OpenGL GLSL的内建变量

最新推荐文章于 2025-03-24 19:33:40 发布

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分类专栏： OpenGL学习笔记文章标签：算法

原文链接：https://learnopengl-cn.github.io/04%20Advanced%20OpenGL/08%20Advanced%20GLSL/#glsl

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OpenGL GLSL的内建变量

原文：高级GLSL - LearnOpenGL CN
着色器都是最简化的，如果需要当前着色器以外地方的数据的话，我们必须要将数据传进来。我们已经学会使用顶点属性、uniform和采样器来完成这一任务了。
- 然而，除此之外，GLSL还定义了另外几个以gl_为前缀的变量，它们能提供给我们更多的方式来读取/写入数据。我们已经在前面教程中接触过其中的两个了：顶点着色器的输出向量gl_Position，和片段着色器的gl_FragCoord。

顶点着色器变量

它是顶点着色器的裁剪空间输出位置向量。如果你想在屏幕上显示任何东西，在顶点着色器中设置gl_Position是必须的步骤。这已经是它的全部功能了。

gl_PointSize

我们能够选用的其中一个图元是GL_POINTS，如果使用它的话，每一个顶点都是一个图元，都会被渲染为一个点。
- 我们可以通过OpenGL的glPointSize函数来设置渲染出来的点的大小，但我们也可以在顶点着色器中修改这个值。
GLSL定义了一个叫做gl_PointSize输出变量，它是一个float变量，你可以使用它来设置点的宽高（像素）。在顶点着色器中修改点的大小的话，你就能对每个顶点设置不同的值了。
在顶点着色器中修改点大小的功能默认是禁用的，如果你需要启用它的话，你需要启用OpenGL的GL_PROGRAM_POINT_SIZE：

glEnable(GL_PROGRAM_POINT_SIZE);

一个简单的例子就是将点的大小设置为裁剪空间位置的z值，也就是顶点距观察者的距离。点的大小会随着观察者距顶点距离变远而增大。

void main()
{
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);    
    gl_PointSize = gl_Position.z;    
}

结果就是，当我们远离这些点的时候，它们会变得更大：

gl_VertexID

gl_Position和gl_PointSize都是输出变量，因为它们的值是作为顶点着色器的输出被读取的。我们可以对它们进行写入，来改变结果。顶点着色器还为我们提供了一个有趣的输入变量，我们只能对它进行读取，它叫做gl_VertexID。
整型变量gl_VertexID储存了正在绘制顶点的当前ID。
- 当（使用glDrawElements）进行索引渲染的时候，这个变量会存储正在绘制顶点的当前索引。
- 当（使用glDrawArrays）不使用索引进行绘制的时候，这个变量会储存从渲染调用开始的已处理顶点数量。
虽然现在它没有什么具体的用途，但知道我们能够访问这个信息总是好的。

片段着色器变量

在片段着色器中，我们也能访问到一些有趣的变量。GLSL提供给我们两个有趣的输入变量：gl_FragCoord和gl_FrontFacing。
在讨论深度测试的时候，我们已经见过gl_FragCoord很多次了，因为gl_FragCoord的z分量等于对应片段的深度值。然而，我们也能使用它的x和y分量来实现一些有趣的效果。
gl_FragCoord的x和y分量是片段的窗口空间(Window-space)坐标，其原点为窗口的左下角。我们已经使用glViewport设定了一个800x600的窗口了，所以片段窗口空间坐标的x分量将在0到800之间，y分量在0到600之间。
通过利用片段着色器，我们可以根据片段的窗口坐标，计算出不同的颜色。gl_FragCoord的一个常见用处是用于对比不同片段计算的视觉输出效果，这在技术演示中可以经常看到。
- 比如说，我们能够将屏幕分成两部分，在窗口的左侧渲染一种输出，在窗口的右侧渲染另一种输出。下面这个例子片段着色器会根据窗口坐标输出不同的颜色：

void main()
{             
    if(gl_FragCoord.x < 400)
        FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    else
        FragColor = vec4(0.0, 1.0, 0.0, 1.0);        
}

因为窗口的宽度是800。当一个像素的x坐标小于400时，它一定在窗口的左侧，所以我们给它一个不同的颜色。

我们现在会计算出两个完全不同的片段着色器结果，并将它们显示在窗口的两侧。举例来说，你可以将它用于测试不同的光照技巧。

gl_FrontFacing

片段着色器另外一个很有意思的输入变量是gl_FrontFacing。在面剔除教程中，我们提到OpenGL能够根据顶点的环绕顺序来决定一个面是正向还是背向面。
- 如果我们不（启用GL_FACE_CULL来）使用面剔除，那么gl_FrontFacing将会告诉我们当前片段是属于正向面的一部分还是背向面的一部分。
- 举例来说，我们能够对正向面计算出不同的颜色。
gl_FrontFacing变量是一个bool，如果当前片段是正向面的一部分那么就是true，否则就是false。
- 比如说，我们可以这样子创建一个立方体，在内部和外部使用不同的纹理：

#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec2 TexCoords;

uniform sampler2D frontTexture;
uniform sampler2D backTexture;

void main()
{             
    if(gl_FrontFacing)
        FragColor = texture(frontTexture, TexCoords);
    else
        FragColor = texture(backTexture, TexCoords);
}

注意，如果你开启了面剔除，你就看不到箱子内部的面了，所以现在再使用gl_FrontFacing就没有意义了。

gl_FragDepth

输入变量gl_FragCoord能让我们读取当前片段的窗口空间坐标，并获取它的深度值，但是它是一个只读(Read-only)变量。我们不能修改片段的窗口空间坐标，但实际上修改片段的深度值还是可能的。
GLSL提供给我们一个叫做gl_FragDepth的输出变量，我们可以使用它来在着色器内设置片段的深度值。
要想设置深度值，我们直接写入一个0.0到1.0之间的float值到输出变量就可以了：

gl_FragDepth = 0.0; // 这个片段现在的深度值为 0.0

如果着色器没有写入值到gl_FragDepth，它会自动取用gl_FragCoord.z的值。
然而，由我们自己设置深度值有一个很大的缺点，只要我们在片段着色器中对gl_FragDepth进行写入，OpenGL就会（像深度测试小节中讨论的那样）禁用所有的提前深度测试(Early Depth Testing)。
- 它被禁用的原因是，OpenGL无法在片段着色器运行之前得知片段将拥有的深度值，因为片段着色器可能会完全修改这个深度值。
在写入gl_FragDepth时，你就需要考虑到它所带来的性能影响。
- 然而，从OpenGL 4.2起，我们仍可以对两者进行一定的调和，在片段着色器的顶部使用深度条件(Depth Condition)重新声明gl_FragDepth变量：

layout (depth_<condition>) out float gl_FragDepth;

condition可以为下面的值：

条件	描述
`any`	默认值。提前深度测试是禁用的，你会损失很多性能
`greater`	你只能让深度值比`gl_FragCoord.z`更大
`less`	你只能让深度值比`gl_FragCoord.z`更小
`unchanged`	如果你要写入`gl_FragDepth`，你将只能写入`gl_FragCoord.z`的值

通过将深度条件设置为greater或者less，OpenGL就能假设你只会写入比当前片段深度值更大或者更小的值了。这样子的话，当深度值比片段的深度值要小的时候，OpenGL仍是能够进行提前深度测试的。
下面这个例子中，我们对片段的深度值进行了递增，但仍然也保留了一些提前深度测试：

#version 420 core // 注意GLSL的版本！
out vec4 FragColor;
layout (depth_greater) out float gl_FragDepth;

void main()
{             
    FragColor = vec4(1.0);
    gl_FragDepth = gl_FragCoord.z + 0.1;
}