Unity-Shader-几何着色器

        几何着色器是可编程渲染管线中的一个可选阶段，位于顶点着色器之后和片段着色器之前。其核心能力在于动态生成和操作几何体图元。

一.图元

        了解图元是理解几何着色器的基础和前提，因为几何着色器的工作就是接收图元，然后输出图元。

几何着色器是以图元为单位工作的：

输入是图元： 几何着色器不像顶点着色器那样单独处理每个顶点。它的输入是一个完整的图元。这意味着它一次性接收构成一个点、一条线或一个三角形的所有顶点数据。例如，当它接收一个三角形时，它会同时获得这个三角形的三个顶点及其所有属性。

输出是图元： 同样地，几何着色器的输出也不是孤立的顶点，而是组织成完整图元（点、线或三角形）的顶点流。

1.什么是图元?

在计算机图形学中，图元是构成任何 3D 几何体的最基本构建块。 它们是图形硬件能够直接理解和渲染的最小单位。

主要的三种基本图元类型是：

点 (Points): 最简单的图元，由一个顶点定义。它没有面积或体积，只代表一个空间位置。

线 (Lines): 由两个顶点定义，连接这两个顶点形成一条线段。它只有长度，没有面积或体积。

三角形 (Triangles): 由三个顶点定义，这三个顶点构成一个平面多边形。

2.图元拓扑类型

在应用阶段，CPU需要向GPU提交一系列数据和命令供其渲染。
        应用阶段最重要的任务是输入装配(input assembler)。输入装配阶段会从显存中读取几何数据(顶点和索引)，再将它装配为几何图元(geometry primitive)。
        可是，单凭顶点和索引数据，GPU无法知道顶点究竟如何组成几何图元。例如，我们应将顶点2个一组解释成线段，还是3个一组解释为三角形呢？对此，我们需要通过指定图元拓扑(primitive topology) 来告诉GPU如何利用顶点数据来表示几何图元。

在DirectX中，基础图元拓扑类型有以下五种：点列表(point list)，线条带(line strip)，线列表(line list)，三角形带(triangle strip)，三角形列表(triangle list)。

      

3.图元与拓扑的关系

拓扑 (Topology) 是指几何对象的连接性 (Connectivity) 或结构关系，它描述了点、边、面之间是如何相互连接的，而不关注它们在空间中的具体位置或形状。

图元就是拓扑的基本表现形式：

顶点是拓扑的基本元素： 它们是构建所有图元的基础。

图元类型定义了局部拓扑：

点图元： 拓扑上是孤立的顶点。线图元： 拓扑上是两个顶点通过一条边相连。三角形图元： 拓扑上是三个顶点通过三条边相连，形成一个面。

多个图元组合形成复杂拓扑

二.几何着色器是什么

        几何着色器是可编程渲染管线中的一个可选阶段，位于顶点着色器之后和片段着色器之前。其核心能力在于动态生成和操作几何体图元。特点如下：

1.接收一个完整的图元（Primitive）作为输入： 它可以是点、线或三角形。

2.动态生成新的图元： 根据输入，它可以决定输出零个、一个或多个新的点、线或三角形。

3.修改图元类型： 例如，将一个点扩展成一个四边形（公告板），或者将一个线段扩展成一个带状物体。

几何着色器位于几何处理阶段的可选顶点处理阶段。

三.几何着色器的核心概念

几何着色器的一般格式：

[maxvertexcount(N)]
void geom(triangle Attributes input[3], inout TriangleStream<Varyings> stream)
{}

1.最大顶点数量

        [maxvertexcount(N)] 用来指定几何着色器单词调用所输出的顶点数量最大值。其中，N是几何着色器单次调用所输出的顶点数量最大值。几何着色器每次输出的顶点个数都可能不同，但是这个数量却不能超过之前定义的最大值。
        出于对性能方面的考虑，我们应当令maxvertexcount的值尽可能小。线管资料显示，GS每次输出的标量数量在1-20时，它将发挥出最佳的性能；而当27-40时，它的性能将下降到峰值性能的50%。

2.输入图元

几何着色器最根本的特点是它处理的单位是完整的图元。

顶点着色器中的输出结构需要与几何着色器的输入结构对应一致。

你的顶点着色器中返回的是什么类型，几何着色器的输入结构就是什么类型。

1.HLSL语法定义

point YourAttributesStruct input[1]
line YourAttributesStruct input[2]
triangle YourAttributesStruct input[3]

通过几何着色器函数的第一个参数来指定输入的图元类型。

2.输入图元类型

(1)点 (Point)

由一个顶点构成。

HLSL 定义:point InputStruct input[1] ,input[1]表示一个包含单个元素的数组。

input[0]即可访问该点的顶点数据。

何时使用: 当你希望将模型中的离散点（例如粒子系统的粒子、点云数据、骨骼关节）扩展成更复杂的几何体时（例如，将点变成公告板四边形）。

(2)线 (Line)

由两个顶点构成，连接形成一条线段。

HLSL 定义: line InputStruct input[2]

input[0] 和input[1]分别访问线段的起始点和结束点的顶点数据。

何时使用: 当你希望将模型中的线段（例如，线框模型、角色骨骼连接线、某些头发渲染中的发束）加粗、变成带状几何体或在其上生成其他结构时。

(3)三角形 (Triangle)

由三个顶点构成，形成一个平面。

HLSL 定义: triangle InputStruct input[3]

input[0]，input[1]，input[2] 分别访问三角形的三个顶点的顶点数据。

何时使用: 这是最常见的输入类型，当你希望从网格的面（例如，头皮表面、地形面）生成额外的几何体时（如 Fin Fur 毛发、草地、树叶等）。

3.输出图元流

        几何着色器不像顶点着色器那样直接return一个顶点，它通过向一个输出流 (Stream) 中Append 顶点来构建新的图元。这个流会累积你生成并追加（Append）入流的顶点，并根据流的类型自动将它们组织成图元。

        这里OutputStruct必须是几何着色器传递给片段着色器的数据结构。它至少需要包含SV_POSITION语义的裁剪空间位置。

1.HLSL语法定义

inout PointStream<YourOutputStruct> stream
inout LineStream<YourOutputStruct> stream
inout TriangleStream<YourOutputStruct> stream

        在HLSL中，几何着色器函数的第二个参数是标有inout修饰符的流类型(stream type) 。流类型存有一系列顶点，它们定义了几何着色器输出的几何图形。
流类型的本质是一种模板类型(template type)，其模板参数用以指定输出顶点的具体类型。

2.输出图元流类型

(1)PointStream<OutputStruct>

功能: 每次调用Apped()都会向流中添加一个顶点，并将其作为独立的点图元输出。

何时使用: 当希望从输入的几何体中提取或生成离散的点时。

(2)LineStream<OutputStruct>

功能: 每两次调用Append()会创建一个新的线段图元。如果连续Append多个顶点，它们将形成一个线段条带 (Line Strip)，每条新线段都会重用前一条线段的最后一个顶点。

何时使用: 当你希望从输入的几何体中生成线段、轮廓线或细长的带状物时。

示例:stream.Append(v3): 输出线段 (v2, v3)。

(3)TriangleStream<OutputStruct>

功能: 每三次调用Append()会创建一个新的三角形图元。如果连续Append多个顶点，它们将形成一个三角形条带 (Triangle Strip)，这意味着每个新三角形都会重用前两个三角形的顶点。

何时使用: 这是最常用的输出类型，当你希望从输入的图元中生成面片（例如毛发、草叶、将点转换为四边形）。

4.关键函数

(1)stream.Append(OutputStruct vertexData)

作用: 将几何着色器的输出数据追加到一个现有的图元流中。

参数: 接受一个OutputStruct类型的数据，其中包含了新生成顶点在裁剪空间的位置 (SV_POSITION)，以及该顶点需要传递给片段着色器的所有其他属性（如 UV、法线、颜色等）。

工作机制: GPU 会将这个顶点数据暂存起来，直到凑够构成一个完整图元所需的顶点数量（例如，对于TriangleStream需要三个顶点）。一旦凑够，该图元就会被发送到渲染管线的下一个阶段（光栅化器）。

消耗预算: 每次调用Append()都会消耗几何着色器[maxvertexcount(N)] 预算中的一个顶点。

(2)stream.ResatrtStrip()

作用: 仅用于LineStream和TriangleStream，强制结束当前的基元条带，开始一个新的条带。如果当前的条带没有足够的顶点被追加出来以填满基元拓扑结构，那么末端的不完整基元将被丢弃。

何时使用: 当你需要生成多个不连续的图元时。

例如: 如果你输入一个三角形，希望输出三个独立的四边形（而不是一个由 12 个顶点组成的连续三角形条带），那么在每生成一个四边形所需的四个顶点后，就需要调用 stream.ResatrtStrip()。这样下一个四边形的顶点将从一个新的条带开始，而不会与前一个四边形连接。

工作机制: 告诉GPU已经完成了当前这个条带的图元，请准备好接收下一个完全独立的图元序列。

参考文章

1.(90 封私信 / 80 条消息) Unity几何着色器详解 - 知乎