gl_FragCoord 的含义

gl_FragCoord 表示当前片元着色器处理的候选片元窗口相对坐标信息，是一个 vec4 类型的变量 (x, y, z, 1/w)，其中 x, y 是当前片元的窗口坐标，OpenGL 默认以窗口左下角为原点，在着色器中通过布局限定符可以重新设定原点，比如窗口左上角为原点 origin_upper_left，窗口大小由 glViewport() 函数指定。x, y 默认是像素中心而非整数，原点的窗口坐标值为 (0.5, 0.5), 小数部分恒为 0.5，当viewport 范围为（0，0，800，600）时， x, y 的取值范围为（0.5, 0.5, 799.5, 599.5), 当在着色器中布局限定符设置为 pixel_center_integer 时， x, y 取值为整数。

第三个分量 z 表示的是当前片元的深度信息，由 vertex shader 处理过后系统插值得到, gl_FragCoord.z 的产生过程：

假设 OpenGL 变换的各坐标系统定义如下： world.xyzw 表示世界坐标系的坐标， eye.xyzw 表示眼坐标系(也叫观察坐标系，还有叫相机坐标系，呃。。。) 的坐标， clip.xyzw 表示裁剪坐标系的坐标， ndc.xyzw 表示规范化设备坐标系坐标， win.xyzw 表示窗口坐标系坐标， OpenGL 一个完整的空间变换流水线如下：

world coordinate system --> eye coordinate system --> clip coordinate system --> normalized device coordinate system --> window device coordinate system。

gl_FragCoord.z 生成过程：

（1）世界坐标系内的坐标乘以观察矩阵变换到眼坐标空间 eye.xyzw = viewMatrix * world.xyzw;

（2）眼坐标系内的坐标通过乘上投影矩阵变换到裁剪空间 clip.xyzw = projectMatrix * eye.xyzw;

（3）裁剪坐标系内的坐标通过透视除法（也就是 w 为 1 化）到规范化设备坐标系 ndc.xyz = clip.xyz / clip.w;

（4）设备规范化坐标系到窗口坐标系 win.z = (dfar - dnear)/2 * ndc.z + (dfar+dnear)/2;

可以看出 gl_FragCoord.z 是 win.z 。dnear ,dfar 是由 glDepthRange（dnear, dfar）给定的，按openGL 默认值（0，1）， win.z = ndc.z/2 + 0.5。

有时候我们需要在 shader 内反算眼坐标系或世界坐标系内的坐标, 这在后处理或延迟着色中很有用，不需要另外使用颜色缓存保留物体位置信息，减少带宽占用。反算窗口空间内的片元的空间坐标：

ndc.xyzw = ( gl_FragCoord.xy/viewport.wh * 2.0 - 1.0, gl_FragCoord.z * 2.0 - 1.0, 1.0 );

这样我们只需向shader 中传入矩阵信息，就可以获得该片元在指定空间内的坐标，例如

eye.xyzw = projectionMatrixInverse * ndc.xyzw;
world.xyzw = modelViewProjectionMatrixInverse * ndc.xyzw

注意最终结果要除以 w 分量， eye.xyz = eye.xyz/eye.w;

第四个分量 gl_FragCoord.w

先看看透视投影矩阵的推导:

gl_FragCoord.w 是裁剪空间 clip.w 的倒数即 1/clip.w , 由上面的透视投影矩阵的推导过程可以看出，为了凑透视除法， clip.w 值就是眼坐标系 z 值的负数，也就是距离相机的距离。取负数是因为眼坐标系与规范化设备坐标系手向性不同，眼坐标系是右手系，规范化设备坐标系是左手系。这里暗示我们，对于透视投影，由 gl_FragCoord.w 可以很方便的知道当前片元在眼坐标系中距离相机的距离： gl_FragCoord.w = - 1/Ze ----------> Ze = - 1/gl_FragCoord.w;

那么正交投影呢？没门！正交投影矩阵的 w 值恒为 1，还是乖乖的传矩阵做逆运算吧。当然用逆矩阵反求各坐标系的坐标具有通用性。

总结：

gl_FragCoord 比较有用的是反求各坐标系的空间位置，减少带宽占用。也可以方便的获取当前片元的窗口坐标和片元深度值。当深度测试开启时，如果在片元着色器中没有定义 gl_FragDepth 的值， gl_FragCoord.z 即成为默认输出的深度值，并且gl_FragDepth 不会存在未定义输出的情况(因为不是用户定义的值就是系统给定的默认值)。

题外话, 给定一个矩阵，怎样判断投影矩阵是透视投影还是正交投影呢？

最后给两个函数，在基于延迟着色的fragment shader 中反求片元在眼坐标系或世界坐标系的位置：

vec3 decodeCameraSpacePositionFromDepthBuffer(in vec2 texCoord){vec4 clipSpaceLocation;  clipSpaceLocation.xy = texCoord*2.0-1.0;clipSpaceLocation.z  = texture(depthTexture, texCoord).r * 2.0-1.0;clipSpaceLocation.w  = 1.0;vec4 homogenousLocation = projectionMatrixInverse * clipSpaceLocation;return homogenousLocation.xyz/homogenousLocation.w;
}vec3 decodeWorldSpacePositionFromDepthBuffer(in vec2 texCoord){vec4 clipSpaceLocation; clipSpaceLocation.xy = texCoord*2.0-1.0;clipSpaceLocation.z  = texture(depthTexture, texCoord).r * 2.0-1.0;clipSpaceLocation.w  = 1.0;vec4 homogenousLocation = viewProjectionMatrixInverse * clipSpaceLocation;return homogenousLocation.xyz/homogenousLocation.w;
}

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