OpenGL 在 3.0
版本之后也加入了这个特性——Transform Feedback，其实现思路是在 GS（如果没有使用 GS 则是
VS）处理之后，我们可以将变换之后的图元存放到一个特殊的缓存——Transform Feedback Buffer
中。此外，我们可以决定图元是否将继续按照以前的流程进行光栅化。在下一帧渲染的时候，上一帧中输出的顶点信息可以在这一帧中作为顶点缓存使用，在这样的一个循环过程中，我们可以不借助于应用程序来实现对粒子信息的更新。下面这幅图片介绍了 Transform Feedback Buffer 在管线中所处的位置。