GLSL教程 第8章：几何着色器

news2024/9/22 9:35:12

目录

8.1 几何着色器的介绍

几何着色器的主要功能：

几何着色器的工作流程：

8.2 实现基本的几何变换

示例：将三角形扩展成多个三角形

8.3 几何着色器的高级应用

1. 粒子系统

2. 光晕效果

3. 线框模型

小结

       几何着色器是图形管线中的一种高级着色器类型，用于处理和生成图形原语（如点、线和三角形）的几何数据。与顶点着色器和片段着色器不同，几何着色器可以生成新的几何体，并对现有几何体进行更复杂的操作和处理。本章将介绍几何着色器的基本概念、实现方法和高级应用。

8.1 几何着色器的介绍

        几何着色器位于图形管线的顶点着色器和片段着色器之间。它接收来自顶点着色器的数据，处理这些数据并生成新的几何体，最终将这些几何体传递给片段着色器进行渲染。

几何着色器的主要功能：
  • 生成新的几何体：根据输入的几何体生成新的几何体，例如，将一个三角形扩展成多个三角形或生成粒子效果。
  • 修改现有几何体：对输入的几何体进行变形、细分或其他操作。
  • 输出多个几何体：将一个输入几何体转化为多个输出几何体，从而在渲染过程中创建复杂的效果。
几何着色器的工作流程：
  1. 输入几何体：几何着色器接收来自顶点着色器的几何体数据。
  2. 处理数据：对输入数据进行处理，如变形、细分、扩展等。
  3. 输出几何体：生成新的几何体，并将其传递到片段着色器进行渲染。
            +----------------+   +------------------+
顶点数据 ---> | 顶点着色器      |-->| 几何着色器        |---> 渲染
            +----------------+   +------------------+

几何着色器在图形管线中的位置 

解释：

  • 顶点着色器：处理顶点数据，将其传递到几何着色器。
  • 几何着色器：处理并生成新的几何体，将其传递到片段着色器。
  • 片段着色器：处理片段数据，生成最终的图像。
8.2 实现基本的几何变换

        在几何着色器中，我们可以实现基本的几何变换，例如将三角形的每个边扩展成新的三角形。这种技术可以用于实现诸如环境光衰减效果、粒子效果或其他几何效果。

示例：将三角形扩展成多个三角形

顶点着色器代码：

#version 330 core

layout(location = 0) in vec3 aPos; // 顶点位置
layout(location = 1) in vec3 aNormal; // 顶点法线

out vec3 FragPos; // 传递到片段着色器的片段位置
out vec3 Normal; // 传递到片段着色器的法线

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

void main() {
    FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));
    Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;
    gl_Position = projection * view * vec4(FragPos, 1.0);
}

几何着色器代码：

#version 330 core

layout(triangles) in; // 输入几何体类型为三角形
layout(triangle_strip, max_vertices = 6) out; // 输出几何体类型为三角形带，最多输出6个顶点

in vec3 FragPos[]; // 从顶点着色器接收的片段位置
in vec3 Normal[]; // 从顶点着色器接收的法线

out vec3 TexCoord; // 传递到片段着色器的纹理坐标

uniform float offset; // 三角形扩展偏移量

void main() {
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        vec3 p0 = FragPos[i];
        vec3 p1 = FragPos[(i + 1) % 3];
        vec3 normal = normalize(cross(p1 - p0, FragPos[(i + 2) % 3] - p0));
        
        // 计算扩展点
        vec3 expandedPoint0 = p0 + normal * offset;
        vec3 expandedPoint1 = p1 + normal * offset;
        vec3 expandedPoint2 = FragPos[(i + 2) % 3] + normal * offset;

        // 输出新三角形的三个顶点
        gl_Position = gl_in[i].gl_Position;
        TexCoord = vec3(expandedPoint0);
        EmitVertex();
        
        gl_Position = gl_in[(i + 1) % 3].gl_Position;
        TexCoord = vec3(expandedPoint1);
        EmitVertex();
        
        gl_Position = gl_in[(i + 2) % 3].gl_Position;
        TexCoord = vec3(expandedPoint2);
        EmitVertex();
        
        EndPrimitive();
    }
}

解释：

  • layout(triangles) in：指定输入几何体类型为三角形。
  • layout(triangle_strip, max_vertices = 6) out：指定输出几何体类型为三角形带，最多输出6个顶点。
  • EmitVertex() 和 EndPrimitive()：用于发射顶点和结束当前图元。
8.3 几何着色器的高级应用

        几何着色器可以用于实现更复杂的效果，如粒子系统、光晕效果、线框模型等。以下是几个高级应用的示例：

1. 粒子系统

        粒子系统用于创建动态和复杂的效果，如火焰、烟雾和雨滴。几何着色器可以生成大量粒子并对其进行处理和渲染。

顶点着色器代码：

#version 330 core

layout(location = 0) in vec3 aPos; // 粒子位置
layout(location = 1) in vec3 aVel; // 粒子速度

out vec3 FragPos; // 传递到片段着色器的片段位置

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

void main() {
    FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));
    gl_Position = projection * view * vec4(FragPos, 1.0);
}

几何着色器代码：

#version 330 core

layout(location = 0) in vec3 aPos; // 粒子位置
layout(location = 1) in vec3 aVel; // 粒子速度

out vec3 FragPos; // 传递到片段着色器的片段位置

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

void main() {
    FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));
    gl_Position = projection * view * vec4(FragPos, 1.0);
}

解释：

  • layout(points) in：指定输入几何体类型为点。
  • layout(triangle_strip, max_vertices = 4) out：指定输出几何体类型为三角形带，最多输出4个顶点。
  • EmitVertex() 和 EndPrimitive()：用于发射顶点和结束当前图元。
粒子系统效果

 

2. 光晕效果

        光晕效果可以增强物体的发光效果，使其看起来更加真实和生动。几何着色器可以生成多个光环并对其进行处理。

顶点着色器代码：

#version 330 core

layout(location = 0) in vec3 aPos; // 顶点位置

out vec3 FragPos; // 传递到片段着色器的片段位置

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

void main() {
    FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));
    gl_Position = projection * view * vec4(FragPos, 1.0);
}

几何着色器代码：

#version 330 core

layout(triangles) in; // 输入几何体类型为三角形
layout(triangle_strip, max_vertices = 12) out; // 输出几何体类型为三角形带，最多输出12个顶点

in vec3 FragPos[]; // 从顶点着色器接收的片段位置

out vec3 TexCoord; // 传递到片段着色器的纹理坐标

uniform float glowRadius; // 光晕半径

void main() {
    vec3 center = (FragPos[0] + FragPos[1] + FragPos[2]) / 3.0;
    vec3 offset = vec3(glowRadius);

    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        vec3 expandedPos = FragPos[i] + offset;
        gl_Position = gl_in[i].gl_Position + vec4(expandedPos - FragPos[i], 0.0);
        TexCoord = vec3(expandedPos);
        EmitVertex();
        
        expandedPos = FragPos[(i + 1) % 3] + offset;
        gl_Position = gl_in[(i + 1) % 3].gl_Position + vec4(expandedPos - FragPos[(i + 1) % 3], 0.0);
        TexCoord = vec3(expandedPos);
        EmitVertex();
        
        EndPrimitive();
    }
}

解释：

  • layout(triangles) in：指定输入几何体类型为三角形。
  • layout(triangle_strip, max_vertices = 12) out：指定输出几何体类型为三角形带，最多输出12个顶点。
  • EmitVertex() 和 EndPrimitive()：用于发射顶点和结束当前图元。
光晕效果

 

3. 线框模型

        线框模型用于显示模型的边缘结构，使模型的结构更加清晰。几何着色器可以生成线框模型的几何数据并进行渲染。

顶点着色器代码：

#version 330 core

layout(location = 0) in vec3 aPos; // 顶点位置

out vec3 FragPos; // 传递到片段着色器的片段位置

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

void main() {
    FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));
    gl_Position = projection * view * vec4(FragPos, 1.0);
}

几何着色器代码：

#version 330 core

layout(triangles) in; // 输入几何体类型为三角形
layout(line_strip, max_vertices = 6) out; // 输出几何体类型为线带，最多输出6个顶点

in vec3 FragPos[]; // 从顶点着色器接收的片段位置

out vec3 TexCoord; // 传递到片段着色器的纹理坐标

void main() {
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        gl_Position = gl_in[i].gl_Position;
        TexCoord = FragPos[i];
        EmitVertex();
        
        gl_Position = gl_in[(i + 1) % 3].gl_Position;
        TexCoord = FragPos[(i + 1) % 3];
        EmitVertex();
        
        EndPrimitive();
    }
}

解释：

  • layout(triangles) in：指定输入几何体类型为三角形。
  • layout(line_strip, max_vertices = 6) out：指定输出几何体类型为线带，最多输出6个顶点。
  • EmitVertex() 和 EndPrimitive()：用于发射顶点和结束当前图元。
小结

        在本章中，我们详细介绍了几何着色器的基本概念、实现方法和高级应用。几何着色器作为图形管线中的重要组成部分，可以处理和生成几何体，从而实现各种复杂的渲染效果。通过学习几何着色器，我们能够在图形渲染中实现更多创意和视觉效果，提高渲染的灵活性和表现力。

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