LearnOpenGL-高级OpenGL-9.几何着色器

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标签： LearnOpenGL-高级OpenGL-9.几何着色器

2023-06-04 18:23:48 50浏览

# 几何着色器- 简介 - 在顶点和片段着色器之间有一个**可选**的几何着色器 - 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**

本人初学者，文中定有代码、术语等错误，欢迎指正

文章目录

几何着色器

  • 简介

    • 在顶点和片段着色器之间有一个可选的几何着色器
    • 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

  • 代码例子

    #version 330 core
layout (points) in;// 输入的图元类型
layout (line_strip, max_vertices = 2) out;// 几何着色器输出的图元类型

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();
}
    • 输入的图元类型：layout (points) in;
      • points：绘制GL_POINTS图元时（一个图元包含最小1个顶点数）。
      • lines：绘制GL_LINES或GL_LINE_STRIP时（2）
      • lines_adjacency：GL_LINES_ADJACENCY或GL_LINE_STRIP_ADJACENCY（4）
      • triangles：GL_TRIANGLES、GL_TRIANGLE_STRIP或GL_TRIANGLE_FAN（3）
      • triangles_adjacency：GL_TRIANGLES_ADJACENCY或GL_TRIANGLE_STRIP_ADJACENCY（6）
    • 几何着色器输出的图元类型：layout (line_strip, max_vertices = 2) out;
      • points
      • line_strip
      • triangle_strip

  • 说明line_strip

    layout (line_strip, max_vertices = 5) out;

  • 内建变量

    我们需要某种方式来获取前一着色器阶段的输出

    in gl_Vertex// 4.8节讲的接口块
{
    vec4  gl_Position;
    float gl_PointSize;
    float gl_ClipDistance[];
} gl_in[];

    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。

  • 生成线条

    void main() {
    gl_Position = gl_in[0].gl_Position + vec4(-0.1, 0.0, 0.0, 0.0); 
    EmitVertex();// gl_Position添加到图元中

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

    EndPrimitive();// 合成
}
    • 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。

使用几何着色器

造几个房子

  • 分析

    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。

  • triangle_strip说明

    • 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：每3个临近的顶点将会形成一个三角形

    • 例子

      顶点为：123456

      生成的三角形有：(1, 2, 3)、(2, 3, 4)、(3, 4, 5)和(4, 5, 6)，共形成4个三角形

    • 图示

  • 从而推出房子需要的顶点，以及顺序

    顶点为：123456

    生成的三角形有：(1, 2, 3)、(2, 3, 4)和(3, 4, 5)，共形成3个三角形

  • 代码

    #version 330 core
layout (points) in;//输入
layout (triangle_strip, max_vertices = 5) out;// 输出，5个顶点

in VS_OUT{// 4.8节讲的接口块
	vec3 color;
}gs_in[];

out vec3 fColor;

void build_house(vec4 position){
	// 因为points只有一个顶点，所以下标为0
	fColor = gs_in[0].color;//1234顶点使用同一个颜色
	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( 0.2,  0.2, 0.0, 0.0);// 4:右上
	EmitVertex();
	gl_Position = position + vec4( 0.0,  0.4, 0.0, 0.0); // 5:顶部
	fColor = vec3(1.0, 1.0, 1.0);// 顶部颜色为白色
	EmitVertex();
	EndPrimitive();
}
void main(){
	build_house(gl_in[0].gl_Position);
}

    float points[] = {
    -0.5f,  0.5f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, // top-left
    0.5f,  0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, // top-right
    0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, // bottom-right
    -0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f, 0.0f  // bottom-left
};

glClearColor(0.1f, 0.1f, 0.1f, 1.0f);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glEnable(GL_DEPTH_TEST);

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

  • 效果

    请添加图片描述

爆破物体

  • 分析

    我们是要将每个三角形沿着法向量的方向移动一小段时间。效果就是，整个物体看起来像是沿着每个三角形的法线向量爆炸一样。

  • 代码

    vs：顶点着色器

    #version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoords;

out VS_OUT{// 4.8的接口块
    vec2 texCoords;
}vs_out;

uniform mat4 projection;
uniform mat4 model;
uniform mat4 view;

void main()
{
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);// 变换到裁剪空间
    vs_out.texCoords = aTexCoords;
}

    gs：几何着色器-关键地方

    #version 330 core
layout (triangles) in;
layout (triangle_strip, max_vertices = 3) out;// 输出，3个顶点

// 从顶点着色器传入
in VS_OUT{
	vec2 texCoords;
}gs_in[];

// 为了传入给片段着色器
out vec2 TexCoords;

uniform float time;

vec4 explode(vec4 position, vec3 normal){
	float magnitude = 2.0;
	// 将每个三角形沿着法向量的方向移动一小段时间
	vec3 direction = normal * ((sin(time) + 1.0) / 2.0) * magnitude;
	return position + vec4(direction, 0.0);
}
// 计算法线
vec3 GetNormal(){
	vec3 a = vec3(gl_in[0].gl_Position) - vec3(gl_in[1].gl_Position);
	vec3 b = vec3(gl_in[2].gl_Position) - vec3(gl_in[1].gl_Position);
	return normalize(cross(a, b));// a、b向量的叉积：第三个向量（法线）并垂直于a、b
}
void main(){
	vec3 normal = GetNormal();
	gl_Position = explode(gl_in[0].gl_Position, normal);
	TexCoords = gs_in[0].texCoords;
	EmitVertex();

	gl_Position = explode(gl_in[1].gl_Position, normal);
	TexCoords = gs_in[1].texCoords;
	EmitVertex();

	gl_Position = explode(gl_in[2].gl_Position, normal);
	TexCoords = gs_in[2].texCoords;
	EmitVertex();

	EndPrimitive();
}

    分析：

    • vs顶点着色器将顶点变换到裁剪空间后传给几何着色器
    • 几何着色器的顶点处于裁剪空间中，那么这里计算的法线是计算裁剪空间顶点的法线

    fs

    #version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec2 TexCoords;

uniform sampler2D texture_diffuse1;

void main(){ 
	FragColor = texture(texture_diffuse1, TexCoords);
}

    cpp

    // 渲染这个模型
model = glm::translate(model, glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f));
model = glm::scale(model, glm::vec3(0.1f, 0.1f, 0.1f));
shader.use();
shader.setMat4("model", model);
shader.setMat4("view", view);
shader.setMat4("projection", projection);

shader.setFloat("time", static_cast<float>(glfwGetTime()));

  • 效果


    请添加图片描述

法向量可视化

  • 引出

    检测法向量是否正确的一个很好的方式就是对它们进行可视化，几何着色器正是实现这一目的非常有用的工具。

  • 实现思路

    • 我们首先不使用几何着色器正常绘制场景

    • 然后再次绘制场景，但这次只显示通过几何着色器生成法向量。

      几何着色器接收一个三角形图元，并沿着法向量生成三条线——>每个顶点一个法向量

  • 代码

    法线可视化的着色器

    vs

    #version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;

out VS_OUT{
    vec3 normal;
}vs_out;

uniform mat4 model;
uniform mat4 view;

void main()
{
    gl_Position = view * model * vec4(aPos, 1.0);// 顶点变换到观察空间
    // 注意：将法线变换到观察空间
    mat3 normalMatrix = mat3(transpose(inverse(view * model)));
    vs_out.normal = normalize(vec3(vec4(normalMatrix * aNormal, 0.0)));
}

    gs

    #version 330 core
layout (triangles) in; // 输入：一个三角形3个顶点
layout (line_strip, max_vertices = 6) out;// 输出：3条线，每条线2个顶点，共6个顶点

// 从顶点着色器传入
in VS_OUT{
	vec3 normal;
}gs_in[];

const float MAGNITUDE = 0.02;

uniform mat4 projection;// 投影矩阵
// 从点变成线
void GenerateLine(int index){
	gl_Position = projection * gl_in[index].gl_Position;// 起始点变换到裁剪空间
	EmitVertex();
	// 1.在观察空间中线的终顶点沿着法线增长 2.顶点再变换到裁剪空间
	gl_Position = projection * (gl_in[index].gl_Position + 
								vec4(gs_in[index].normal, 0.0) * MAGNITUDE);
	EmitVertex();
	EndPrimitive();
}

void main(){
	GenerateLine(0);
	GenerateLine(1);
	GenerateLine(2);
}

    分析：

    • vs顶点着色器将顶点变换到观察空间后传给几何着色器

      所以法线也要变换到观察空间再传给几何着色器

    • 几何着色器的顶点

      • 在观察空间沿着法线增长

        (gl_in[index].gl_Position + vec4(gs_in[index].normal, 0.0) * MAGNITUDE)

      • 增长后的顶点与projection投影矩阵相乘在裁剪空间

        然后传给片段着色器之前：经过透视除法到标准化设备坐标系，再经过视口变换到屏幕坐标（opengl自动执行）

    fs

    #version 330 core
out vec4 FragColor;

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

    cpp

    Shader shader("assest/shader/3模型/3.1.模型加载.vs", "assest/shader/3模型/3.1.模型加载.fs");
Shader normalshader("assest/shader/4高级OpenGL/6.9.3.几何着色器-模型法向量可视化.vs", "assest/shader/4高级OpenGL/6.9.3.几何着色器-模型法向量可视化.fs", "assest/shader/4高级OpenGL/6.9.3.几何着色器-模型法向量可视化.gs");
while (!glfwWindowShouldClose(window))
{
    glm::mat4 model = glm::mat4(1.0f);
    glm::mat4 view = camera.GetViewMatrix();
    glm::mat4 projection = glm::perspective(glm::radians(camera.Zoom), (float)SCR_WIDTH / (float)SCR_HEIGHT, 0.1f, 100.0f);

    // 渲染这个模型
    model = glm::translate(model, glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f));
    model = glm::scale(model, glm::vec3(0.1f, 0.1f, 0.1f));
    shader.use();
    shader.setMat4("model", model);
    shader.setMat4("view", view);
    shader.setMat4("projection", projection);
    ourModel.Draw(shader);

    // 由几何着色器的设置，顶点的位置，渲染为法线
    normalshader.use();
    normalshader.setMat4("model", model);
    normalshader.setMat4("view", view);
    normalshader.setMat4("projection", projection);
    ourModel.Draw(normalshader);

  • 效果

    请添加图片描述

  • 疑问点

    为什么要在观察空间中顶点沿着法线增长变成线。

    几何着色器不可以直接在裁剪空间下对顶点增长吗？

    测试代码：

    void main()
{	// 顶点变换到裁剪空间
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
    // 将法线变换到裁剪空间
    mat3 normalMatrix = mat3(transpose(inverse(projection * view * model)));
    vs_out.normal = normalize(vec3(vec4(normalMatrix * aNormal, 0.0)));
}

    void GenerateLine(int index){
    // 已经在裁剪空间下，不需要乘以投影矩阵了
	gl_Position =  gl_in[index].gl_Position;
	EmitVertex();

	gl_Position = (gl_in[index].gl_Position + 
								vec4(gs_in[index].normal, 0.0) * MAGNITUDE);
	EmitVertex();
	EndPrimitive();
}

    会发现绘制出来的线很奇怪

    个人猜测：

    • 前置知识

      由1.8所讲的坐标系统中提到的：一旦顶点进入到裁剪空间，那么OpenGL会自动执行

      1. 透视除法到标准化设备坐标系

      2. 再经过视口变换到屏幕坐标

    • 所以

      在几何着色器的时候，顶点此时不在裁剪空间，而是在屏幕坐标系，从而绘制出来的法线不正确！

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