Vertex Shader 顶点着色器

Vertex Shader（顶点着色器） 是渲染管线中处理单个顶点的可编程着色器阶段。它从顶点流接收顶点属性数据，处理每个输入顶点并生成一个输出顶点，必须保持 1:1 的映射关系。

顶点着色器通常执行到裁剪空间的变换，供后续的 Vertex Post-Processing 阶段使用，也可用于逐顶点光照计算或为后续着色器阶段做准备工作。

Invocation Frequency 调用频率

顶点着色器大约为顶点流中的每个顶点执行一次。

不变性与缓存优化

顶点着色器通常对其输入具有 invariance（不变性）：在同一个绘制命令中，接收相同输入属性的两个调用将返回二进制相同的结果。

OpenGL 实现利用 Post Transform Cache（后变换缓存） 优化：当使用索引绘制时，如果同一索引再次出现，实现可以复用之前的计算结果，跳过顶点着色器执行。

细分的影响

如果启用了 Tessellation（细分），特别是 Tessellation Control Shader 激活时，顶点着色器的调用频率可能改变。用于节省顶点着色器调用的技巧在细分时可能无效。

Inputs 输入

用户定义的顶点着色器输入称为 vertex attributes（顶点属性），通过绑定 Vertex Array Object (VAO) 并执行绘制命令来提供。

顶点着色器输入变量使用 in 类型限定符定义，不能聚合到 Interface Block 中。

属性索引分配

每个输入变量被分配一个或多个顶点属性索引，按优先级从高到低：

1. 着色器内指定

layout(location = 2) in vec4 a_vec;

2. 链接前指定

void glBindAttribLocation(GLuint program, GLuint index, const GLchar *name);

3. 自动分配

如果以上方法都未指定，链接时 OpenGL 自动分配索引。

自动分配的不确定性

自动分配的索引完全任意，即使使用相同的顶点着色器代码，不同程序的分配也可能不同。建议显式指定属性位置。

Multiple Attributes 多属性

矩阵、数组和双精度类型可能占用多个属性索引：

• 矩阵：每列占用一个索引
• 数组：每个元素占用一个索引
• 双精度 (double, dvec)：始终占用一个索引

layout(location = 3) in mat4 a_matrix;  // 占用索引 3, 4, 5, 6

索引冲突

以下代码将因索引范围重叠而链接失败：

layout(location = 0) in mat4 a_matrix;  // 占用 [0, 3]
layout(location = 3) in vec4 a_vec;     // 冲突！

Attribute Limits 属性限制

属性索引不能超过 GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS。

双精度属性

dvec3 和 dvec4 虽然只占用一个属性索引，但实现可能将其计为两个资源。应假设它们消耗两个输入资源。

Built-in Inputs 内置输入

in int gl_VertexID;
in int gl_InstanceID;
in int gl_DrawID;      // 需要 GLSL 4.60 或 ARB_shader_draw_parameters
in int gl_BaseVertex;  // 需要 GLSL 4.60 或 ARB_shader_draw_parameters
in int gl_BaseInstance;// 需要 GLSL 4.60 或 ARB_shader_draw_parameters

变量	说明
gl_VertexID	当前处理的顶点索引。非索引绘制时为有效索引；索引绘制时为用于获取顶点的索引值
gl_InstanceID	实例化渲染时的当前实例索引，始终从 0 开始
gl_DrawID	多重绘制命令中的绘制命令索引
gl_BaseVertex	绘制命令的 baseVertex 参数值
gl_BaseInstance	实例化绘制命令的 baseInstance 参数值

gl_InstanceID

gl_InstanceID 不包含 baseInstance 参数值，始终在范围 [0, instancecount) 内。如需完整实例索引，使用 gl_InstanceID + gl_BaseInstance。

Outputs 输出

顶点着色器输出传递给下一阶段（Tessellation → Geometry → Vertex Post-Processing）。

用户定义的输出变量可以有 interpolation qualifiers（插值限定符），也可以聚合到 Interface Block 中。

Built-in Outputs 内置输出

out gl_PerVertex {
    vec4 gl_Position;
    float gl_PointSize;
    float gl_ClipDistance[];
};

变量	说明
gl_Position	当前顶点的裁剪空间输出位置
gl_PointSize	点图元的光栅化像素宽/高，仅渲染点图元时有效，会被限制在 GL_POINT_SIZE_RANGE 范围内
gl_ClipDistance[]	顶点到用户定义裁剪半空间的距离。非负值表示在裁剪平面内侧，负值表示在外侧

gl_ClipDistance 使用

使用 gl_ClipDistance 需要手动重新声明并指定大小。GLSL 4.10+ 或 ARB_separate_shader_objects 需要重新声明整个 gl_PerVertex 块。