LearnOpenGL学习（高级OpenGL -＞ 高级GLSL，几何着色器，实例化）

完整代码见：zaizai77/Cherno-OpenGL: OpenGL 小白学习之路

高级GLSL

内建变量

顶点着色器

gl_PointSoze : float 输出变量，用于控制渲染 GL_POINTS 型图元时，点的大小。可用于粒子系统。将其设置为 gl_Position.z 时，可以使点的距离越远，大小越大。创建出类似近视眼看远处灯光的效果

glEnable(GL_PROGRAM_POINT_SIZE);   //也是需要开启

void main()
{gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);    gl_PointSize = gl_Position.z;    
}

gl_vertexID: int 型输入变量（只读），存储了正在绘制顶点的ID（当（使用glDrawElements）进行索引渲染的时候，这个变量会存储正在绘制顶点的当前索引。当（使用glDrawArrays）不使用索引进行绘制的时候，这个变量会储存从渲染调用开始的已处理顶点数量。）

片段着色器

gl_FragCoord: vec4型输出变量。存储了屏幕空间坐标（x,y ，以窗口左下角为原点）和图元深度值（z，0 - 1）.常用来获取深度值。

我们已经使用glViewport设定了一个800x600的窗口了，所以片段窗口空间坐标的x分量将在0到800之间，y分量在0到600之间。

void main()
{             if(gl_FragCoord.x < 400)FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);elseFragColor = vec4(0.0, 1.0, 0.0, 1.0);        
}

gl_FrontFacing:  bool 型输入变量。标记了当前图元是否为正面

#version 330 core
out vec4 FragColor;in vec2 TexCoords;uniform sampler2D frontTexture;
uniform sampler2D backTexture;void main()
{             if(gl_FrontFacing)FragColor = texture(frontTexture, TexCoords);elseFragColor = texture(backTexture, TexCoords);
}

给立方体里外使用不同的纹理：

 

gl_FragDepth ：float 型输出变量。用于手动设置片段的深度值。在片段着色器中出现后，Early-Z 将被禁用

gl_FragDepth = 0.0; // 这个片段现在的深度值为 0.0
//如果着色器没有写入值到gl_FragDepth，它会自动取用gl_FragCoord.z的值。

从OpenGL 4.2起，我们仍可以对两者进行一定的调和，在片段着色器的顶部使用深度条件(Depth Condition)重新声明gl_FragDepth变量：

layout (depth_<condition>) out float gl_FragDepth;

这样子的话，当深度值比片段的深度值要小的时候，OpenGL仍是能够进行提前深度测试的。

接口块

但当程序变得更大时，你希望发送的可能就不只是几个变量了，它还可能包括数组和结构体。

接口块的声明和struct的声明有点相像，不同的是，现在根据它是一个输入还是输出块(Block)，使用in或out关键字来定义的。

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec2 aTexCoords;uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;out VS_OUT
{vec2 TexCoords;
} vs_out;void main()
{gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);    vs_out.TexCoords = aTexCoords;
}

这次我们声明了一个叫做vs_out的接口块，它打包了我们希望发送到下一个着色器中的所有输出变量

之后，我们还需要在下一个着色器，即片段着色器，中定义一个输入接口块。

#version 330 core
out vec4 FragColor;in VS_OUT
{vec2 TexCoords;
} fs_in;uniform sampler2D texture;void main()
{             FragColor = texture(texture, fs_in.TexCoords);   
}

只要两个接口块的名字一样，它们对应的输入和输出将会匹配起来。这是帮助你管理代码的又一个有用特性，它在几何着色器这样穿插特定着色器阶段的场景下会很有用。

Uniform 缓冲对象

OpenGL为我们提供了一个叫做Uniform缓冲对象(Uniform Buffer Object)的工具，它允许我们定义一系列在多个着色器程序中相同的全局Uniform变量。当使用Uniform缓冲对象的时候，我们只需要设置相关的uniform一次。

因为Uniform缓冲对象仍是一个缓冲，我们可以使用glGenBuffers来创建它，将它绑定到GL_UNIFORM_BUFFER缓冲目标，并将所有相关的uniform数据存入缓冲。在Uniform缓冲对象中储存数据是有一些规则的

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;layout (std140) uniform Matrices
{mat4 projection;mat4 view;
};uniform mat4 model;void main()
{gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
}

这里，我们声明了一个叫做Matrices的Uniform块，它储存了两个4x4矩阵。Uniform块中的变量可以直接访问，不需要加块名作为前缀。

接下来，我们在OpenGL代码中将这些矩阵值存入缓冲中，每个声明了这个Uniform块的着色器都能够访问这些矩阵。

其中，layout(std140) 指定了Uniform块布局。默认情况下，Uniform块布局是Shared型，这类布局的各变量偏移量会随设备和系统的不同而变化。但我们希望Uniform块中各变量的偏移量能被手工计算出，以便让块内各变量能与UBO中各变量相对应。std140布局便是我们需要的。

在std140布局中，每个变量都有一个基准对齐量（Base Alignment），它是一个变量在Uniform块中占据的空间。每个变量还有一个对齐偏移量（Aligned Offset），它是一个变量从块起始位置的偏移量，它必须是Base Alignment的倍数。简而言之，前者是size，后者是offset。

Uniform 块布局

Uniform块的内容是储存在一个缓冲对象中的，它实际上只是一块预留内存。因为这块内存并不会保存它具体保存的是什么类型的数据，我们还需要告诉OpenGL内存的哪一部分对应着着色器中的哪一个uniform变量。

假设着色器中有以下的这个Uniform块：

layout (std140) uniform ExampleBlock
{float value;vec3  vector;mat4  matrix;float values[3];bool  boolean;int   integer;
};

4 字节是 1 N

layout (std140) uniform ExampleBlock
{// 基准对齐量       // 对齐偏移量float value;     // 4               // 0 vec3 vector;     // 16              // 16  (必须是16的倍数，所以 4->16)mat4 matrix;     // 16              // 32  (列 0)// 16              // 48  (列 1)// 16              // 64  (列 2)// 16              // 80  (列 3)float values[3]; // 16              // 96  (values[0])// 16              // 112 (values[1])// 16              // 128 (values[2])bool boolean;    // 4               // 144int integer;     // 4               // 148
}; 

使用 Uniform 缓冲

我们已经讨论了如何在着色器中定义Uniform块，并设定它们的内存布局了，但我们还没有讨论该如何使用它们。

首先，我们需要调用glGenBuffers，创建一个Uniform缓冲对象。一旦我们有了一个缓冲对象，我们需要将它绑定到GL_UNIFORM_BUFFER目标，并调用glBufferData，分配足够的内存。

unsigned int uboExampleBlock;
glGenBuffers(1, &uboExampleBlock);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboExampleBlock);
glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 152, NULL, GL_STATIC_DRAW); // 分配152字节的内存
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

在OpenGL上下文中，定义了一些绑定点(Binding Point)，我们可以将一个Uniform缓冲链接至它。在创建Uniform缓冲之后，我们将它绑定到其中一个绑定点上，并将着色器中的Uniform块绑定到相同的绑定点，把它们连接到一起。下面的这个图示展示了这个：

我们可以绑定多个Uniform缓冲到不同的绑定点上。因为着色器A和着色器B都有一个链接到绑定点0的Uniform块，它们的Uniform块将会共享相同的uniform数据，uboMatrices，前提条件是两个着色器都定义了相同的Matrices Uniform块。

为了将Uniform块绑定到一个特定的绑定点中，我们需要调用glUniformBlockBinding函数，它的第一个参数是一个程序对象，之后是一个Uniform块索引和链接到的绑定点。Uniform块索引(Uniform Block Index)是着色器中已定义Uniform块的位置值索引。这可以通过调用glGetUniformBlockIndex来获取，它接受一个程序对象和Uniform块的名称。我们可以用以下方式将图示中的Lights Uniform块链接到绑定点2：

unsigned int lights_index = glGetUniformBlockIndex(shaderA.ID, "Lights");   
glUniformBlockBinding(shaderA.ID, lights_index, 2);

接下来，我们还需要绑定Uniform缓冲对象到相同的绑定点上，这可以使用glBindBufferBase或glBindBufferRange来完成。

glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER, 2, uboExampleBlock); 
// 或
glBindBufferRange(GL_UNIFORM_BUFFER, 2, uboExampleBlock, 0, 152);
//glBindBufferRange函数，它需要一个附加的偏移量和大小参数，
//这样子你可以绑定Uniform缓冲的特定一部分到绑定点中。

使用：

//创建UBO
unsigned int UBO;
glGenBuffers(1,&UBO);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER,UBO);
glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER,152,NULL,GL_STATIC_DRAW);
//获取Uniform块索引
unsigned int UBI = glGetUniformBlockIndex(shader.ID,"Matrices");
//绑定块索引至绑定点
glUniformBlockBinding(shader.ID,UBI,0);
//绑定UBO到绑定点
glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER,0,UBO);
//传输数据
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER,0,sizeof(glm::mat4),value_ptr(projection));
//解绑
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER,0);

使用UBO的好处主要在于：设置一个UBO，改变所有绑定的着色器中的块；提高着色器中允许存在的uniform数量。

//shader#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;layout (std140) uniform Matrices
{mat4 projection;mat4 view;
};
uniform mat4 model;void main()
{gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
}//.cpp//首先，我们将顶点着色器的Uniform块设置为绑定点0。注意我们需要对每个着色器都设置一遍。
unsigned int uniformBlockIndexRed    = glGetUniformBlockIndex(shaderRed.ID, "Matrices");
unsigned int uniformBlockIndexGreen  = glGetUniformBlockIndex(shaderGreen.ID, "Matrices");
unsigned int uniformBlockIndexBlue   = glGetUniformBlockIndex(shaderBlue.ID, "Matrices");
unsigned int uniformBlockIndexYellow = glGetUniformBlockIndex(shaderYellow.ID, "Matrices");  glUniformBlockBinding(shaderRed.ID,    uniformBlockIndexRed, 0);
glUniformBlockBinding(shaderGreen.ID,  uniformBlockIndexGreen, 0);
glUniformBlockBinding(shaderBlue.ID,   uniformBlockIndexBlue, 0);
glUniformBlockBinding(shaderYellow.ID, uniformBlockIndexYellow, 0);//接下来，我们创建Uniform缓冲对象本身，并将其绑定到绑定点0：
unsigned int uboMatrices
glGenBuffers(1, &uboMatrices);glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboMatrices);
glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 2 * sizeof(glm::mat4), NULL, GL_STATIC_DRAW);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);glBindBufferRange(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, uboMatrices, 0, 2 * sizeof(glm::mat4));//填充数据
glm::mat4 projection = glm::perspective(glm::radians(45.0f), (float)width/(float)height, 0.1f, 100.0f);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboMatrices);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, sizeof(glm::mat4), glm::value_ptr(projection));
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);glm::mat4 view = camera.GetViewMatrix();           
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboMatrices);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, sizeof(glm::mat4), sizeof(glm::mat4), glm::value_ptr(view));
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);//绘制
glBindVertexArray(cubeVAO);
shaderRed.use();
glm::mat4 model;
model = glm::translate(model, glm::vec3(-0.75f, 0.75f, 0.0f));  // 移动到左上角
shaderRed.setMat4("model", model);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);        
// ... 绘制绿色立方体
// ... 绘制蓝色立方体
// ... 绘制黄色立方体 

几何着色器

几何着色器（Geometry Shader）位于顶点着色器和片段着色器之间，它的输入是一个图元的一组顶点，用于在将其发送到下一个着色器阶段前对其进行变换。几何着色器可以把一组顶点变化为不同的图元，也可以生成更多的顶点。

例子：

#version 330 core
//声明从顶点着色器传入的图元类型
//图元类型包括：points(GL_POINTS)、lines(GL_LINES/GL_LINES_STRIP)、
//lines_adjacency(GL_LINES_ADJACENCY/GL_LINE_STRIP_ADJACENCY)、
//triangles(GL_TRIANGLES/GL_TRIANGLE_STRIP/GL_TRIANGLE_FAN)、
//triangless_adjacency(GL_TRIANGLES_ADJACENCY/GL_TRIANGLE_STRIP_ADJACENCY)
layout (points) in;
//声明输出的图元类型。可接受points、line_strip、triangle_strip
//同时需要声明输出的最大顶点数
layout (line_strip, max_vertices = 2) out;void main() {    //gl_in是一个内建接口块数组（因为图元不止一个顶点），
//其中包含gl_Position、gl_PointSize和gl_CLipDistance[]。//这里的gl_Position作为一个临时变量，用于存储新顶点的位置。gl_Position = gl_in[0].gl_Position + vec4(-0.1, 0.0, 0.0, 0.0); //调用EmitVertex后,将在gl_Position所处的位置生成一个新顶点EmitVertex();gl_Position = gl_in[0].gl_Position + vec4( 0.1, 0.0, 0.0, 0.0);EmitVertex();//调用EndPrimitive后，Emit的顶点将被合成为指定的图元。EndPrimitive();
}

为了生成更有意义的结果，我们需要某种方式来获取前一着色器阶段的输出。GLSL提供给我们一个内建(Built-in)变量，在内部看起来（可能）是这样的：

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

它被声明为一个数组，因为大多数的渲染图元包含多于1个的顶点，而几何着色器的输入是一个图元的所有顶点。

有了之前顶点着色器阶段的顶点数据，我们就可以使用2个几何着色器函数，EmitVertex和EndPrimitive，来生成新的数据了。几何着色器希望你能够生成并输出至少一个定义为输出的图元。在我们的例子中，我们需要至少生成一个线条图元。

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();
}

每次我们调用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(Emitted)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。

在这个例子中，我们发射了两个顶点，它们从原始顶点位置平移了一段距离，之后调用了EndPrimitive，将这两个顶点合成为一个包含两个顶点的线条。

//本来的绘制函数

glDrawArrays(GL_POINTS, 0, 4);

使用几何着色器

创建几何着色器：

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

利用点创造房子：

通过使用三角形带作为几何着色器的输出，我们可以很容易创建出需要的房子形状，只需要以正确的顺序生成3个相连的三角形就行了。下面这幅图展示了顶点绘制的顺序，蓝点代表的是输入点：

 几何着色器：

#version 330 core
layout (points) in;
layout (triangle_strip, max_vertices = 5) out;void build_house(vec4 position)
{    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);
}

这个几何着色器生成了5个顶点，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。最终的图元会被光栅化，然后片段着色器会处理整个三角形带，最终在每个绘制的点处生成一个绿色房子：

还可以设置颜色：

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();  

爆破物体

参考：高级GLSL - LearnOpenGL CN

LearnOpenGL学习笔记（十） - 高级GLSL、几何着色器、实例化与抗锯齿 - Yoi's Home