OpenGL进阶之几何着色器

参考：

https://learnopenglcn.github.io/04%20Advanced%20OpenGL/09%20Geometry%20Shader/

几何着色器的输入是一个图元（如点或三角形）的一组顶点。几何着色器可以在顶点发送到下一着色器阶段之前对它们随意变换。
然而，几何着色器最有趣的地方在于，它能够将（这一组）顶点变换为完全不同的图元，并且还能生成比原来更多的顶点。

直接先看一个几何着色器的例子：

#version 330 core
layout (points) in;
layout (line_strip, max_vertices = 2) out;

void main() {
       
    gl_Position = gl_in[0].gl_Position + vec4(-0.1, 0.0, 0.0, 0.0); 
    EmitVertex();

    gl_Position = gl_in[0].gl_Position + vec4( 0.1, 0.0, 0.0, 0.0);
    EmitVertex();

    EndPrimitive();
}

在几何着色器的顶部，我们需要声明从顶点着色器输入的图元类型。这需要在in关键字前声明一个布局修饰符

这个输入布局修饰符可以从顶点着色器接收下列任何一个图元值：

以上是能提供给glDrawArrays渲染函数的几乎所有图元了。如果我们想要将顶点绘制为GL_TRIANGLES，我们就要将输入修饰符设置为triangles。括号内的数字表示的是一个图元所包含的最小顶点数。

接下来，我们还需要指定几何着色器输出的图元类型，这需要在out关键字前面加一个布局修饰符。和输入布局修饰符一样，输出布局修饰符也可以接受几个图元值：

有了这3个输出修饰符，我们就可以使用输入图元创建几乎任意的形状了。要生成一个三角形的话，我们将输出定义为triangle_strip，并输出3个顶点。

几何着色器同时希望我们设置一个它最大能够输出的顶点数量（如果你超过了这个值，OpenGL将不会绘制多出的顶点），这个也可以在out关键字的布局修饰符中设置。在这个例子中，我们将输出一个line_strip，并将最大顶点数设置为2个。

在下面这张图中，我们有5个顶点：

如果使用的是上面定义的着色器，那么这将只能输出一条线段，因为最大顶点数等于2。

为了生成更有意义的结果，我们需要某种方式来获取前一着色器阶段的输出。GLSL提供给我们一个内建(Built-in)变量，在内部看起来（可能）是这样的：

in gl_Vertex
{
   
    vec4  gl_Position;
    float gl_PointSize;
    float gl_ClipDistance[];
} gl_in[];

这里，它被声明为一个接口块,它包含了几个很有意思的变量，其中最有趣的一个是gl_Position，它是和顶点着色器输出非常相似的一个向量。
要注意的是，它被声明为一个数组，因为大多数的渲染图元包含多于1个的顶点，而几何着色器的输入是一个图元的所有顶点。
有了之前顶点着色器阶段的顶点数据，我们就可以使用2个几何着色器函数，EmitVertex和EndPrimitive，来生成新的数据了

几何着色器希望你能够生成并输出至少一个定义为输出的图元,在我们的例子中，我们需要至少生成一个线条图元。

void main() {
   
    gl_Position = gl_in[0].gl_Position + vec4(-0.1, 0.0, 0.0, 0.0); 
    EmitVertex();

    gl_Position = gl_in[0].gl_Position + vec4( 0.1, 0.0, 0.0, 0.0);
    EmitVertex();

    EndPrimitive();
}

每次我们调用EmitVertex时，gl_Position中的向量会被添加到图元中来。
当EndPrimitive被调用时，所有发射出的(Emitted)顶点都会合成为指定的输出渲染图元。
在一个或多个EmitVertex调用之后重复调用EndPrimitive能够生成多个图元。
在这个例子中，我们发射了两个顶点，它们从原始顶点位置平移了一段距离，之后调用了EndPrimitive，将这两个顶点合成为一个包含两个顶点的线条。

你可能已经猜出这个几何着色器是做什么的了。它接受一个点图元作为输入，以这个点为中心，创建一条水平的线图元。如果我们渲染它，看起来会是这样的：

使用几何着色器

为了展示几何着色器的用法，我们将会渲染一个非常简单的场景，我们只会在标准化设备坐标的z平面上绘制四个点。这些点的坐标是：

float points[] = {
   
    -0.5f,  0.5f, // 左上
     0.5f,  0.5f, // 右上
     0.5f, -0.5f, // 右下
    -0.5f, -0.5f  // 左下
};

顶点着色器只需要在z平面绘制点就可以了，所以我们将使用一个最基本顶点着色器：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec2 aPos;

void main()
{
   
    gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, 0.0, 1.0); 
}

直接在片段着色器中硬编码，将所有的点都输出为绿色：

#version 330 core
out vec4 FragColor;

void main()
{
   
    FragColor = vec4(0.0, 1.0, 0.0, 1.0);   
}

为点的顶点数据生成一个VAO和一个VBO，然后使用glDrawArrays进行绘制：

shader.use();
glBindVertexArray(VAO);
glDrawArrays(GL_POINTS, 0, 4);

结果是在黑暗的场景中有四个（很难看见的）绿点：

现在使用几何着色器,创建一个传递(Pass-through)几何着色器，它会接收一个点图元，并直接将它传递(Pass)到下一个着色器：

#version 330 core
layout (points) in;
layout (points, max_vertices = 1) out;

void main() {
       
    gl_Position = gl_in[0].gl_Position; 
    EmitVertex();
    EndPrimitive();
}

现在这个几何着色器应该很容易理解了，它只是将它接收到的顶点位置不作修改直接发射出去，并生成一个点图元.

和顶点与片段着色器一样，几何着色器也需要编译和链接，但这次在创建着色器时我们将会使用GL_GEOMETRY_SHADER作为着色器类型：

geometryShader = glCreateShader(GL_GEOMETRY_SHADER);
glShaderSource(geometryShader, 1, &gShaderCode, NULL);
glCompileShader(geometryShader);  
...
glAttachShader(program, geometryShader);
glLinkProgram(program);

如果你现在编译并运行程序，会看到和下面类似的结果：

造几个房子

绘制点和线并没有那么有趣，所以我们会使用一点创造力，利用几何着色器在每个点的位置上绘制一个房子。要实现这个，我们可以将几何着色器的输出设置为triangle_strip，并绘制三个三角形：其中两个组成一个正方形，另一个用作房顶

三角形带(Triangle Strip)是绘制三角形更高效的方式，它使用顶点更少。在第一个三角形绘制完之后，每个后续顶点将会在上一个三角形边上生成另一个三角形,类似如下图

通过使用三角形带作为几何着色器的输出，我们可以很容易创建出需要的房子形状，只需要以正确的顺序生成3个相连的三角形就行了。下面这幅图展示了顶点绘制的顺序，蓝点代表的是输入点：

#version 330 core
layout (points) in;
layout (triangle_strip, max_vertices = 5) out;

void build_house(vec4 position)
{
       
    gl_Position = position + vec4(-0.2, -0.2, 0.0, 0.0);    // 1:左下
    EmitVertex();   
    gl_Position = position + vec4( 0.2, -0.2, 0.0, 0.0);    // 2:右下
    EmitVertex();
    gl_Position = position + vec4(-0.2,  0.2, 0.0, 0.0);    // 3:左上
    EmitVertex();
    gl_Position = position + vec4