OpenGL学习笔记（十）-几何着色器-实例化

参考网址：LearnOpenGL 中文版

4.7 几何着色器

4.7.1 基本概念

1、顶点和片段着色器之间有一个可选的几何着色器，几何着色器的输入是一个图元（如点或三角形）的一组顶点，顶点发送到下一着色器之前可对它们随意变换，将顶点变换为完全不同的图元，并且还能生成比原来更多的顶点。

#version 330 core
layout (points) in;
layout (line_strip, max_vertices = 2) out;void main() {    gl_Position = gl_in[0].gl_Position + vec4(-0.1, 0.0, 0.0, 0.0); EmitVertex();gl_Position = gl_in[0].gl_Position + vec4( 0.1, 0.0, 0.0, 0.0);EmitVertex();EndPrimitive();
}

2、在几何着色器的顶部，在in关键字前声明一个布局修饰符，声明从顶点着色器输入的图元类型，括号内的数字表示的是一个图元所包含的最小顶点数。

points：绘制GL_POINTS图元时（1）。
lines：绘制GL_LINES或GL_LINE_STRIP时（2）
lines_adjacency：GL_LINES_ADJACENCY或GL_LINE_STRIP_ADJACENCY（4）
triangles：GL_TRIANGLES、GL_TRIANGLE_STRIP或GL_TRIANGLE_FAN（3）
triangles_adjacency：GL_TRIANGLES_ADJACENCY或GL_TRIANGLE_STRIP_ADJACENCY（6）

3、在out关键字前面加一个布局修饰符，指定几何着色器输出的图元类型：

points
line_strip
triangle_strip

4、同时可以设置一个它最大能够输出的顶点数量（超过了这个值，OpenGL将不会绘制多出的顶点），使用上面定义的着色器输出一条线段，最大顶点数等于2：

5、几何着色器中有一个内建接口块变量gl_in[]，包含了几个变量。其中，gl_Position与顶点着色器输出非常相似，它被声明为一个数组，因为几何着色器的输入是一个图元的所有顶点。

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

6、利用几何着色器函数EmitVertex和EndPrimitive来生成新的数据了。调用EmitVertex时，gl_Position中的向量会被添加到图元中来。当EndPrimitive被调用时，所有发射出的顶点都会合成为指定的输出渲染图元。在一个或多个EmitVertex调用之后重复调用EndPrimitive能够生成多个图元。

void main() {gl_Position = gl_in[0].gl_Position + vec4(-0.1, 0.0, 0.0, 0.0); EmitVertex();gl_Position = gl_in[0].gl_Position + vec4( 0.1, 0.0, 0.0, 0.0);EmitVertex();EndPrimitive();
}

7、在这个例子中，接受一个点图元作为输入，从原始顶点位置平移了0.1，发射了两个顶点。之后调用EndPrimitive，将这两个顶点合成为一个包含两个顶点的线条。即以这个点为中心，创建一条水平的线图元。

glDrawArrays(GL_POINTS, 0, 4);

4.7.2 使用几何着色器

1、在标准化设备坐标的z平面上绘制四个点，包含顶点信息和颜色信息

float points[] = {-0.5f,  0.5f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, // 左上0.5f,  0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, // 右上0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, // 右下-0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f, 0.0f  // 左下
};

2、顶点着色器在z平面绘制点，使用一个接口块将颜色属性发送到几何着色器中。

#version 330 core
layout (location = 0) in vec2 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aColor;out VS_OUT{vec3 color;
}vs_out;void main()
{gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, 0.0, 1.0); vs_out.color = aColor;
}

3、创建一个传递几何着色器，接收点图元，在每个点的位置上绘制一个房子。每个顶点都是原始点的位置加上一个偏移量，来组成一个大的三角形带。使用三角形带(Triangle Strip)绘制，使用的顶点更少。在第一个三角形绘制完之后，每个后续顶点将会在上一个三角形边上生成另一个三角形，每3个临近的顶点将会形成一个三角形，得到(1, 2, 3)、(2, 3, 4)、(3, 4, 5)3个三角形。一个三角形带有N个顶点，会生成N-2个三角形。

4、几何着色器的输出

将几何着色器的输出设置为triangle_strip，
在几何着色器中声明相同的接口块（使用一个不同的接口名VS_OUT ）接受颜色属性，因为几何着色器是作用于输入的一组顶点的，从顶点着色器发来输入数据总是会以数组的形式表示出来。
为片段着色器阶段声明一个输出颜色向量fColor，因为片段着色器只需要一个插值的颜色，就是一个单独的向量。

#version 330 core
layout (points) in;
layout (triangle_strip, max_vertices = 5) out;in VS_OUT {vec3 color;
} gs_in[];out vec3 fColor;void build_house(vec4 position)
{    fColor = gs_in[0].color; // gs_in[0] 因为只有一个输入顶点gl_Position = position + vec4(-0.2, -0.2, 0.0, 0.0);    // 1:左下EmitVertex();   gl_Position = position + vec4( 0.2, -0.2, 0.0, 0.0);    // 2:右下EmitVertex();gl_Position = position + vec4(-0.2,  0.2, 0.0, 0.0);    // 3:左上EmitVertex();gl_Position = position + vec4( 0.2,  0.2, 0.0, 0.0);    // 4:右上EmitVertex();gl_Position = position + vec4( 0.0,  0.4, 0.0, 0.0);    // 5:顶部EmitVertex();EndPrimitive();
}void main() {    build_house(gl_in[0].gl_Position);
}

5、创建着色器时使用GL_GEOMETRY_SHADER作为着色器类型，编译和链接几何着色器

geometryShader = glCreateShader(GL_GEOMETRY_SHADER);
glShaderSource(geometryShader, 1, &gShaderCode, NULL);
glCompileShader(geometryShader);
...
glAttachShader(program, geometryShader);
glLinkProgram(program);

6、也可以将最后一个顶点的颜色设置为白色，给屋顶落上一些雪。

fColor = gs_in[0].color;
gl_Position = position + vec4(-0.2, -0.2, 0.0, 0.0);    // 1:左下
EmitVertex();
gl_Position = position + vec4( 0.2, -0.2, 0.0, 0.0);    // 2:右下
EmitVertex();
gl_Position = position + vec4(-0.2,  0.2, 0.0, 0.0);    // 3:左上
EmitVertex();
gl_Position = position + vec4( 0.2,  0.2, 0.0, 0.0);    // 4:右上
EmitVertex();
gl_Position = position + vec4( 0.0,  0.4, 0.0, 0.0);    // 5:顶部
fColor = vec3(1.0, 1.0, 1.0);
EmitVertex();
EndPrimitive();

4.7.3 爆破物体

1、爆破一个物体是将每个三角形沿着法向量的方向移动一小段时间，看起来像是沿着每个三角形的法线向量爆炸一样。

2、在几何着色器中，沿着三角形的法向量位移每个顶点，首先使用3个顶点计算法向量，利用3个顶点计算两个平行于三角形表面的向量a和b，对这两个向量进行叉乘来获取法向量了。

vec3 GetNormal()
{vec3 a = vec3(gl_in[0].gl_Position) - vec3(gl_in[1].gl_Position);vec3 b = vec3(gl_in[2].gl_Position) - vec3(gl_in[1].gl_Position);return normalize(cross(a, b));
}

3、创建一个explode函数，使用法向量和顶点位置向量作为参数，令位置向量沿着法线向量进行位移。sin函数接收一个time参数，它根据时间返回一个-1.0到1.0之间的值。将sin值变换到了[0, 1]的范围内。最终的结果会乘以normal向量，并且最终的direction向量会被加到位置向量上。

vec4 explode(vec4 position, vec3 normal)
{float magnitude = 2.0;vec3 direction = normal * ((sin(time) + 1.0) / 2.0) * magnitude; return position + vec4(direction, 0.0);
}

shader.setFloat("time", glfwGetTime());

4、完整几何着色器，在发射顶点之前输出了对应的纹理坐标。

#version 330 core
layout (triangles) in;
layout (triangle_strip, max_vertices = 3) out;in VS_OUT {vec2 texCoords;
} gs_in[];out vec2 TexCoords; uniform float time;vec4 explode(vec4 position, vec3 normal) { ... }vec3 GetNormal() { ... }void main() {    vec3 normal = GetNormal();gl_Position = explode(gl_in[0].gl_Position, normal);TexCoords = gs_in[0].texCoords;EmitVertex();gl_Position = explode(gl_in[1].gl_Position, normal);TexCoords = gs_in[1].texCoords;EmitVertex();gl_Position = explode(gl_in[2].gl_Position, normal);TexCoords = gs_in[2].texCoords;EmitVertex();EndPrimitive();
}

4.7.4 法线可视化

1、思路是这样的：首先不使用几何着色器正常绘制场景。然后再次绘制场景，但这次只显示通过几何着色器生成法向量。几何着色器接收一个三角形图元，并沿着法向量生成三条线——每个顶点一个法向量。

shader.use();
DrawScene();
normalDisplayShader.use();
DrawScene();

2、使用模型提供的顶点法线，为了适配观察和模型矩阵的缩放和旋转，在将法线变换到裁剪空间坐标之前，先使用法线矩阵变换一次（几何着色器接受的位置向量是剪裁空间坐标，所以应该将法向量变换到相同的空间中）。

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;out VS_OUT {vec3 normal;
} vs_out;uniform mat4 projection;
uniform mat4 view;
uniform mat4 model;void main()
{gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0); mat3 normalMatrix = mat3(transpose(inverse(view * model)));vs_out.normal = normalize(vec3(projection * vec4(normalMatrix * aNormal, 0.0)));
}

3、变换后的裁剪空间法向量会以接口块的形式传递到下个着色器阶段。几何着色器会接收每一个顶点，并在每个位置向量处绘制一个法线向量。

#version 330 core
layout (triangles) in;
layout (line_strip, max_vertices = 6) out;in VS_OUT {vec3 normal;
} gs_in[];const float MAGNITUDE = 0.4;void GenerateLine(int index)
{gl_Position = gl_in[index].gl_Position;EmitVertex();gl_Position = gl_in[index].gl_Position + vec4(gs_in[index].normal, 0.0) * MAGNITUDE;EmitVertex();EndPrimitive();
}void main()
{GenerateLine(0); // 第一个顶点法线GenerateLine(1); // 第二个顶点法线GenerateLine(2); // 第三个顶点法线
}

4、片段着色器将它们显示为单色的线：

#version 330 core
out vec4 FragColor;void main()
{FragColor = vec4(1.0, 1.0, 0.0, 1.0);
}

4.8 实例化

4.8.1 基本概念

1、之前我们在渲染多个相同的物体时，都是使用循环的方法，但这样很快会因为绘制函数调用过多而达到性能瓶颈。因为OpenGL在绘制顶点数据之前需要做很多准备工作，比如：告诉GPU该从哪个缓冲读取数据，从哪寻找顶点属性，而且这些都是在相对缓慢的CPU到GPU总线上进行的。所以即便渲染顶点非常快，命令GPU去渲染却很慢。

for(unsigned int i = 0; i < amount_of_models_to_draw; i++)
{DoSomePreparations(); // 绑定VAO，绑定纹理，设置uniform等glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, amount_of_vertices);
}

2、将数据一次性从CPU发送到GPU，然后使用一个绘制函数让OpenGL利用这些数据绘制多个物体，这就是实例化(Instancing)。

3、实例化使用一个渲染调用来绘制多个物体，来节省每次绘制物体时CPU -> GPU的通信。渲染函数为glDrawArraysInstanced和glDrawElementsInstanced，函数需要设置渲染的实例个数。

3、利用上述函数渲染的每个物体都是完全相同的，而且还在同一个位置。所以需要利用顶点着色器中的内建变量gl_InstanceID。在使用实例化渲染调用时，gl_InstanceID会从0开始，在每个实例被渲染时递增1，每个实例都有唯一的ID，可以建立一个数组将ID与位置值对应起来，将每个实例放置在世界的不同位置。

4.8.2 实例化绘制

1、绘制100个2D四边形，索引一个包含100个偏移向量的uniform数组，将偏移值加到每个实例化的四边形上，得到一个排列整齐的四边形网格。

2、每个四边形由2个三角形所组成，一共有6个顶点。

float quadVertices[] = {// 位置          // 颜色-0.05f,  0.05f,  1.0f, 0.0f, 0.0f,0.05f, -0.05f,  0.0f, 1.0f, 0.0f,-0.05f, -0.05f,  0.0f, 0.0f, 1.0f,-0.05f,  0.05f,  1.0f, 0.0f, 0.0f,0.05f, -0.05f,  0.0f, 1.0f, 0.0f,   0.05f,  0.05f,  0.0f, 1.0f, 1.0f
};

3、片段着色器接受颜色向量，并将其设置为它的颜色输出：

#version 330 core
out vec4 FragColor;in vec3 fColor;void main()
{FragColor = vec4(fColor, 1.0);
}

4、顶点着色器中定义偏移向量offsets数组，使用gl_InstanceID来索引offsets数组，获取每个实例的偏移向量。

#version 330 core
layout (location = 0) in vec2 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aColor;out vec3 fColor;uniform vec2 offsets[100];void main()
{vec2 offset = offsets[gl_InstanceID];gl_Position = vec4(aPos + offset, 0.0, 1.0);fColor = aColor;
}

5、在进入渲染循环之前设置偏移位置，创建100个位移向量，表示10x10网格上的所有位置

glm::vec2 translations[100];
int index = 0;
float offset = 0.1f;
for(int y = -10; y < 10; y += 2)
{for(int x = -10; x < 10; x += 2){glm::vec2 translation;translation.x = (float)x / 10.0f + offset;translation.y = (float)y / 10.0f + offset;translations[index++] = translation;}
}

6、将数据转移到顶点着色器的uniform数组中，将for循环的计数器i转换为一个string，用它来动态创建位置值的字符串，用于uniform位置值的索引。

shader.use();
for(unsigned int i = 0; i < 100; i++)
{stringstream ss;string index;ss << i; index = ss.str(); shader.setVec2(("offsets[" + index + "]").c_str(), translations[i]);
}

7、使用glDrawArraysInstanced函数：

glBindVertexArray(quadVAO);
glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLES, 0, 6, 100);

4.8.3 实例化数组

1、当需要渲染远超过100个实例的时候，会超过最大能够发送至着色器的uniform数据大小上限。因此使用实例化数组，将其定义为一个顶点属性。

2、顶点着色器的每次运行都会获取新一组顶点属性。将顶点属性定义为一个实例化数组时，顶点着色器就只需要对每个实例，更新顶点属性的内容。这允许我们对逐顶点的数据使用普通的顶点属性，而对逐实例的数据使用实例化数组。

3、将偏移量uniform数组设置为一个实例化数组。在顶点着色器中添加一个顶点属性：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec2 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aColor;
layout (location = 2) in vec2 aOffset;out vec3 fColor;void main()
{gl_Position = vec4(aPos + aOffset, 0.0, 1.0);fColor = aColor;
}

4、实例化数组和position与color变量一样，都是顶点属性，需要将它的内容存在顶点缓冲对象中，并且配置它的属性指针。首先将translations数组存到一个新的缓冲对象中：

unsigned int instanceVBO;
glGenBuffers(1, &instanceVBO);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, instanceVBO);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(glm::vec2) * 100, &translations[0], GL_STATIC_DRAW);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);

4、然后需要设置它的顶点属性指针，并启用顶点属性。调用了glVertexAttribDivisor函数定义什么时候更新顶点属性的内容至新一组数据。它的第一个参数是需要的顶点属性，第二个参数是属性除数。属性除数是0表示顶点着色器的每次迭代时更新顶点属性。属性除数1表示在渲染一个新实例的时候更新顶点属性。而设置为2时表示每2个实例更新一次属性。

glEnableVertexAttribArray(2);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, instanceVBO);
glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 2 * sizeof(float), (void*)0);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
glVertexAttribDivisor(2, 1);

5、使用gl_InstanceID，从右上到左下逐渐缩小四边形，绘制的第一个四边形的实例会非常小，随着绘制实例的增加，gl_InstanceID会越来越接近100，四边形也就越来越接近原始大小。

void main()
{vec2 pos = aPos * (gl_InstanceID / 100.0);gl_Position = vec4(pos + aOffset, 0.0, 1.0);fColor = aColor;
}

4.8.4 小行星带

1、利用实例化渲染绘制一个行星带场景，所有的小行星都使用一个模型来表示，再使用不同的变换矩阵来进行少许的变化。

2、为每个小行星生成一个模型矩阵。首先将小行星的x和z位置变换到了一个半径为radius的圆形上，并且在半径的基础上偏移了-offset到offset。让y偏移的影响更小一点，让小行星带更扁平一点。接下来，应用了一个随机的缩放和旋转变换，并将最终的变换矩阵储存在modelMatrices中，这个数组的大小是amount。这里，我们一共生成1000个模型矩阵，每个小行星一个。

unsigned int amount = 1000;
glm::mat4 *modelMatrices;
modelMatrices = new glm::mat4[amount];
srand(glfwGetTime()); // 初始化随机种子
float radius = 50.0;
float offset = 2.5f;
for(unsigned int i = 0; i < amount; i++)
{glm::mat4 model;// 1. 位移：分布在半径为 'radius' 的圆形上，偏移的范围是 [-offset, offset]float angle = (float)i / (float)amount * 360.0f;float displacement = (rand() % (int)(2 * offset * 100)) / 100.0f - offset;float x = sin(angle) * radius + displacement;displacement = (rand() % (int)(2 * offset * 100)) / 100.0f - offset;float y = displacement * 0.4f; // 让行星带的高度比x和z的宽度要小displacement = (rand() % (int)(2 * offset * 100)) / 100.0f - offset;float z = cos(angle) * radius + displacement;model = glm::translate(model, glm::vec3(x, y, z));// 2. 缩放：在 0.05 和 0.25f 之间缩放float scale = (rand() % 20) / 100.0f + 0.05;model = glm::scale(model, glm::vec3(scale));// 3. 旋转：绕着一个（半）随机选择的旋转轴向量进行随机的旋转float rotAngle = (rand() % 360);model = glm::rotate(model, rotAngle, glm::vec3(0.4f, 0.6f, 0.8f));// 4. 添加到矩阵的数组中modelMatrices[i] = model;
}

2、在顶点着色器中，增加mat4的顶点属性，存储实例化数组的变换矩阵。顶点属性最大允许的数据大小等于一个vec4。因为一个mat4本质上是4个vec4，因此需要为这个矩阵预留4个顶点属性，矩阵每一列的顶点属性位置值就是3、4、5和6。

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoords;
layout (location = 3) in mat4 instanceMatrix;out vec2 TexCoords;uniform mat4 projection;
uniform mat4 view;void main()
{gl_Position = projection * view * instanceMatrix * vec4(aPos, 1.0); TexCoords = aTexCoords;
}

3、为这4个顶点属性设置属性指针，并将它们设置为实例化数组：

// 顶点缓冲对象
unsigned int buffer;
glGenBuffers(1, &buffer);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, buffer);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, amount * sizeof(glm::mat4), &modelMatrices[0], GL_STATIC_DRAW);for(unsigned int i = 0; i < rock.meshes.size(); i++)
{unsigned int VAO = rock.meshes[i].VAO;glBindVertexArray(VAO);// 顶点属性GLsizei vec4Size = sizeof(glm::vec4);glEnableVertexAttribArray(3); glVertexAttribPointer(3, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 4 * vec4Size, (void*)0);glEnableVertexAttribArray(4); glVertexAttribPointer(4, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 4 * vec4Size, (void*)(vec4Size));glEnableVertexAttribArray(5); glVertexAttribPointer(5, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 4 * vec4Size, (void*)(2 * vec4Size));glEnableVertexAttribArray(6); glVertexAttribPointer(6, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 4 * vec4Size, (void*)(3 * vec4Size));glVertexAttribDivisor(3, 1);glVertexAttribDivisor(4, 1);glVertexAttribDivisor(5, 1);glVertexAttribDivisor(6, 1);glBindVertexArray(0);
}

4、绘制小行星

instanceShader.use();
for(unsigned int i = 0; i < rock.meshes.size(); i++)
{glBindVertexArray(rock.meshes[i].VAO);glDrawElementsInstanced(GL_TRIANGLES, rock.meshes[i].indices.size(), GL_UNSIGNED_INT, 0, amount);
}