寫一個Geometry Shader

MarsCactus發表於2024-11-11

以下是一個簡單的Geometry Shader示例，它用於在圖形渲染管線中對傳入的幾何圖形進行一些額外的處理，比如生成新的幾何圖形或者對現有的幾何圖形進行變換等操作。在這個示例中，我們假設輸入是三角形圖元，然後在Geometry Shader中生成一些額外的幾何圖形圍繞著原始三角形。

頂點著色器（Vertex Shader）

#version 430 core

layout (location = 0) in vec3 position;

void main()
{
    gl_Position = vec4(position, 1.0);
}

頂點著色器這裡只是簡單地將輸入的頂點位置轉換為 gl_Position，以便後續在渲染管線中進行處理。

幾何著色器（Geometry Shader）

#version 430 core

layout (triangles) in;
layout (triangle_strip, max_vertices = 9) out;

uniform float scaleFactor;

void main()
{
    // 遍歷輸入的三角形的每個頂點
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        gl_Position = gl_in[i].gl_Position;
        EmitVertex();

        // 在原始頂點位置基礎上，沿x軸正方向生成一個新頂點
        gl_Position = gl_in[i].gl_Position + vec4(scaleFactor, 0.0, 0.0, 0.0);
        EmitVertex();

        // 在原始頂點位置基礎上，沿x軸負方向生成一個新頂點
        gl_Position = gl_in[i].gl_Position - vec4(scaleFactor, 0.0, 0.0, 0.0);
        EmitVertex();

        EndPrimitive();
    }
}

在幾何著色器中：

  • layout (triangles) in; 表示輸入的圖元型別是三角形。
  • layout (triangle_strip, max_vertices = 9) out; 定義了輸出的圖元型別為三角形條帶（triangle_strip），並且最多可以輸出9個頂點。這裡我們根據輸入的每個三角形頂點，要生成三個新的頂點（沿x軸正、負方向各一個），所以對於一個輸入的三角形，總共會輸出9個頂點，形成一個新的三角形條帶幾何圖形。
  • 我們定義了一個 uniform 變數 scaleFactor，它用於控制生成的新頂點相對於原始頂點的偏移量。
  • 在 for 迴圈中，對於輸入的三角形的每個頂點：
    • 首先，我們將原始頂點位置透過 gl_Position 傳遞出去，並呼叫 EmitVertex() 函式，這相當於輸出了一個頂點。
    • 然後，我們在原始頂點位置基礎上，沿x軸正方向新增 scaleFactor 的偏移量生成一個新頂點，同樣透過 gl_Position 設定新頂點位置並呼叫 EmitVertex() 輸出該頂點。
    • 接著，在原始頂點位置基礎上，沿x軸負方向減去 scaleFactor 的偏移量生成一個新頂點，設定新頂點位置並呼叫 EmitVertex() 輸出。
    • 最後，呼叫 EndPrimitive() 函式，表示一個新的三角形條帶的一組頂點輸出完畢，準備開始下一組頂點的輸出（如果還有輸入的三角形需要處理）。

片段著色器（Fragment Shader）

#version 430 core

out vec4 FragColor;

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

片段著色器這裡只是簡單地將片段顏色設定為白色（vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0)）。在實際應用中，你可以根據需要對片段顏色進行更復雜的計算，比如根據紋理、光照等因素來確定最終的片段顏色。

要使用這個Geometry Shader，你還需要在你的主程式中進行以下操作：

  1. 編譯和連結著色器程式，將上述三個著色器（頂點著色器、幾何著色器和片段著色器）組合成一個完整的著色器程式。
  2. 設定相關的 uniform 變數的值，比如在這個示例中要設定 scaleFactor 的值，以控制新頂點的生成位置。
  3. 提供合適的頂點資料，例如提供三角形的頂點資料（在這個示例中假設已經有了合適的頂點資料，並且已經按照正確的方式上傳到GPU了）。

請注意，這個示例只是一個簡單的入門示例，在實際應用中，Geometry Shader可以用於更復雜的幾何圖形生成、變形、特效製作等場景，並且可能需要根據具體的需求進行更多的調整和最佳化。

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除了生成新的幾何圖形，Geometry Shader還有哪些常見的用途？

除了生成新的幾何圖形外，Geometry Shader還有以下一些常見的用途：

一、幾何圖形變換

  1. 平移、旋轉和縮放操作：

    • Geometry Shader可以對輸入的幾何圖形進行平移、旋轉和縮放等基本的空間變換操作。例如，透過在Shader中定義相應的變換矩陣，並將輸入頂點的位置與這些矩陣相乘，就可以實現對整個幾何圖形或其部分頂點的位置調整。比如，將一個三角形沿著某一方向平移一定距離，或者繞著某一點旋轉一定角度，以滿足特定的場景需求，如在遊戲中實現物體的移動、旋轉動畫效果等。
    • 以一個簡單的立方體模型為例，在Geometry Shader中可以根據遊戲中的互動操作（如玩家控制物體移動），實時地對立方體的各個頂點應用平移矩陣，使其在場景中按照玩家的操作進行移動，同時保持其形狀不變。

  2. 變形效果實現：

    • 能夠實現更復雜的幾何圖形變形效果。透過根據特定的規則或演算法，對輸入頂點的位置進行動態調整，可以讓幾何圖形呈現出各種奇特的變形效果。比如，根據一個隨時間變化的函式，逐漸改變三角形頂點的位置，使其從一個等邊三角形逐漸扭曲成一個不規則形狀，這種變形效果可用於建立獨特的動畫效果或在虛擬現實/擴增實境場景中營造出奇幻的視覺體驗。
    • 在模擬生物的運動或變形時也很有用，例如模擬一條魚在水中游動時身體的彎曲和擺動，透過在Geometry Shader中定義與魚的遊動姿態相關的變形規則，對魚模型的各個頂點進行實時調整，使其看起來更加逼真生動。

二、幾何圖形裁剪與剔除

  1. 基於條件的裁剪：

    • Geometry Shader可以根據特定的條件對輸入的幾何圖形進行裁剪操作。例如，根據頂點到某一平面的距離，如果距離小於一定值，則將該頂點及與其相連的部分圖形進行剔除，從而實現對幾何圖形的區域性裁剪。這在一些場景中很有用，比如在渲染一個大型場景時，只希望顯示在視錐體內的部分物體，對於超出視錐體的部分，可以透過在Geometry Shader中設定相應的裁剪條件，將其裁剪掉，以減少不必要的渲染計算，提高渲染效率。
    • 假設要渲染一個包含眾多樹木的森林場景，當玩家視角移動時，對於那些距離玩家視角過遠且不在當前視錐體內的樹木部分，可以透過在Geometry Shader中基於距離和視錐體的條件進行裁剪，只保留在可視範圍內的部分，這樣既能保證場景的視覺完整性，又能節省渲染資源。

  2. 背面剔除最佳化：

    • 可以對幾何圖形進行背面剔除的最佳化操作。在渲染過程中，對於一些封閉的幾何物體，通常不需要渲染其背面（從當前視角看不到的那一面），因為這會浪費渲染資源。Geometry Shader可以透過判斷頂點的法線方向與視角方向的關係，當法線方向與視角方向的夾角大於一定值時（即判斷為背面），將這些頂點及對應的圖形部分進行剔除，從而提高渲染效率。
    • 比如在渲染一個球體模型時，從某一特定視角看，球體的背面部分是不需要渲染的，透過在Geometry Shader中進行背面剔除操作，可以快速地將這些不需要渲染的部分去掉，使渲染過程更加高效。

三、幾何圖形的細分與合併

  1. 細分操作輔助：

    • 雖然細分控制著色器（Tessellation Control Shader）和細分評估著色器（Tessellation Evaluation Shader）主要負責幾何圖形的細分操作，但Geometry Shader也可以在一定程度上輔助細分過程。例如，在細分後，Geometry Shader可以對新生成的幾何圖形進行一些調整或補充操作，比如對細分後的頂點位置進行微調，使其更加符合特定的視覺效果要求，或者對細分後產生的一些小的幾何瑕疵進行修復，以提升細分後圖形的質量。
    • 在渲染一個地形模型時，經過細分操作後，可能會出現一些區域性的不平整或不連續的情況，Geometry Shader可以透過對這些區域的頂點進行適當的調整，使地形看起來更加平滑、自然。

  2. 合併操作實現：

    • Geometry Shader還可以實現幾何圖形的合併操作。當有多個小的幾何圖形需要組合成一個更大的幾何圖形時，或者在一些場景中需要將分散的幾何圖形按照一定的規則進行合併時，Geometry Shader可以透過重新定義頂點的連線方式和位置等，將這些小的幾何圖形合併成一個整體。例如，在一個建築模型中，將眾多的小磚塊模型合併成一個完整的牆體模型，透過在Geometry Shader中設定相應的合併規則，對各個小磚塊的頂點進行調整和連線，使其成為一個統一的幾何圖形，便於後續的渲染和處理。

四、特效製作

  1. 粒子系統特效：

    • 在製作粒子系統特效時，Geometry Shader可以發揮重要作用。它可以將輸入的簡單幾何圖形（如點）轉換為各種形狀的粒子，透過對這些粒子的位置、大小、顏色等屬性進行動態調整，實現諸如煙花綻放、雪花飄落、火焰燃燒等豐富多彩的特效效果。例如，將一個點作為輸入，在Geometry Shader中根據預先設定的粒子生成規則，生成不同大小、顏色且具有不同運動軌跡的粒子，模擬出煙花在夜空中綻放的絢麗場景。
    • 對於動態的粒子系統，如流動的水、飄動的煙霧等，Geometry Shader可以根據時間、流體力學等相關因素，實時調整粒子的屬性和位置，使其呈現出更加逼真的流動效果。

  2. 光影特效增強：

    • Geometry Shader也可以用於增強光影特效。例如，透過在Shader中設定特殊的光線傳播規則，對幾何圖形的表面進行特殊的處理，使其在光照條件下呈現出不同的光影效果。比如，在渲染一個玻璃製品時，透過Geometry Shader可以模擬光線在玻璃內部的折射、反射等效果，使玻璃製品看起來更加逼真，增強了光影效果的表現力。
    • 在一些場景中，還可以透過Geometry Shader來實現投影的變形或特殊處理，比如在一個傾斜的地面上，讓物體的投影根據地面的傾斜度和紋理進行相應的變形，以營造出更加真實的場景氛圍。

Geometry Shader在圖形渲染領域具有廣泛的應用，透過對幾何圖形進行多種形式的處理，能夠實現豐富多樣的視覺效果，滿足不同場景下的渲染需求。

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