(图1：正常渲染)

(图2：几何着色器粒子化特效进行中)

(图3：几何着色器粒子化特效进行中)

1,用几何着色器进行图元转换

在OpenGL渲染管线中，几何着色器Geometry Shader有一个独一无二的功能，既是图元转换。可简单理解为对基本图元点，线，三角形等等之间的转换。基本图元是由顶点组成的，所以几何着色器可以在函数内拿到一个基本图元的所有组成顶点，例如输入图元如果是三角形，它可以拿到三个顶点。

几何着色器相关语法很简单，以本文中Shader为例：

声明着色器：

#pragma geometry geom

设置输出顶点数量：

[maxvertexcount(120)]

声明输入与输出struct：

            struct v2g   //vertex to geometry{float4 vertex : SV_POSITION;fixed4 color:COLOR;float3 normal:NORMAL;};struct g2f   //geometry to fragment{float4 vertex : SV_POSITION;fixed4 color:COLOR;};

配置几何着色器的输入参数与输出值：“PointStream”决定了几何着色器的输出数据结构，“triangle v2g”必须与顶点着色器输出(既是几何着色器的输入)的图元类型一致，数组长度也要一致，例如当它为三角形图元时，结构数组长度必须为[3]，既是每次同时被输入一个三角形的三个顶点。

           void geom(inout PointStream<g2f> OutputStream,triangle v2g input[3]){...}

在本案例中，一个三角形分解为3个点，需要一个方法将输出的点收集起来：

OutputStream.Append(o);

其他图元之间的转换在语法上大同小异。

2,用几何着色器对图元进行细分

除了细分着色器(见另一篇文章)，几何着色器也可以用来进行细分工作。
例如本例中将模型网格进行了粒子化，为了加强效果，增加粒子数量，对每个三角形图元都进行了细分。几何着色器对图元进行细分后输出的顶点数是有上限的，根据输出stream的结构体(例如本例中的g2f)的大小，Shader会对输出顶点数做出限制，本例中，每个三角形最多可以转换为120个粒子顶点，“[maxvertexcount(120)]”。

细分的算法

首先需要三个向量，一个位置向量V0作为起点，以及从起点至另两个顶点的方向向量V1,V2：

           V1 = (input[1].vertex - input[0].vertex).xyz;V2 = (input[2].vertex - input[0].vertex).xyz;V0 = input[0].vertex.xyz;

接下来，利用V1，V2对三角形进行参数化。

(图4：三角形参数化。原图来自http://web.engr.oregonstate.edu/~mjb/cs519/Handouts/geometry_shaders.1pp.pdf)

我对三角形参数化的理解是：从V0出发，以V1为方向行进x个单位，再以V2为方向行进y个单位，可到达三角形内任意一点：

(图5：从V0出发按照V1，V2方向行进到达点P0，P1)

Shader代码实现

           int numLayers =1<<_Level;      //2^_Levelfloat dt = 1.0f / float( numLayers );float t = 1.0f;for( int it = 0; it < numLayers; it++ ){float smax = 1.0f - t;int nums = it + 1;float ds = smax / float( nums - 1 );float s = 0;for( int is = 0; is < nums; is++ ){float3 v = V0 + s*V1 + t*V2;//略......s += ds;} t -= dt;}

上面代码删去与细分无关的部分，核心思想既是在双重循环中等距的向V1，V2方向移动，移动过程中找出的所有点既是三角形细分后的点的集合。

(图6：一个待细分的quad)

(图7：用此算法对quad进行细分后，由于输出顶点数达到了极限120，中间部分为空白)

_Level变量可用来控制细分中t方向的密度：

(图8：_Level=4)

(图9：_Level=1)

3,用几何着色器构建粒子系统

使用了几何着色器后，它就成为了面向顶点编程的最后阶段，可在此对顶点进行动画编程。例如案例中的Shader在几何着色器中实现了一个位移动画和淡出效果。

粒子位移

在顶点属性准备阶段，C#脚本不断更新一个unityTime全局变量。

Shader.SetGlobalFloat ("unityTime", Time.time);

在Shader内计算动画累计时间：

              float time_SinceBirth=(unityTime-_ShaderStartTime)*0.1f;

计算重心坐标：

           CG=(input[0].vertex.xyz + input[1].vertex.xyz+ input[2].vertex.xyz)/3.0f;

位移：根据动画时间进行位移加速。此行代码决定了此Shader中粒子的移动效果，如果想模拟真实物理效果可套入一些公式。此行代码没什么特殊思想，只是根据时间有一个越飞越快的效果。

                 v = CG + vel*(_Speed*time_SinceBirth+1.0f) + 0.5f*_DispDir.xyz*sin(it*is)*(_Speed*time_SinceBirth)*(_Speed*time_SinceBirth);

淡出效果

根据动画累计时间对alpha值进行递减让粒子逐渐消失：

                 o.color=_FinalColor;o.color.w=1.0f-smoothstep(0,1.0f,time_SinceBirth);

除了通过alpha进行淡出处理也可以通过语义ponitsize对粒子size进行缩小处理以达到淡出(但目前在unity 5.x版本中使用此语义无法通过编译)。

4,案例源码：

Shader：

Shader "Unlit/ParticleExp_Beta"
{Properties{//细分相关变量_Level("Level",int)=0_DispDir("Displacement Direction",Vector)=(0,0,0)_uVelScale("VelScale",float)=2//粒子化特效相关变量_Speed("Speed",Range(0,1))=1_ShaderStartTime("Shader Start Time",float)=0_FinalColor("Final Color",color)=(1,1,1,1)}SubShader{Tags{"RenderType"="Transparent" "Queue" = "Transparent"}LOD 100Pass{Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha // use alpha blendingcull offCGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#pragma geometry geom#include "UnityCG.cginc"细分相关变量uniform int _Level;uniform float3 _DispDir;uniform float _uVelScale;粒子化特效相关变量uniform float _Speed;          //粒子位移速度uniform float _ShaderStartTime; //粒子化起始时间uniform fixed4 _FinalColor;        //粒子颜色float3 V0, V1, V2;float3 CG;float unityTime;struct appdata{float4 vertex : POSITION;float3 normal:NORMAL;};struct v2g{float4 vertex : SV_POSITION;fixed4 color:COLOR;float3 normal:NORMAL;};struct g2f{float4 vertex : SV_POSITION;fixed4 color:COLOR;};v2g vert (appdata v){v2g o;o.vertex = v.vertex;o.normal=UnityObjectToWorldNormal(v.normal);return o;}[maxvertexcount(120)]//v2g input[3]void geom(inout PointStream<g2f> OutputStream,triangle v2g input[3]){float time_SinceBirth=(unityTime-_ShaderStartTime)*0.1f;g2f o = (g2f)0;V1 = (input[1].vertex - input[0].vertex).xyz;V2 = (input[2].vertex - input[0].vertex).xyz;V0 = input[0].vertex.xyz;CG=(input[0].vertex.xyz + input[1].vertex.xyz+ input[2].vertex.xyz)/3.0f;int numLayers =1<<_Level;      //2^_Levelfloat dt = 1.0f / float( numLayers );float t = 1.0f;for( int it = 0; it < numLayers; it++ ){float smax = 1.0f - t;int nums = it + 1;float ds = smax / float( nums - 1 );float s = 0;for( int is = 0; is < nums; is++ ){float3 v = V0 + s*V1 + t*V2;float3 vel = _uVelScale * ( v - CG );v = CG + vel*(_Speed*time_SinceBirth+1.0f) + 0.5f*_DispDir.xyz*sin(it*is)*(_Speed*time_SinceBirth)*(_Speed*time_SinceBirth);o.vertex = UnityObjectToClipPos(float4( v, 1.0f ));o.color=_FinalColor;o.color.w=1.0f-smoothstep(0,1.0f,time_SinceBirth);OutputStream.Append(o);s += ds;} t -= dt;}}fixed4 frag (g2f i) : SV_Target{return i.color;}ENDCG}}
}

C#动画触发控制脚本：

挂在场景中任意gameObject上。主要功能是收集model上的所有材质球并对其进行逐渐替换以实现逐渐粒子化的效果。另一个思路是同时替换所有材质球，然后根据uv或位置坐标进行更细腻的粒子化渐变。

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;public class ParticleExpController : MonoBehaviour {public Material particleExp;public MeshRenderer[] smRs;private Material[] originalMaterial;public GameObject model;// Use this for initializationvoid Start () {}IEnumerator EXP(){smRs=model.GetComponentsInChildren<MeshRenderer>();Material p_exp = new Material (particleExp);p_exp.SetFloat ("_ShaderStartTime", Time.time);for (int i = 0; i < smRs.Length; i++) {Material[] temp=smRs[i].materials;for(int j=0;j<smRs[i].materials.Length;j++){temp [j] = p_exp;}smRs [i].materials = temp;yield return new WaitForSeconds (0.5f);}}// Update is called once per framevoid Update () {if(Input.GetKeyDown(KeyCode.E)){StartCoroutine (EXP ());}Shader.SetGlobalFloat ("unityTime", Time.time);}
}

参考：
OPENGL编程指南–Khronos Group
GLSL Geometry Shader–Mike Bailey–
(http://web.engr.oregonstate.edu/~mjb/cs519/Handouts/geometry_shaders.1pp.pdf)
射线和三角形的相交检测–DirectX
（http://www.cnblogs.com/graphics/archive/2010/08/09/1795348.html）

维护日志：
2018-2-24：填词改句
2018-6-10：改标题
2020-8-16：review

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