片段着色器 (Fragment Shader)

片段着色器是处理光栅化生成的片段的着色器阶段，将每个片段转换为一组颜色值和一个深度值。

片段着色器是 OpenGL 管线中图元光栅化后的阶段。对于图元覆盖的像素的每个采样点，都会生成一个"片段"。每个片段具有窗口空间位置、一些其他值，以及来自最后一个顶点处理阶段的所有插值顶点输出值。

片段着色器的输出是一个深度值、可能的模板值（不被片段着色器修改）以及零个或多个颜色值，这些值可能会被写入当前帧缓冲区的缓冲区中。

可选性

片段着色器在技术上是可选的着色器阶段。如果不使用片段着色器，输出片段的颜色值是未定义的。但是，输出片段的深度和模板值与输入值相同。

这对于只输出片段深度的渲染很有用，例如阴影映射和深度预优化。

特殊操作

与其他着色器阶段不同，片段着色器会生成隐式导数，因此可以使用大多数纹理函数。但仍需注意非均匀控制流。

片段着色器还可以访问 discard 命令。执行时，片段的输出值被丢弃，片段不会进入下一个管线阶段。

早期片段测试

通过 OpenGL 4.2 或 ARB_shader_image_load_store，可以强制执行早期片段测试：

layout(early_fragment_tests) in;

这确保条件性逐采样测试在片段着色器执行之前进行。

WARNING

这不意味着可以颠覆深度测试的含义。如果强制早期片段测试并尝试写入 gl_FragDepth，写入的值将被忽略。写入深度缓冲区的值始终是与深度缓冲区测试的值。

输入

片段着色器的输入由系统生成或从先前的固定功能操作传递，并可能跨图元表面插值。

用户定义的输入根据片段着色器声明的插值限定符进行插值。

系统输入

片段着色器有以下内置输入变量：

in vec4 gl_FragCoord;
in bool gl_FrontFacing;
in vec2 gl_PointCoord;

gl_FragCoord

片段在窗口空间中的位置。X、Y 和 Z 分量是片段的窗口空间位置。如果着色器没有写入 gl_FragDepth，Z 值将被写入深度缓冲区。W 分量是 1/W_clip，其中 W_clip 是从最后一个顶点处理阶段输出到 gl_Position 的裁剪空间顶点位置的插值 W 分量。

可以通过重新声明来修改 gl_FragCoord 的空间：

layout(origin_upper_left) in vec4 gl_FragCoord;

这将使 gl_FragCoord 的窗口空间原点位于屏幕左上角，而不是通常的左下角。

layout(pixel_center_integer) in vec4 gl_FragCoord;

使用整数值表示像素中心（默认是半整数边界，如左下角像素中心为 (0.5, 0.5)）。

TIP

这两个选项是为了与 D3D 的窗口空间兼容。除非需要这种兼容性，否则不建议使用。

gl_FrontFacing

如果片段由图元的背面生成则为 false，其他情况为 true（包括没有背面的图元）。

gl_PointCoord

点图元中片段相对于点边缘的位置。点的有效范围是 [0, 1]，默认使用左上角原点。可以通过以下方式切换到左下角原点：

glPointParameteri(GL_POINT_SPRITE_COORD_ORIGIN, GL_LOWER_LEFT);

OpenGL 4.0+ 额外输入

in int gl_SampleID;
in vec2 gl_SamplePosition;
in int gl_SampleMaskIn[];

gl_SampleID

当前片段光栅化的采样的整数标识符。

WARNING

使用此变量将强制着色器逐采样执行，这会抵消多重采样的主要优势。仅在必要时使用。

gl_SamplePosition

当前片段采样在像素区域内的位置，范围 [0, 1]。原点在像素区域左下角。

WARNING

使用此变量将强制着色器逐采样执行。

gl_SampleMaskIn

使用多重采样时，包含生成片段的采样掩码位域。

用户可控输入

in float gl_ClipDistance[];
in int gl_PrimitiveID;

gl_ClipDistance

包含从最后一个顶点处理阶段输出的插值裁剪平面半空间数组。

gl_PrimitiveID

当前正在渲染的图元的索引。如果几何着色器处于活动状态，gl_PrimitiveID 完全是 GS 提供的输出值。

OpenGL 4.3+ 额外输入

in int gl_Layer;
in int gl_ViewportIndex;

gl_Layer

图元的层号（由几何着色器输出），或 0。

gl_ViewportIndex

图元的视口索引（由几何着色器输出），或 0。

输出

用户定义的输出变量只能是以下 GLSL 类型：浮点数、整数、相同类型的向量。也可以是这些类型的数组。

输出缓冲区

用户定义的输出表示一系列"颜色"，根据 glDrawBuffers 状态定向到特定缓冲区。

有三种方式将输出变量与颜色编号关联（按优先级排序）：

着色器内指定

layout(location = 3) out vec4 diffuseColor;

链接前指定

void glBindFragDataLocation(GLuint program, GLuint colorNumber, const char *name);

自动分配

如果以上两种方法都未使用，OpenGL 会在程序链接时自动分配颜色编号。

WARNING

自动分配不太合理，因为颜色编号引用的是 glDrawBuffers 定义的绘制缓冲区。通常会为多个不同程序使用相同的帧缓冲区，每次更改 glDrawBuffers 状态并重新验证 FBO 不是好主意。

片段颜色的数量限制由 GL_MAX_DRAW_BUFFERS 定义（使用双源混合时为 GL_MAX_DUAL_SOURCE_DRAW_BUFFERS）。

示例

const GLenum buffers[] = {GL_COLOR_ATTACHMENT4, GL_COLOR_ATTACHMENT2, GL_NONE, GL_COLOR_ATTACHMENT0};
glDrawBuffers(4, buffers);

layout(location = 1) out int materialID;
layout(location = 4) out vec3 normal;
layout(location = 0) out vec4 diffuseColor;
layout(location = 3) out vec3 position;
layout(location = 2) out vec4 specularColor;

输出名称	颜色附件
materialID	GL_COLOR_ATTACHMENT2
normal	GL_NONE
diffuseColor	GL_COLOR_ATTACHMENT4
position	GL_COLOR_ATTACHMENT0
specularColor	GL_NONE

双源混合 (Dual-Source Blending)

双源混合是一种技术，允许两个（或更多）输出值通过混合用于同一缓冲区。

这通过为片段输出变量分配另一个参数：索引来实现：

layout(location = 0, index = 1) out vec4 diffuseColor1;
layout(location = 0) out vec4 diffuseColor0;

diffuseColor0 分配到片段颜色 0、索引 0；diffuseColor1 分配到片段颜色 0、索引 1。

WARNING

使用双源输出时，可写入的最大片段颜色输出为 GL_MAX_DUAL_SOURCE_DRAW_BUFFERS（通常为 1）。如果需要双源混合，只能从片段着色器写入一个缓冲区。

也可以在链接前指定：

void glBindFragDataLocationIndexed(GLuint program, GLuint colorNumber, 
                                   GLuint index, const char *name);

其他输出

片段着色器有以下内置输出变量：

out float gl_FragDepth;

gl_FragDepth

片段的深度值。如果着色器没有静态写入此值，则取 gl_FragCoord.z 的值。

WARNING

如果片段着色器静态写入 gl_FragDepth，则着色器有责任在所有情况下确保写入该值。如果在某个地方有条件写入，应确保在此之前有一个无条件写入。

保守深度 (Conservative Depth)

GLSL 4.20 或 ARB_conservative_depth 允许指定对 gl_FragDepth 的修改方式：

layout (depth_<condition>) out float gl_FragDepth;

condition 可以是：

• any - 默认，可自由更改深度，但性能损失最大
• greater - 只会使深度变大
• less - 只会使深度变小
• unchanged - 写入的值与 gl_FragCoord.z 相同

违反条件会导致未定义行为。

gl_SampleMask

GLSL 4.00 或 ARB_sample_shading：

out int gl_SampleMask[];

定义多重采样渲染时片段的采样掩码。如果着色器没有静态写入，则由 gl_SampleMaskIn 填充。输出的采样掩码将与光栅化器计算的采样掩码进行逻辑与运算。

WARNING

如果片段着色器写入 gl_SampleMask，必须确保所有执行路径都写入该值，并且写入数组中的每个元素。数组大小与 gl_SampleMaskIn 相同。