Direct3D 12——几何着色器——几何着色器概念

news2024/10/2 14:29:11

几何着色器

几何着色器这个可选阶段便位于顶点着色器与像素着色器之间。几何着色器所输出的图元由顶点列表定义而成。在退岀几何着色器时，必将顶点的位置变换到齐次裁剪空间。换言之，经过几何着色器阶段的处理后，我们就得到了位于齐次裁剪空间中由一系列顶点所定义的多个图元。这些顶点会同样历经投影(齐次除法)与光栅化等后续步骤。

几何着色器的一般编写格式：

[maxvertexcount(N)]
void ShaderName (PrimitiveType InputVertexType InputName[NumElements],
inout StreamOutputObject<OutputVertexType> OutputName）
（
//几何着色器的具体实现
}

我们必须先指定几何着色器单次调用所输出的顶点数量最大值（每个图元都会调用一次几何着色器, 走一遍其中的处理流程）。对此，可以使用下列属性语法来设置着色器定义之前的最大顶点数量：

[maxvertexcount（N）]

其中，N是几何着色器单次调用所输出的顶点数量最大值。几何着色器每次输岀的顶点个数都可能各不相同，但是这个数量却不能超过之前定义的最大值。出于对性能方面的考量，我们应当令 maxvertexcount的值尽可能地小。在GS（即几何着色器的缩写,geometry shader ）每次输出的标量数量在1〜20时，它将发挥出最佳的性能；而当GS每次输出的标量数量保持在 27〜40时，它的性能将下降到峰值性能的50% 。每次调用几何着色器所输岀的标量个数为： maxvertexcount与输出顶点类型结构体中标量个数的乘积L。

几何着色器输入参数必须是一个定义有特定图元的顶点数组——点应输入一个顶点、线条要输入两个顶点、三角形需输入3个顶点、线及其邻接图元为4个顶点、三角形及其邻接图元则为6个顶点。几何着色器的输入顶点类型即为顶点着色器输出的顶点类型（例如Vertex0ut）。输入参数一定要以图元类型作为前缀，用以描述输入到几何着色器的具体图元类型。该前缀可以是下列类型之一：

  1.point：输入的图元为点。
  2.line：输入的图元为线列表或线条带。
  3.triangle：输入的图元为三角形列表或三角形带。
  4.lineadj :输入的图元为线列表及其邻接图元，或线条带及其邻接图元。
  5.triangleadj ：输入的图元为三角形列表及其邻接图元，或三角形带及其邻接图元。

向几何着色器输入的数据必须是完整的图元（例如组成线条的两个顶点、构成三角形的3个顶点等）。因此，几何着色器并不会区分输入的图元究竟是列表结构（list）还是带状结构（strip ）o举个例子，若绘制的图元实际上是三角形带，但几何着色器仍会把三角形带视作多个三角形并分别进行单独的处理，即将每个三角形的3个顶点作为其输入数据。绘制带状结构的过程中会产生额外的开销，因为多个图元所共用的顶点在几何着色器中会被处理多次。

输岀参数一定要标有inout修饰符。另外，它必须是一种流类型(stream typeo即某种类型的流输出对象)。流类型存有一系列顶点，它们定义了几何着色器输出的几何图形。几何着色器可以通过内置方法Append向输岀流列表添加单个顶点：

void StreamOutputObject<OutputVertexType>::Append(OutputVertexType v);

流类型本质上是一种模板类型(template type),其模板参数用以指定输岀顶点的具体类型(如 GeoOut )。流类型有如下3种。

1.PointStream<OutputVertexType>: 一系列顶点所定义的点列表。
2.LineStream<OutputVertexType>: 一系列顶点所定义的线条带。
3.TriangleStream<OutputVertexType>: 一系列顶点所定义的三角形带。

几何着色器输岀的多个顶点会构成图元，图元的输岀类型由流类型(即Pointstream. Linestream与TriangleStream )来指定。对于线条与三角形来说，几何着色器输岀的对应图元必定是线条带与三角形带。而线条列表与三角形列表可借助内置函数Restartstrip来实现：

void StreamOutputObject<OutputVertexType>::Restartstrip();

mShaders["treeSpriteGS"] = d3dUtil::CompileShader(L"Shaders\\TreeSprite.hlsl", nullptr, "GS", "gs_5_0");

下列几何着色器详细地展示了 Append与Restartstrip方法的调用过程。此示例会将输入的三角形进行细分,并输出细分后的4个小三角形：
在这里插入图片描述

struct VertexOut
{
    float3 PosL     : POSITION;
    float3 NormalL  : NORMAL;
    float2 Tex      : TEXCOORD;
};
struct GeoOut
{
	float4 PosH    : SV_POSITION;
    float3 PosW    : POSITION;
    float3 NormalW : NORMAL;
    float2 Tex    : TEXCOORD;
    float  FogLerp  : FOG;
};

void Subdivide(VertexOut inverts[3], out VertexOut outVerts[6])
{
          //         1
          //         *
          //        / \
          //       /   \
          //   m0*-------*m1
          //    / \    / \
         //    /   \  /   \
         //   *-----*------*
         //   0     m2      2
         
        VertexOut m[3];
        
      //计算三角形边上的中点
     m[0].PosL = 0.5f*(inverts[0].PosL+inVerts[1].PosL); 
     m[l].PosL = 0.5f*(inverts[1].PosL+inVerts[2].PosL);
     m[2].PosL = 0.5f*(inverts[2].PosL+inVerts[0].PosL);

      //把顶点投影到单位球面上
     m[0].PosL = normalize(m[0].PosL); 
     m[1].PosL = normalize(m[1].PosL); 
     m[2].PosL = normalize(m[2].PosL);

     //求出法线
     m[0].NormalL = m[0].PosL;
     m[1].NormalL = m[1].PosL;
     m[2].NormalL = m[2].PosL;
     
     //对纹理坐标进行插值
     m[0].Tex = 0.5f*(inverts[0].Tex+inVerts[1].Tex);
     m[1].Tex = 0.5f*(inverts[1].Tex+inVerts[2].Tex);
     m[2].Tex = 0.5f*(inverts[2].Tex+inVerts[0].Tex);

     outVerts[0] = inVerts[0];
     outVerts[1] = m[0];
     outVerts[2] = m[2];
     outVerts[3] = m[1];
     outVerts[4] = inVerts[2];
     outVerts[5] = inVerts[1];
};
void Outputsubdivision(VertexOut v[6],inout Trianglestream<GeoOut> triStream)
{
      GeoOut gout[6];
      [unroll]
      for(int i = 0; i < 6; ++i)
      {
          //将顶点变换到世界空间
          gout[i].PosW = mul(float4(v[i].PosL, 1.Of), gWorld).xyz;   
          gout[i].NormalW = mul(v[i].NormalL,(float3x3)gWorldlnvTranspose);
          
          //把顶点变换到齐次裁剪空间
          gout[i].PosH = mul(float4(v[i].PosL, 1.Of), gWorldViewProj);  
          gout[i].Tex = v[i].Tex;
      }
          //         1
          //         *
          //        / \
          //       /   \
          //   m0*-------*m1
          //    / \    / \
         //    /   \  /   \
         //   *-----*------*
         //   0     m2      2

    //我们可以将细分的小三角形绘制到两个三角形带中去：
    //	三角形带1:底端的3个三角形
    //	三角形带2:顶部的三角形
    [unroll]
    for(int j = 0; j < 5; ++j)
    {
       triStream.Append(gout[j]);
    }
    triStream.Restartstrip();
    
    triStream.Append(gout[1]);
    triStream.Append(gout[5]);
    triStream.Append(gout[3]);
}

[maxvertexcount(8)]
void GS(triangle VertexOut gin[3], inout TriangleStream<GeoOut>)
(
       VertexOut v[6];
       Subdivide(gin, v);
       Outputsubdivision(v, triStream);
}