GLSL Tessellation Shader的编程入门介绍

Tessellation Shader是OpenGL4.0引入的新特性，由Tessellation
Control Shader和Tessellation
Evaluation Shader两部分构成，在管线中位于Vertex Shader和Geometry Shader中间。引入了这两个Shader之后的OpenGL管线如下图所示



这两个Shader正如其名，是为了做曲面细分而存在的。他们的输入叫Patch，是由多个顶点组成的一个结构；输出是图元（Primitive），也就是Geometry Shader输入输出的那个。

OpenGL中添加这两个Shader和添加其他Shader的过程类似，先create，链上代码，编译，最后连接到Shader程序。也就是调用glCreateShader，glShaderSource，glCompileShader，glAttachShader这几个函数。只提一下glCreateShader，建立Tessellation Control Shader用GL_TESS_CONTROL_SHADER，建立Tessellation
Evaluation Shader用GL_TESS_EVALUATION_SHADER。如下：

tcs_shader = glCreateShader(GL_TESS_CONTROL_SHADER);
tes_shader = glCreateShader(GL_TESS_EVALUATION_SHADER);

前面提到Tessellation Shader的输入是由多个顶点组成的Patch，这个Patch的顶点数是在OpenGL中调用glPatchParameteri指定的。

void glPatchParameteri​(GLenum pname​​, GLint value​​)

pname为GL_PATCH_VERTICES，value为每个Patch的顶点数。例如当你想让每个Patch由4个点组成时调用如下：

glPatchParameteri(GL_PATCH_VERTICES, 4);

在Tessellation Shader中每个Patch都是独立的，不存在Patch Strip之类的东西，需要与Geometry Shader中带邻接信息图元的概念区分开。如果你需要用到邻接信息，那么你只能让这个Patch包含所有你需要用到的顶点。例如你需要做一个参数曲面需要用到16个点而每个图元是一个三角形，那么你的Patch应该是由16个点而不是3个点组成。

OpenGL中的绘制函数也需要据此作出调整，例如使用VBO绘制时调用的glDrawArrays函数，第一个参数将不再是以往的GL_TRIANGLES之类的而将改为GL_PATCHES，后面的几个参数也应与你的Patch大小一致。以我的代码为例：

glPatchParameteri(GL_PATCH_VERTICES, 4);
glDrawElements(GL_PATCHES, MESH_RECTANGLE_NUM * 4, GL_UNSIGNED_INT, 0);

这里我Buffer了顶点坐标和索引数组，由于是索引绘制所以使用了glDrawElements，可以看到我每个Patch由4个顶点组成。在调用glDrawElements绘制时第一个参数为GL_PATCHES，第二个参数为顶点总数（四边形数量*4）。这里的索引数组与以往的三角形索引数组不同，因为每个patch是四边形所以应该是四边形的索引数组。

接下来真正开始讲Tessellation Shader的编程部分。Tessellation实质上是由3部分组成，首先进入Tessellation Control Shader，然后进入Tessellation Primitive Generation，最后是Tessellation Evaluation Shader。其中中间的Tessellation Primitive Generation部分是不可编程的。

Tessellation Control Shader的作用是指定细分的等级。首先要决定其输出Patch的size，通过：

layout(vertices = patch_size​) out;

一般这个patch_size与OpenGL中指定的相同。但官方文档中提到TCS可以用于改变patch的size，应该就是在这里改，不过我还没遇到过这种情况。官方的原文如下：

The TCS can change the size of a patch, adding more vertices per-patch or providing fewer. However, a TCS cannot discard
a patch (directly; it can do so indirectly), nor can it write multiple patches.

其输入常用的如下两个：

in int gl_InvocationID;

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

gl_InvocationID是Patch中顶点的索引数；

gl_in中是每个顶点的信息，包括位置、大小和裁剪距离（这个gl_ClipDistance没用过，不清楚它的值具体是什么含义）。

输出常用的有：

patch out float gl_TessLevelOuter[4];
patch out float gl_TessLevelInner[2];

out gl_PerVertex
{
vec4 gl_Position;
float gl_PointSize;
float gl_ClipDistance[];
} gl_out[];

这两个TessLevel下面再提，gl_out和上面的gl_in相同，一般都是简单的pass through，如

gl_out[gl_InvocationID].gl_Position = gl_in[gl_InvocationID].gl_Position;

这行代码的意思是将index为gl_InvocationID的顶点的输入坐标直接作为输出坐标，该操作会对Patch中所有的顶点进行。

Tessellation Control Shader的核心就是gl_TessLevelOuter和gl_TessLevelInner，前者决定外围的细分等级，后者决定内部的细分等级。其数值代表将该段分为几部分，即如果值为2，那么就是在中间插入1个点分为两段。为了便于理解我给个小例子：

对一个四边形做双线性插值，其细分等级如下：

gl_TessLevelOuter[0] = float(2);
gl_TessLevelOuter[1] = float(3);
gl_TessLevelOuter[2] = float(4);
gl_TessLevelOuter[3] = float(5);
gl_TessLevelInner[0] = float(2);
gl_TessLevelInner[1] = float(3);

结果如下图：



Outer分别对应了四边形的外面四条边，按右上左下的顺序。Inner对应了四边形内部的左右和上下。

需要注意的是这两个Level的类型都是float。

接下来的Tessellation Primitive Generation部分会被Tessellation Evaluation Shader中的一些设置影响所以就先说Tessellation Evaluation Shader。

Tessellation Evaluation Shader首先是决定数据类型，如：

layout( quads, equal_spacing, cw ) in;

其输入控制有三部分，分别为：

Abstract patch tpye：

isolines，输入为一系列平行线，输出为一系列的线；

triangles，输入为一个三角形，输出为一系列三角形；

quads，输入为一个四边形，输出为一系列三角形。

Spacing：

equal_spacing，插值点之间均匀；

fractional_even_spacing，分段数量为偶数；

fractional_odd_spacing，分段数量为奇数。

Primitive odering：

cw，顺时针；

ccw，逆时针。

其中Spacing中的两个不太好理解，在上例基础上做些更改，

fractional_even_spacing：



fractional_odd_spacing：



也就是说，fractional_even_spacing先将非偶数的分割段变成偶数分割，然后保证偶数分割段长度相等，fractional_odd_spacing类比。（不知道有没有讲清楚，这个比较蛋疼）

最后再提一点，Tessellation一般都是在局部坐标系下进行，因此vertex shader往往是pass through，因而需要在Tessellation Shader中进行model view projection，但Tessellation是OpenGL4.0的特性，已经取消了ftransform()等，所以需要自己传矩阵，如：

uniform mat4 ModelViewMatrix;
uniform mat4 ProjectionMatrix;

在OpenGL中传入这两个矩阵

glGetFloatv(GL_MODELVIEW_MATRIX, model_view_matrix);
glGetFloatv(GL_PROJECTION_MATRIX, projection_matrix);
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(shader_program, "ModelViewMatrix"), 1, GL_FALSE, model_view_matrix);
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(shader_program, "ProjectionMatrix"), 1, GL_FALSE, projection_matrix);	//model view projecction 矩阵