OpenGL 几何着色器

news2024/9/28 9:33:10

1.效果展示

爆破物体。

2.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。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。

示例几何着色器代码：

#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();
}

GLSL提供给我们一个内建变量，在内部看起来是这样的：

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

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：

points：绘制GL_POINTS图元时（1）。
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）

我们还需要指定几何着色器输出的图元类型，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：

points
line_strip
triangle_strip

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。

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。

3.示例

3.1画出线条

顶点着色器：

#version 330 core 
layout (location = 0) in vec3 aPos; 
layout (location = 1) in vec3 aNormal;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoords;

out vec3 Normal;
out vec3 FragPos;
out vec2 TexCoords;

uniform mat4 model; 
uniform mat4 view; 
uniform mat4 projection; 
void main() { 
    TexCoords=aTexCoords;
    Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;
    FragPos=vec3(model * vec4(aPos,1.0));
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
    gl_PointSize=20.0;
}

几何着色器：

#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();
}

片段着色器：

#version 330 core

out vec4 FragColor;

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

3.2画房子

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。

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。如果我们一共有6个构成三角形带的顶点，那么我们会得到这些三角形：(1, 2, 3)、(2, 3, 4)、(3, 4, 5)和(4, 5, 6)，共形成4个三角形。一个三角形带至少需要3个顶点，并会生成N-2个三角形。使用6个顶点，我们创建了6-2 = 4个三角形。下面这幅图展示了这点：

3.3爆破物体实现

原理：并不是指要将宝贵的顶点集给炸掉，而是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。

因为我们想要沿着三角形的法向量位移每个顶点，我们首先需要计算这个法向量。我们所要做的是计算垂直于三角形表面的向量，仅使用我们能够访问的3个顶点。如果我们能够获取两个平行于三角形表面的向量a和b，我们就能够对这两个向量进行叉乘来获取法向量了。下面这个几何着色器函数做的正是这个，来使用3个输入顶点坐标来获取法向量：

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));
}

既然知道了如何计算法向量了，我们就能够创建一个explode函数了，它使用法向量和顶点位置向量作为参数。这个函数会返回一个新的向量，它是位置向量沿着法线向量进行位移之后的结果。

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);
}

sin函数接收一个time参数，它根据时间返回一个-1.0到1.0之间的值。因为我们不想让物体向内爆炸，我们将sin值变换到了[0, 1]的范围内。最终的结果会乘以normal向量，并且最终的direction向量会被加到位置向量上。

爆破效果的完整几何着色器是这样的：

#version 330 core
layout (triangles) in;
layout (triangle_strip, max_vertices = 3) out;
in VS_OUT { vec2 texCoords; } gs_in[];
out vec2 TexCoords;
uniform float time;

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));
}

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);
}

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();
}

而且别忘了在OpenGL代码中设置time变量：

shader.setFloat("time", glfwGetTime());

完整工程：

https://download.csdn.net/download/wzz953200463/87951326?spm=1001.2014.3001.5501https://download.csdn.net/download/wzz953200463/87951326?spm=1001.2014.3001.5501