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几何着色器 (Geometry Shader) ​

几何着色器（Geometry Shader，简称 GS）是使用 GLSL 编写的着色器程序，负责处理图元（Primitives）。它位于顶点着色器（Vertex Shader）（或可选的曲面细分阶段）和固定功能的顶点后处理阶段之间。

版本信息

  • 核心版本：4.6
  • 引入版本：3.2
  • ARB 扩展：ARB_geometry_shader4

几何着色器是可选的，不必强制使用。

每次几何着色器调用接收单个图元作为输入，可以输出零个或多个图元。实现定义了单次 GS 调用可以生成的图元数量上限。几何着色器需要指定接受的输入图元类型和输出的图元类型。

不推荐用法

虽然几何着色器可以用于放大几何体，实现粗略的曲面细分效果，但这通常不是几何着色器的理想用途。

几何着色器的主要用途 ​

  • 分层渲染（Layered Rendering）：将一个图元渲染到多个图像层，无需切换绑定的渲染目标
  • 变换反馈（Transform Feedback）：常用于在 GPU 上执行计算任务（在计算着色器出现之前）

OpenGL 4.0 为几何着色器引入了两个新特性：

  • 多输出流：用于变换反馈，不同的反馈缓冲区集可以接收不同的变换反馈数据
  • 几何着色器实例化：允许多次调用处理同一输入图元，简化分层渲染的实现

图元输入/输出规范 ​

每个几何着色器都设计为接受特定的图元类型作为输入，并输出特定的图元类型。

输入图元类型 ​

glsl
layout(input_primitive) in;

input_primitive 类型必须与提供给 GS 的顶点流的图元类型匹配。

GS 输入类型OpenGL 图元TES 参数顶点数
pointsGL_POINTSpoint_mode1
linesGL_LINES, GL_LINE_STRIP, GL_LINE_LOOPisolines2
lines_adjacencyGL_LINES_ADJACENCY, GL_LINE_STRIP_ADJACENCYN/A4
trianglesGL_TRIANGLES, GL_TRIANGLE_STRIP, GL_TRIANGLE_FANtriangles, quads3
triangles_adjacencyGL_TRIANGLES_ADJACENCY, GL_TRIANGLE_STRIP_ADJACENCYN/A6

输出图元类型 ​

glsl
layout(output_primitive, max_vertices = vert_count) out;

output_primitive 必须是以下之一：

  • points
  • line_strip
  • triangle_strip

要输出独立的三角形或线条，只需在每组 3 或 2 个顶点后调用 EndPrimitive()。

重要

必须声明 max_vertices，该数值是编译时常量，定义了单次 GS 调用可以写入的最大顶点数。该值不能超过 GL_MAX_GEOMETRY_OUTPUT_VERTICES（最小值为 256）。

实例化（Instancing） ​

版本信息

  • 核心版本：4.6
  • 引入版本：4.0
  • ARB 扩展：ARB_gpu_shader5

几何着色器可以实例化，使同一输入图元被多次执行。每次调用获得不同的 gl_InvocationID 值。

glsl
layout(invocations = num_instances) in;

num_instances 不能超过 GL_MAX_GEOMETRY_SHADER_INVOCATIONS（至少为 32）。

输出图元按 gl_InvocationID 排序。例如，渲染两个图元且 num_instances 为 3 时，执行顺序为：(prim0, inst0), (prim0, inst1), (prim0, inst2), (prim1, inst0), ...

输入 ​

几何着色器接收图元作为输入，每个图元由若干顶点组成。前一阶段的输出以数组形式传递给 GS。

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

基于图元（而非顶点）的输入值：

glsl
in int gl_PrimitiveIDIn;
in int gl_InvocationID; // 需要 GLSL 4.0 或 ARB_gpu_shader5
  • gl_PrimitiveIDIn：当前输入图元的 ID，基于当前绘图命令开始以来 GS 处理的图元数量
  • gl_InvocationID：当前实例的索引

输出 ​

几何着色器使用基于函数的接口输出顶点。写入所有输出值后，调用 EmitVertex() 将顶点写入输出流。调用后，所有输出变量包含未定义的值。

注意

必须在每次 EmitVertex() 调用前写入每个输出变量。

EndPrimitive() 用于结束当前图元并开始新的图元。

glsl
out gl_PerVertex
{
  vec4 gl_Position;
  float gl_PointSize;
  float gl_ClipDistance[];
};
  • gl_Position：当前顶点的裁剪空间位置。如果向流 0 发射顶点且光栅化未关闭，必须写入此值
  • gl_PointSize：光栅化点的像素宽度/高度。仅在输出点图元时需要
  • gl_ClipDistance：顶点到每个用户定义裁剪平面的距离
glsl
out int gl_PrimitiveID;

图元 ID 将传递给片段着色器，从该图元的引发顶点（Provoking Vertex）获取。

分层渲染 ​

分层渲染允许 GS 将特定图元发送到分层帧缓冲区的不同层。

glsl
out int gl_Layer;
out int gl_ViewportIndex; // 需要 GL 4.1 或 ARB_viewport_array
  • gl_Layer：定义图元发送到哪一层
  • gl_ViewportIndex：指定使用的视口索引

警告

gl_Layer 和 gl_ViewportIndex 是 GS 输出变量。每次调用 EmitVertex 后，它们的值会变为未定义，必须在每次循环输出时重新设置。

引发顶点规则 ​

可以使用 glGetIntegerv 查询 GL_LAYER_PROVOKING_VERTEX 和 GL_VIEWPORT_INDEX_PROVOKING_VERTEX：

  • GL_PROVOKING_VERTEX：使用当前的引发顶点约定
  • GL_LAST_VERTEX_CONVENTION：使用最后一个顶点
  • GL_FIRST_VERTEX_CONVENTION：使用第一个顶点
  • GL_UNDEFINED_VERTEX：实现未指定

输出流 ​

版本信息

  • 核心版本：4.6
  • 引入版本：4.0
  • ARB 扩展：ARB_transform_feedback3

使用变换反馈时，可以将不同的顶点集发送到不同的缓冲区。

多输出流要求输出图元类型为 points。

glsl
layout(stream = stream_index) out vec4 some_output;

默认流索引设置：

glsl
layout(stream = 2) out;

使用 EmitStreamVertex() 写入特定流的顶点，使用 EndStreamPrimitive() 结束特定流的图元。

提示

只有发送到流 0 的图元会传递给顶点后处理阶段进行渲染；其他流仅在变换反馈时有效。

输出限制 ​

几何着色器有两个输出限制：

  1. 最大顶点数：GL_MAX_GEOMETRY_OUTPUT_VERTICES（最小值 256）
  2. 总输出分量数：GL_MAX_GEOMETRY_TOTAL_OUTPUT_COMPONENTS

总输出分量数 = 每顶点分量数 × 顶点数。例如，总输出分量数为 1024，每顶点写入 12 个分量，则最大顶点数为 floor(1024/12) = 85。

内置输出如 gl_Layer 也计入总分量数。

另见 ​

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