（自用）learnOpenGL学习总结-高级OpenGL-几何着色器

news2024/10/7 14:32:20

在顶点着色器和片段着色器中间还有一个几何着色器。

几何着色器的输入是一个图元的一组顶点，在几何着色器中进行任意变换之后再给片段着色器，可以变成完全不一样的图元、可以生成更多的顶点。

#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();
}

这是一个几何着色器的例子。

 我们不仅用这一帧的着色器输出，我们还会使用上一帧的着色器变量来进行更多变化。

 使用几何着色器

首先先写一个最简单的画4个点的程序。

#include <iostream>

#define GLEW_STATIC
#include <GL/glew.h>
#include <GLFW/glfw3.h>
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
};

const char* vertexShaderSource =
"#version 330 core									   \n"
"layout(location = 0) in vec2 aPos;   // 位置变量的属性位置值为 0\n"
"void main(){										   \n"
"	gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, 0.0, 1.0); ;    \n"
"}													   \n";

const char* fragmentShaderSource =
"#version 330 core									   \n"
"out vec4 FragColor;								   \n"
"void main(){										   \n"
"	FragColor = vec4(0.0, 1.0, 0.0, 1.0);}		       \n";



void processInput(GLFWwindow* window) {
	if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)
	{
		glfwSetWindowShouldClose(window, true);
	}
}

int main() {

	glfwInit();
	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
	glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);

	//Open GLFW Window
	GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(800, 600, "My OpenGL Game", NULL, NULL);
	if (window == NULL)
	{
		printf("Open window failed.");
		glfwTerminate();
		return -1;
	}
	glfwMakeContextCurrent(window);

	//Init GLEW
	glewExperimental = true;
	if (glewInit() != GLEW_OK)
	{
		printf("Init GLEW failed.");
		glfwTerminate();
		return -1;
	}

	glViewport(0, 0, 800, 600);

	unsigned int VAO;
	glGenVertexArrays(1, &VAO);
	glBindVertexArray(VAO);

	unsigned int VBO;
	glGenBuffers(1, &VBO);
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(points),points, GL_STATIC_DRAW);



	unsigned int vertexShader;
	vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
	glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);
	glCompileShader(vertexShader);

	unsigned int fragmentShader;
	fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
	glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, NULL);
	glCompileShader(fragmentShader);

	unsigned int shaderProgram;
	shaderProgram = glCreateProgram();
	glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
	glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
	glLinkProgram(shaderProgram);

	// 位置属性
	glVertexAttribPointer(0, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 2 * sizeof(float), (void*)0);
	glEnableVertexAttribArray(0);


	while (!glfwWindowShouldClose(window))
	{
		processInput(window);

		glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
		glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
		glUseProgram(shaderProgram);
		glBindVertexArray(VAO);

		glDrawArrays(GL_POINTS, 0, 4);

		glfwSwapBuffers(window);
		glfwPollEvents();
	}
	glfwTerminate();
	return 0;

}

会在一个黑暗的场景里面勉强看到4个绿点。

现在加入一个几何着色器

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

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

他做的就是把顶点着色器过来的点数据传给片段着色器。

当然这个几何着色器也是要创建和链接、编译的。

最后结果还是和上面一样的。

现在来点不一样的，建个房子。

刚刚说了几何着色器可以把一个点变多个点，输出也可以是其他图元。

那么一个房子我们一共需要3个三角形。

三角形带的意思是，我生成一个三角形并不需要生成3个顶点再抛出，可以和之前的点一起抛出。

OpenGL中，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：每3个临近的顶点将会形成一个三角形。

#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( 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
    EmitVertex();
    EndPrimitive();
}

void main() {    
    build_house(gl_in[0].gl_Position);
}

 我们读一下一个几何着色器是如何实现的。

首先进来的是一个点，先生成第一个点1号，发射。然后生成右下2号再生成左上3号，就可以生成一个三角形，然后4号会和2、3号一起又变成一个三角形。

 我们把颜色也加进去。

更新顶点数据

float points[] = {
    -0.5f,  0.5f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, // 左上
     0.5f,  0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, // 右上
     0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, // 右下
    -0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f, 0.0f  // 左下
};



#version 330 core
layout (location = 0) in vec2 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aColor;

out VS_OUT {
    vec3 color;
} vs_out;

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

可以看到这里用了接口块，然后也需要在几何着色器中声明同一种接口快来接受，但是要使用不同的接口名

in VS_OUT {
    vec3 color;
} gs_in[];

这里是数组的原因是顶点着色器发来的顶点数组。同时也需要给片段着色器out一个对应的颜色向量。

fColor = gs_in[0].color; 
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);
EmitVertex();
EndPrimitive();

这里要看清楚，首先我定义了一个fcolor，后面的每一个顶点在发射的时候都会附带上fcolor的值，我什么时候修改这个颜色再发射，那个点的颜色就变了。

 有了几何着色器，你甚至可以将最简单的图元变得十分有创意。因为这些形状是在GPU的超快硬件中动态生成的，这会比在顶点缓冲中手动定义图形要高效很多。因此，几何缓冲对简单而且经常重复的形状来说是一个很好的优化工具，比如体素(Voxel)世界中的方块和室外草地的每一根草。

爆破物体

爆破物体的效果并不是要一个三角形变成多个三角形，只是当三角形沿着法向量移动一段距离。这再几何着色器里面做最好不过了。

首先是法向量怎么得到，注意，我们在顶点着色器中的法向量是点的法向，不是三角形的法向，所以需要通过三个顶点来算法向量。这个简单，通过叉乘就可以得到了。

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));
}

然后就是当他沿着法向移动了。

vec4 explode(vec4 position, vec3 normal)
{
    float magnitude = 2.0;
    vec3 direction = normal * ((sin(time) + 1.0) / 2.0) * magnitude; 
    return position + vec4(direction, 0.0);
}

一点问题

这里的顶点着色器和教程里面的不一样。

此外，位移我们只要xy不要z，这是因为z会影响深度测试从而导致出现错误。

教程里面的gl_position是在顶点着色器里面算好了，就也是乘玩了mvp。然后再再gemo里面做位移。其实因为把这个计算放在gemo中，也就是放在爆破之后。而且fragpos也应该是gemo给的，而不是vertex给的。

正确做法是：先爆破，然后把位移之后的坐标mvp，fragpos就用爆破之后的位置乘m就行。

法向量可视化

思路是这样的：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。

这次在几何着色器中，我们会使用模型提供的顶点法线，而不是自己生成，为了适配（观察和模型矩阵的）缩放和旋转，我们在将法线变换到观察空间坐标之前，先使用法线矩阵变换一次（几何着色器接受的位置向量是观察空间坐标，所以我们应该将法向量变换到相同的空间中）。

这里先不做了。

 毛发等也是通过几何着色器加上去的。

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