????????幾何著色器是可編程渲染管線中的一個可選階段，位于頂點著色器之后和片段著色器之前。其核心能力在于動態生成和操作幾何體圖元。

一.圖元

????????了解圖元是理解幾何著色器的基礎和前提，因為幾何著色器的工作就是接收圖元，然后輸出圖元。

幾何著色器是以圖元為單位工作的：

輸入是圖元： 幾何著色器不像頂點著色器那樣單獨處理每個頂點。它的輸入是一個完整的圖元。這意味著它一次性接收構成一個點、一條線或一個三角形的所有頂點數據。例如，當它接收一個三角形時，它會同時獲得這個三角形的三個頂點及其所有屬性。

輸出是圖元： 同樣地，幾何著色器的輸出也不是孤立的頂點，而是組織成完整圖元（點、線或三角形）的頂點流。

1.什么是圖元?

在計算機圖形學中，圖元是構成任何 3D 幾何體的最基本構建塊。 它們是圖形硬件能夠直接理解和渲染的最小單位。

主要的三種基本圖元類型是：

點 (Points): 最簡單的圖元，由一個頂點定義。它沒有面積或體積，只代表一個空間位置。

線 (Lines): 由兩個頂點定義，連接這兩個頂點形成一條線段。它只有長度，沒有面積或體積。

三角形 (Triangles): 由三個頂點定義，這三個頂點構成一個平面多邊形。

2.圖元拓撲類型

在應用階段，CPU需要向GPU提交一系列數據和命令供其渲染。
????????應用階段最重要的任務是輸入裝配(input assembler)。輸入裝配階段會從顯存中讀取幾何數據(頂點和索引)，再將它裝配為幾何圖元(geometry primitive)。
????????可是，單憑頂點和索引數據，GPU無法知道頂點究竟如何組成幾何圖元。例如，我們應將頂點2個一組解釋成線段，還是3個一組解釋為三角形呢？對此，我們需要通過指定圖元拓撲(primitive topology)?來告訴GPU如何利用頂點數據來表示幾何圖元。

在DirectX中，基礎圖元拓撲類型有以下五種：點列表(point list)，線條帶(line strip)，線列表(line list)，三角形帶(triangle strip)，三角形列表(triangle list)。

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3.圖元與拓撲的關系

拓撲 (Topology) 是指幾何對象的連接性 (Connectivity) 或結構關系，它描述了點、邊、面之間是如何相互連接的，而不關注它們在空間中的具體位置或形狀。

圖元就是拓撲的基本表現形式：

頂點是拓撲的基本元素： 它們是構建所有圖元的基礎。

圖元類型定義了局部拓撲：

點圖元： 拓撲上是孤立的頂點。線圖元： 拓撲上是兩個頂點通過一條邊相連。三角形圖元： 拓撲上是三個頂點通過三條邊相連，形成一個面。

多個圖元組合形成復雜拓撲

二.幾何著色器是什么

????????幾何著色器是可編程渲染管線中的一個可選階段，位于頂點著色器之后和片段著色器之前。其核心能力在于動態生成和操作幾何體圖元。特點如下：

1.接收一個完整的圖元（Primitive）作為輸入： 它可以是點、線或三角形。

2.動態生成新的圖元： 根據輸入，它可以決定輸出零個、一個或多個新的點、線或三角形。

3.修改圖元類型： 例如，將一個點擴展成一個四邊形（公告板），或者將一個線段擴展成一個帶狀物體。

幾何著色器位于幾何處理階段的可選頂點處理階段。

三.幾何著色器的核心概念

幾何著色器的一般格式：

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

1.最大頂點數量

????????[maxvertexcount(N)] 用來指定幾何著色器單詞調用所輸出的頂點數量最大值。其中，N是幾何著色器單次調用所輸出的頂點數量最大值。幾何著色器每次輸出的頂點個數都可能不同，但是這個數量卻不能超過之前定義的最大值。
????????出于對性能方面的考慮，我們應當令maxvertexcount的值盡可能小。線管資料顯示，GS每次輸出的標量數量在1-20時，它將發揮出最佳的性能；而當27-40時，它的性能將下降到峰值性能的50%。

2.輸入圖元

幾何著色器最根本的特點是它處理的單位是完整的圖元。

頂點著色器中的輸出結構需要與幾何著色器的輸入結構對應一致。

你的頂點著色器中返回的是什么類型，幾何著色器的輸入結構就是什么類型。

1.HLSL語法定義

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

通過幾何著色器函數的第一個參數來指定輸入的圖元類型。

2.輸入圖元類型

(1)點 (Point)

由一個頂點構成。

HLSL 定義:point InputStruct input[1] ,input[1]表示一個包含單個元素的數組。

input[0]即可訪問該點的頂點數據。

何時使用: 當你希望將模型中的離散點（例如粒子系統的粒子、點云數據、骨骼關節）擴展成更復雜的幾何體時（例如，將點變成公告板四邊形）。

(2)線 (Line)

由兩個頂點構成，連接形成一條線段。

HLSL 定義: line?InputStruct input[2]

input[0] 和input[1]分別訪問線段的起始點和結束點的頂點數據。

何時使用: 當你希望將模型中的線段（例如，線框模型、角色骨骼連接線、某些頭發渲染中的發束）加粗、變成帶狀幾何體或在其上生成其他結構時。

(3)三角形 (Triangle)

由三個頂點構成，形成一個平面。

HLSL 定義: triangle?InputStruct input[3]

input[0]，input[1]，input[2] 分別訪問三角形的三個頂點的頂點數據。

何時使用: 這是最常見的輸入類型，當你希望從網格的面（例如，頭皮表面、地形面）生成額外的幾何體時（如?Fin Fur 毛發、草地、樹葉等）。

3.輸出圖元流

????????幾何著色器不像頂點著色器那樣直接return一個頂點，它通過向一個輸出流 (Stream) 中Append?頂點來構建新的圖元。這個流會累積你生成并追加（Append）入流的頂點，并根據流的類型自動將它們組織成圖元。

????????這里OutputStruct必須是幾何著色器傳遞給片段著色器的數據結構。它至少需要包含SV_POSITION語義的裁剪空間位置。

1.HLSL語法定義

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

????????在HLSL中，幾何著色器函數的第二個參數是標有inout修飾符的流類型(stream type)?。流類型存有一系列頂點，它們定義了幾何著色器輸出的幾何圖形。
流類型的本質是一種模板類型(template type)，其模板參數用以指定輸出頂點的具體類型。

2.輸出圖元流類型

(1)PointStream<OutputStruct>

功能: 每次調用Apped()都會向流中添加一個頂點，并將其作為獨立的點圖元輸出。

何時使用: 當希望從輸入的幾何體中提取或生成離散的點時。

(2)LineStream<OutputStruct>

功能: 每兩次調用Append()會創建一個新的線段圖元。如果連續Append多個頂點，它們將形成一個線段條帶 (Line Strip)，每條新線段都會重用前一條線段的最后一個頂點。

何時使用: 當你希望從輸入的幾何體中生成線段、輪廓線或細長的帶狀物時。

示例:stream.Append(v3):?輸出線段 (v2, v3)。

(3)TriangleStream<OutputStruct>

功能: 每三次調用Append()會創建一個新的三角形圖元。如果連續Append多個頂點，它們將形成一個三角形條帶 (Triangle Strip)，這意味著每個新三角形都會重用前兩個三角形的頂點。

何時使用: 這是最常用的輸出類型，當你希望從輸入的圖元中生成面片（例如毛發、草葉、將點轉換為四邊形）。

4.關鍵函數

(1)stream.Append(OutputStruct vertexData)

作用: 將幾何著色器的輸出數據追加到一個現有的圖元流中。

參數: 接受一個OutputStruct類型的數據，其中包含了新生成頂點在裁剪空間的位置 (SV_POSITION)，以及該頂點需要傳遞給片段著色器的所有其他屬性（如 UV、法線、顏色等）。

工作機制: GPU 會將這個頂點數據暫存起來，直到湊夠構成一個完整圖元所需的頂點數量（例如，對于TriangleStream需要三個頂點）。一旦湊夠，該圖元就會被發送到渲染管線的下一個階段（光柵化器）。

消耗預算: 每次調用Append()都會消耗幾何著色器[maxvertexcount(N)]?預算中的一個頂點。

(2)stream.ResatrtStrip()

作用: 僅用于LineStream和TriangleStream，強制結束當前的基元條帶，開始一個新的條帶。如果當前的條帶沒有足夠的頂點被追加出來以填滿基元拓撲結構，那么末端的不完整基元將被丟棄。

何時使用: 當你需要生成多個不連續的圖元時。

例如: 如果你輸入一個三角形，希望輸出三個獨立的四邊形（而不是一個由 12 個頂點組成的連續三角形條帶），那么在每生成一個四邊形所需的四個頂點后，就需要調用 stream.ResatrtStrip()。這樣下一個四邊形的頂點將從一個新的條帶開始，而不會與前一個四邊形連接。

工作機制: 告訴GPU已經完成了當前這個條帶的圖元，請準備好接收下一個完全獨立的圖元序列。

參考文章

1.(90 封私信 / 80 條消息) Unity幾何著色器詳解 - 知乎