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OpenGL 几何着色器

news 2025/8/26 8:22:41

一. 什么是几何着色器

几何着色器的主要功能是接收图元（点、线、三角形）的输入，然后可以对其进行创建、修改、销毁操作，并输出零个或多个其他图元

简单来说，它就像一个“图元处理器”，能够动态地改变渲染的几何形状

二. 几何着色器在渲染管线中的位置

标准的 OpenGL 渲染管线流程如下：

顶点着色器 (Vertex Shader) -> [曲面细分着色器 (Tessellation Shader)] -> 几何着色器 (Geometry Shader) -> 图元设置 -> 光栅化 -> 片段着色器 (Fragment Shader)

输入：几何着色器接收来自顶点着色器或曲面细分控制着色器的一个完整的图元（例如，一个完整的三角形及其三个顶点）
输出：几何着色器可以输出新的顶点，这些顶点将组装成新的图元（点、线带、三角形带）

三. 几何着色器的核心特点和工作原理

输入声明：使用 layout 关键字声明输入的图元类型

layout (points) in;          // 输入图元是点
layout (lines) in;           // 输入图元是线
layout (lines_adjacency) in; // 输入图元是带邻接信息的线
layout (triangles) in;       // 输入图元是三角形
layout (triangles_adjacency) in; // 输入图元是带邻接信息的三角形

输出声明：同样使用 layout 关键字声明输出的图元类型和最大顶点数（必须声明）

layout (points, max_vertices = 2) out;       // 输出点，最多2个顶点
layout (line_strip, max_vertices = 4) out;   // 输出线带，最多4个顶点
layout (triangle_strip, max_vertices = 6) out; // 输出三角形带，最多6个顶点

内建变量：

gl_in[]：这是一个内置接口块数组，其长度等于输入图元的顶点数。它包含了每个输入顶点的信息
如：gl_in[i].gl_Position：第 i 个顶点的裁剪空间位置
gl_InvocationID：当使用多实例几何着色器时（invocations = N），此变量表示当前是哪个实例在运行
gl_PrimitiveIDIn：当前输入图元的 ID

核心函数

EmitVertex()：当你设置好一个输出顶点的所有属性（如 gl_Position, outColor 等）后，调用此函数将该顶点提交到输出流
EndPrimitive()：在提交了一系列顶点之后（通过多次调用 EmitVertex()），调用此函数来表示当前图元的结束。注意，如果你输出的是 triangle_strip 或 line_strip，OpenGL 会自动在每次调用 EmitVertex() 时尝试组装图元，但 EndPrimitive() 可以强制开始一个新的条带

四. 示例：将点扩展为四边形

这是一个非常经典的几何着色器应用：输入一个点，输出一个以该点为中心的四边形（由两个三角形组成）

顶点着色器 (vertex.shader)
非常简单，只是传递位置和颜色

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aColor;out VS_OUT {vec3 color;
} vs_out;void main() {gl_Position = vec4(aPos, 1.0);vs_out.color = aColor;
}

几何着色器 (geometry.shader)
这是核心部分

#version 330 core
// 输入：点
layout (points) in;
// 输出：三角形带（一个矩形由两个三角形组成，共4个顶点）
layout (triangle_strip, max_vertices = 4) out;// 从顶点着色器输入的颜色
in VS_OUT {vec3 color;
} gs_in[]; // 注意是数组，因为输入是一个图元（点），它有一个顶点// 输出到片段着色器的颜色
out vec3 fColor;// 定义四边形的大小
uniform float size;void main() {fColor = gs_in[0].color; // 使用输入点的颜色vec4 center = gl_in[0].gl_Position;// 生成四个顶点，组成一个四边形// 右下gl_Position = center + vec4(size, -size, 0.0, 0.0);EmitVertex();// 左下gl_Position = center + vec4(-size, -size, 0.0, 0.0);EmitVertex();// 右上gl_Position = center + vec4(size, size, 0.0, 0.0);EmitVertex();// 左上gl_Position = center + vec4(-size, size, 0.0, 0.0);EmitVertex();// 结束图元EndPrimitive();
}

片段着色器 (fragment.shader)

#version 330 core
in vec3 fColor;
out vec4 FragColor;void main() {FragColor = vec4(fColor, 1.0);
}

C++ 端设置
在渲染循环中，你需要像使用其他着色器一样，在链接着色器程序时附加上几何着色器

// ... 编译顶点着色器、片段着色器 ...
unsigned int geometryShader = glCreateShader(GL_GEOMETRY_SHADER);
glShaderSource(geometryShader, 1, &geometryShaderSource, NULL);
glCompileShader(geometryShader);
// ... 检查编译错误 ...unsigned int shaderProgram = glCreateProgram();
glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
glAttachShader(shaderProgram, geometryShader); // 附加几何着色器！
glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
glLinkProgram(shaderProgram);
// ... 检查链接错误 ...