计算机图形学编程(使用OpenGL和C++)(第2版)学习笔记 13.几何着色器（一）修改顶点

几何着色器

以下是OpenGL图像管线的主要阶段：

几何着色器（Geometry Shader）

几何着色器是OpenGL管线中的一个可选阶段，位于顶点着色器和片段着色器之间。它能够动态地生成或修改图元（primitives）。

主要特点

1. 图元操作能力

   • 可以创建新的顶点
   • 可以修改现有顶点
   • 可以删除顶点
   • 可以改变图元类型

2. 输入/输出图元类型

   • 输入：points、lines、triangles等
   • 输出：points、line_strip、triangle_strip等

基本语法

#version 430

// 定义输入图元类型
layout (triangles) in;

// 定义输出图元类型和最大顶点数
layout (triangle_strip, max_vertices = 3) out;

// 输入变量(必须声明为数组)
in vec3 varyingNormal[];    
in vec3 varyingColor[];     

// 输出变量
out vec3 gNormal;
out vec3 gColor;

void main() {
    // 处理每个顶点
    for(int i = 0; i < 3; i++) {
        // 发射一个顶点
        gl_Position = gl_in[i].gl_Position;
        gNormal = varyingNormal[i];
        gColor = varyingColor[i];
        EmitVertex();
    }
    // 结束图元
    EndPrimitive();
}

常见应用

1. 几何细分

   • 增加模型细节
   • 动态LOD（Level of Detail）
   • 曲面细分

2. 粒子效果

   • 粒子系统
   • 特效生成
   • 动态粒子发射

3. 阴影体生成

   • 体积阴影
   • 轮廓线提取
   • 阴影体挤出

4. 实例化渲染

   • 批量复制几何体
   • 程序化生成几何体
   • 植被渲染

性能考虑

• 几何着色器会增加GPU负载
• 应该限制输出顶点的数量
• 复杂的几何操作可能影响性能
• 建议在必要时才使用几何着色器

修改顶点

这是我们在前面的例子中渲染出来的图形

如果我们想要将其充气膨胀，我们可以使用几何着色器来修改顶点。
即将顶点沿法线方向移动一定的距离。这样外面的顶点向外膨胀，里面的顶点向内收缩。

上图是做出来的效果，有些细节没有处理好，但是基本效果已经出来了。

几何着色器中图元输入类型的选项有：

重点

1. 几何着色器中，输入图元类型和输出图元类型必须相同
2. 需要使用layout限定符来指定输入和输出图元类型
3. 需要使用EmitVertex()函数来发射顶点
4. 需要使用EndPrimitive()函数来结束图元
5. 从顶点着色器接收的输入变量必须声明为数组
6. 从顶点着色器中输出的gl_Position值不能有投影矩阵，投影矩阵会在几何着色器中应用

gl_in 内置变量说明

gl_in是几何着色器中的一个内置变量数组，用于访问来自顶点着色器的内置变量值。

主要特点

1. 数据结构

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

2. 数组大小

• 数组大小取决于输入图元类型：
  • points: 1个顶点
  • lines: 2个顶点
  • triangles: 3个顶点
  • lines_adjacency: 4个顶点
  • triangles_adjacency: 6个顶点

3. 常用成员

• gl_in[i].gl_Position: 顶点位置
• gl_in[i].gl_PointSize: 点精灵大小（仅用于点图元）
• gl_in[i].gl_ClipDistance[]: 裁剪距离数组

使用示例

// 在几何着色器中访问顶点位置
void main() {
    for(int i = 0; i < 3; i++) {
        // 获取顶点位置
        vec4 position = gl_in[i].gl_Position;
        
        // 对位置进行处理
        position = position + vec4(offset, 0.0);
        
        // 设置新的顶点位置
        gl_Position = position;
        EmitVertex();
    }
    EndPrimitive();
}

注意事项

1. gl_in数组的大小是固定的，由输入图元类型决定
2. 只能在几何着色器中访问
3. 是只读变量，不能修改其值

修改顶点的几何着色器代码

#version 430

// 定义输入图元类型为三角形
layout (triangles) in;

// 从顶点着色器接收的输入变量（必须声明为数组）
in vec3 varyingNormal[];    // 法线向量数组
in vec3 varyingLightDir[];  // 光照方向数组
in vec3 varyingVertPos[];   // 顶点位置数组

// 传递给片段着色器的输出变量
out vec3 gNormal;    // 法线向量
out vec3 gLightDir;  // 光照方向
out vec3 gVertPos;   // 顶点位置

// uniform变量声明
uniform mat4 proj_matrix;  // 投影矩阵
uniform mat4 norm_matrix;  // 法线变换矩阵

// 定义输出图元类型为三角形带，每个图元最多输出3个顶点
layout (triangle_strip, max_vertices = 3) out;

void main(void)
{
    // 处理三角形的每个顶点
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        // 计算膨胀效果
        vec3 normal = normalize(varyingNormal[i]);  // 归一化法线向量
        
        // 将顶点沿法线方向移动（膨胀效果）
        // 注释掉的是带投影矩阵的版本
        //gl_Position = proj_matrix * gl_in[i].gl_Position + normalize(vec4(normal, 1.0));
        gl_Position = gl_in[i].gl_Position + normalize(vec4(normal, 1.0)) * 0.5;
        
        // 将变量传递给片段着色器
        gNormal = varyingNormal[i];      // 传递法线
        gLightDir = varyingLightDir[i];  // 传递光照方向
        gVertPos = varyingVertPos[i];    // 传递顶点位置
        
        // 发射顶点
        EmitVertex();
    }
    // 结束当前图元的构建
    EndPrimitive();
}

上述代码中，几何着色器将每个顶点沿法线方向移动0.5个单位，从而实现膨胀效果。
但该代码有一个问题，就是如果gl_Position已经是在投影空间后，是不能直接去进行修改顶点的，我们需要在摄像机空间中来修改顶点，然后再使用投影矩阵
以下是修改后的代码的效果图：

代码修改

顶点着色器中修改

顶点着色器中，我们使用模型视图矩阵来计算顶点位置

    // 计算裁剪空间中的顶点位置 ，由于要在几何着色器中进行膨胀处理，所以这里不使用投影矩阵
    //gl_Position = proj_matrix * mv_matrix * vec4(vertPos,1.0);
    gl_Position =  mv_matrix * vec4(vertPos,1.0);

几何着色器中修改

最后，我们需要在几何着色器中修改gl_Position，将顶点位置乘以投影矩阵，

    // 计算膨胀效果
   gl_Position =proj_matrix*( gl_in[i].gl_Position + normalize(vec4(normal, 1.0)) * 0.5);