几何着色器、图元扩增与坐标契约

为什么逐顶点处理还不够

前面那条流水线，工位是固定死的：顶点着色器一次只搬一个顶点、片段着色器一次只涂一个像素，谁都不能凭空多造或扔掉零件。送进去三个顶点，出来还是这三个顶点围的那一片，形状增不了也减不了。

这一章在流水线中段插一道能动剪刀的加工工位：上一道工序送来一整个零件（一个点、一根线、一片三角形），这道工位可以把它改造、复制、裁掉、甚至凭空多生出几个新零件再往下送。于是一个孤零零的点能当场长成一面小广告牌，一片三角形能炸成漫天飞溅的碎片，每个面还能顺手长出一根「法线毛刺」。

没有它也不是「什么都动不了」：顶点着色器仍能移动已有顶点，实例化或 CPU 也能预先准备更多数据。缺的是这道按完整图元临时扩增或重组的工位。想让一个点长出房子、在一次调用里把多条线段分组输出、或把顶点法线画出来，就得换工具。但这里有个本站绕不过去的坎：这道工位在桌面 OpenGL 上有，在本站跑的 WebGL2 上压根没有——这一点 §3 一开口就得跟你讲清楚，绝不糊弄。

几何着色器：管线中段那把能动的剪刀

这道能动剪刀就是 几何着色器（geometry shader）：它是经典桌面 OpenGL 顶点着色器到光栅化路径里的一道可选阶段。顶点着色器逐顶点处理完后，它一次收下一个完整图元；它可以增、删、改这个图元，输出零个、一个或多个新图元，再送往光栅化。

它在管线里的位置很关键：

和前两个着色器最大的不同在于「能不能按完整图元改变输出序列」：顶点着色器一进一出（一个顶点进、一个顶点出），片段着色器一片段一片段地涂；而几何着色器一次拿到完整图元，再决定发多少顶点、怎样分成输出图元。这正是它能做点造房子、长法线、图元级爆破的根。

图元、输入输出类型：这把剪刀收什么、出什么

几何着色器处理的单位是 图元（primitive）——点、线、三角形这种最小绘制单元。用它之前，你得先在着色器顶上声明这把剪刀收什么、出什么，靠两行 layout：

• 输入类型：layout(points) in; / layout(lines) in; / layout(triangles) in; ——告诉它每次收到的是 1 个点、2 个顶点的线、还是 3 个顶点的三角形。收进来的这组顶点放在内建数组 gl_in[] 里，gl_in[0].gl_Position、gl_in[1].gl_Position …… 就是它们各自的位置。
• 输出类型 + 上限：layout(triangle_strip, max_vertices = 3) out; ——告诉它你打算输出哪种图元（点 points / 线带 line_strip / 三角形带 triangle_strip），以及最多发多少个顶点，也就是 max_vertices。

输入和输出类型完全可以不一样——这正是它的魔力所在：输入一个点，输出一片三角形带（点造广告牌）；输入一片三角形，输出还是三角形但顶点被推开了（爆破）。怎么把声明好的顶点真正「发出去」，看下一节这两个动作。

EmitVertex 与 EndPrimitive：一个一个发、发完收尾

声明好类型，几何着色器在 main 里靠两个内建函数干活。先是 EmitVertex()：你先写好一个位置和要传给下一阶段的数据，再调一次 EmitVertex()，就等于「把这个顶点发出去」；想要几个顶点就调几次。然后是 EndPrimitive()：当一次调用要输出多个图元时，调它把当前一段和下一段分开；若只输出一个图元，调用末尾的 EndPrimitive() 是清晰的显式写法，但不是语义上的必需条件。

下面这张图把「一个点 → 发 4 个顶点 → 收尾成一个四边形」整套走一遍：

记住这个节奏：写好所有输出 → EmitVertex()，重复 N 次；需要在同一次调用内再开一条输出 strip 时才用 EndPrimitive() 分段。max_vertices 必须覆盖实际最坏路径的 EmitVertex 次数；超过它的执行结果不应依赖。

原书的第一个完整例子：一个点造一栋三角形带房子

原教程并不止造一个四边形：它让每个输入点输出 5 个顶点。triangle_strip 的前 3 个顶点组成第一个三角形，之后每多一个顶点再多一个三角形，所以 5 个顶点正好形成房身两片 + 屋顶一片的 3 个三角形：

layout(points) in;
layout(triangle_strip, max_vertices = 5) out;
 
void build_house(vec4 p) {
  gl_Position = p + vec4(-.2, -.2, 0, 0); EmitVertex();
  gl_Position = p + vec4( .2, -.2, 0, 0); EmitVertex();
  gl_Position = p + vec4(-.2,  .2, 0, 0); EmitVertex();
  gl_Position = p + vec4( .2,  .2, 0, 0); EmitVertex();
  gl_Position = p + vec4(  0,  .4, 0, 0); EmitVertex();
  EndPrimitive();
}

这就是原书的核心转换：一次 GL_POINTS 绘制没有改变，几何阶段却把每个输入点扩增为一栋由三角形带组成的房子。max_vertices = 5 不是随手填的性能开关，而是该执行路径的明确输出契约。

面法线与爆破：让三角形沿法线飞出去

本章的招牌效果是爆破 explode：把模型的每个三角形沿着它自己朝外的方向整体推开一段，模型就像被炸成漫天飞溅的碎片。这「朝外的方向」就是这个三角形的 面法线（face normal）——用三角形的两条边叉乘再归一化就能算出来（normalize(cross(a, b))）。

有了面法线，爆破就是一句话：让三角形的三个顶点都沿这个法线方向平移同样一段距离 magnitude，三角形整体被推离原位、又不变形。下面这张图把「紧凑的原模型」和「各片沿法线炸开」并排画出来（绿箭头就是各片的面法线 / 推开方向）：

注意一个细节：爆破推的是面法线（整片三角形共一个、朝外），不是顶点法线（每个顶点一个、用于光照）。因为几何着色器手里正好攥着一个三角形的三个顶点，当场叉乘算面法线最方便。magnitude 让它随时间从 0 涨到某个值，模型就有了「逐渐炸开」的动画——这正是 §5 和 §6 要拆的主菜。

这里要多补一条工程契约：叉乘求法线、加位移的 position，必须在同一个线性坐标空间。原教程的 gl_in[].gl_Position 版本适合把几何阶段和 EmitVertex 的机制讲清；做带透视投影的通用工程实现时，更稳妥的路径是顶点着色器另行输出模型 / 世界 / 观察空间的位置，几何着色器在该空间算 cross 和位移，最后才乘投影矩阵。不要把已做透视投影的裁剪坐标当作通用的法线和位移空间。

单步走一遍：几何着色器到底在干什么

把上面几节串起来，用三步走完「几何着色器在管线哪、怎么发顶点造图元、怎么爆破」整套直觉。

猜一猜：几何着色器输入一个孤零零的点，最后却能在屏幕上画出一片四边形——一个 0 维的点，凭空变出了一片有面积的面。它是怎么「无中生有」造出这片面的？先想一想，再单步走下面三步。

每一步左边画这一步的几何、右边的小字说这一步做了什么，盯着「图元怎么被增删改造」，就懂了：

走完这一遍就明白：几何着色器的全部魔力，归根结底就是 「在 main 里自己决定赋什么 gl_Position、EmitVertex 发几次、EndPrimitive 怎么分段」——发的顶点比收的多，就是「造」；少，就是「删」；位置变了，就是「改」。

对比一下：爆破前 vs 爆破后

猜一猜：把下面这个滑块从左拖到右，左边是「没炸开的原模型」、右边是「炸开后」。两边的三角形数量一样不一样？炸开后各片是随便乱飞，还是朝着各自一个固定的方向飞？拖动看看，再回想 §3——它们正是沿各自的面法线飞出去的。

左边是紧凑的原模型（六个三角形严丝合缝拼成一圈），右边是几何着色器把每片沿它的面法线推开 magnitude 之后的样子——三角形一个没多也没少，只是各自朝外飞了一段。拖动中间滑块左右对比：

看出来了吧——爆破不增删三角形，它只是把每片沿面法线整体平移了一下（magnitude 控制飞多远）。这是几何着色器「改图元」的典型用法。这两张是 SVG 示意图：本站跑在 WebGL2 上、没有几何着色器阶段，真实渲染里这个效果是用顶点着色器近似的——下一节代码对照把「桌面真几何着色器」和「WebGL2 近似」原原本本摆在一起。

代码逐段拆解：从骨架到爆破，再到 WebGL2 的诚实近似

下面三段层层递进：先看最简的「原样直通」骨架认全套语法，再看真正有用的 explode 爆破，最后看本站在 WebGL2 上只能怎么近似它。

第一段：最简骨架——原样直通一个三角形

先认全套语法。这个几何着色器什么花活都不做，收到一个三角形、把三个顶点原封不动发出去——但它把 layout 声明、gl_in[] 取值、EmitVertex / EndPrimitive 的节奏全摆齐了。这是桌面 OpenGL 3.3 的真几何着色器：

#version 330 core
layout (triangles) in;                       // 收：一片三角形（3 个顶点）
layout (triangle_strip, max_vertices = 3) out; // 出：一条三角形带，最多发 3 个顶点
 
void main() {
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    gl_Position = gl_in[i].gl_Position;  // 取第 i 个输入顶点的位置，原样赋给输出
    EmitVertex();                        // 发出这个顶点
  }
  EndPrimitive();                        // 3 个发完 → 收尾成一个三角形
}

读懂这段，几何着色器的骨架就清楚了：顶上两行 layout 定好「收三角形、出三角形带最多 3 顶点」；gl_in[i].gl_Position 是顶点着色器送来的第 i 个顶点位置；循环里赋值 + EmitVertex 把三个顶点逐个发出，EndPrimitive 收尾。把循环里的位置改一改，就从「原样直通」变成各种花活。

第二段：explode 爆破——沿面法线推开三个顶点

把骨架里「原样赋值」换成「沿面法线推开一段」，就是爆破。多两件事：GetNormal 用两条边叉乘算出这片三角形的面法线；explode 把一个顶点沿法线推开 magnitude（让它随 time 从 0 涨起来就有了「逐渐炸开」的动画）：

#version 330 core
layout (triangles) in;
layout (triangle_strip, max_vertices = 3) out;
uniform float time;
vec3 GetNormal() {                        // 两条边叉乘 → 这片三角形的面法线
  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));
}
vec4 explode(vec4 pos, vec3 normal) {     // 沿法线推开 magnitude（随 time 起伏）
  float magnitude = 2.0;
  vec3 dir = normal * ((sin(time) + 1.0) / 2.0) * magnitude;
  return pos + vec4(dir, 0.0);
}
void main() {
  vec3 normal = GetNormal();
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    gl_Position = explode(gl_in[i].gl_Position, normal);  // 推开后再发
    EmitVertex();
  }
  EndPrimitive();
}

和骨架的唯一区别，就是 EmitVertex 之前把 gl_in[i].gl_Position 换成了 explode(...)——三个顶点都加上同一个「面法线 × magnitude」的位移，整片三角形就被整体推离原位、形状不变。三角形数量一个没改，这是几何着色器的「改图元」用法。(sin(time) + 1.0) / 2.0 把 magnitude 系数在 0~1 之间来回拉，模型就一张一合地呼吸式爆破。

第三段：⚠ WebGL2 没有几何着色器——本站只能这样近似

现在面对本章红线。上面两段桌面代码在本站的 WebGL2 里一行都跑不了：WebGL2（GLSL ES 3.0）压根没有几何着色器阶段。那本站的「爆破」效果怎么办？答案是退一步、在顶点着色器里做顶点位移近似：

// 几何着色器阶段：手里攥着整片三角形的 3 个顶点
// 当场叉乘算「面法线」，把三个顶点沿它整体推开，还能增删图元
vec3 normal = GetNormal();               // 面法线（整片共一个）
gl_Position = explode(gl_in[i].gl_Position, normal);
EmitVertex();  // ← 能多发 / 少发顶点，凭空造新几何

#version 300 es
in vec3 aPos;
in vec3 aNormal;            // 顶点自带的「顶点法线」（建模时备好）
uniform float uExplode;     // 0 = 原样，越大越炸开
uniform mat4 uMVP;
void main() {
  // 每个顶点各自沿「自己的顶点法线」往外位移——膨胀 / 飞溅观感的近似
  vec3 pos = aPos + aNormal * uExplode;
  gl_Position = uMVP * vec4(pos, 1.0);
}

两者根本不是一回事，差异必须讲清：

一句话收口：本章前两段是桌面真几何着色器，最后这段是本站 WebGL2 的诚实近似——上面那两张爆破示意图，对应的就是这第三段近似在跑。完整可运行示例将在章末提供（M5）。

原书真正实用的用途：把顶点法线画出来

爆破很直观，但原书最后给出的工程用途是法线可视化。排查光照异常时，先正常绘制模型；再用第二个 program 重绘一次，让几何着色器把每个顶点的法线扩成一小段线。看到线段方向错误，就能回查模型数据、顶点属性或法线矩阵。

关键是先在顶点着色器把位置与法线变到同一观察空间；法线在有非均匀缩放时必须走 normal matrix：

// vertex shader: gl_Position 暂存 view-space 位置，给几何阶段使用
gl_Position = view * model * vec4(aPos, 1.0);
mat3 normalMatrix = mat3(transpose(inverse(view * model)));
vs_out.normal = normalize(normalMatrix * aNormal);

几何阶段对每个输入三角形发 3 条线，每条线用 2 个顶点，因此 max_vertices = 6。它在同一次调用里输出 3 个 line strip，所以每条线后都必须 EndPrimitive()：

layout(triangles) in;
layout(line_strip, max_vertices = 6) out;
uniform mat4 projection;
 
void generateLine(int i) {
  gl_Position = projection * gl_in[i].gl_Position; EmitVertex();
  gl_Position = projection * (gl_in[i].gl_Position
    + vec4(gs_in[i].normal, 0.0) * 0.4); EmitVertex();
  EndPrimitive();
}
void main() { generateLine(0); generateLine(1); generateLine(2); }

这段把前面所有契约落到实处：gl_in[] 和 gs_in[] 都按输入图元变成数组；每个 EmitVertex() 前都重新写输出；6 次发射刚好匹配上限；EndPrimitive() 在三条独立线之间明确切分。WebGL2 没有这条路径时，调试法线可改用单独的线网格、实例化线段或 CPU 端生成。

容易踩的坑

小结

• 几何着色器夹在顶点着色器和光栅化之间，是经典桌面 OpenGL 路径里按完整图元决定输出序列的可选阶段（输入 1 个图元 → 输出 0/1/多个）
• 用前先声明输入输出图元类型：layout(triangles) in; / layout(triangle_strip, max_vertices=N) out;；输入输出类型可以不一样（点造四边形、三角形炸成碎片）
• 干活靠两个动作：EmitVertex() 快照一个顶点的全部输出、EndPrimitive() 在同一次调用的多个输出图元之间分段；只输出一个图元时调用结束会自动完成它，max_vertices 必须覆盖最坏路径
• explode 爆破：GetNormal 叉乘算面法线，把三个顶点都沿法线推开 magnitude，三角形数量不变、整体飞溅；法线、位移和位置必须保持同一线性坐标空间
• ⚠ WebGL2（本站）没有几何着色器阶段——爆破只能在顶点着色器里用顶点位移近似（aPos + aNormal * uExplode），它做不了真几何着色器那种「造新几何」的活

#version 330 core
layout (points) in;
layout (triangle_strip, max_vertices = 3) out;  // (A)
void main() {
  vec4 p = gl_in[0].gl_Position;
  gl_Position = p + vec4(-0.1, -0.1, 0.0, 0.0); EmitVertex();
  gl_Position = p + vec4( 0.1, -0.1, 0.0, 0.0); EmitVertex();
  gl_Position = p + vec4(-0.1,  0.1, 0.0, 0.0); EmitVertex();
  gl_Position = p + vec4( 0.1,  0.1, 0.0, 0.0); EmitVertex();
  // (B)
}

layout (triangle_strip, max_vertices = 4) out;  // (A) 3 → 4
// …四次 EmitVertex 不变…
EndPrimitive();                                  // (B) 补上收尾

// 改法一：直接用固定满值（瞬间炸到底、不动了）
vec3 dir = normal * magnitude;
 
// 改法二：随 time 单调涨到 magnitude 后封顶（渐渐炸开、到位停住）
vec3 dir = normal * min(time, magnitude);

版本、来源与运行边界

本章以 Joey de Vries 的 LearnOpenGL 原章 为授权改编依据，教学运行基线是 OpenGL 3.3 Core Profile。Khronos 当前发布的规范参照是 OpenGL 4.6 Core Profile；这里用 4.6 规范核查术语和状态合同，但不把 4.6 API 偷偷倒填为原教程内容。GLFW、GLAD、Assimp 与驱动版本都属于运行环境，不能拿“编译通过”替代对 context、资源和 framebuffer 结果的验证。

正式概念与状态责任

• geometry shader：在“几何着色器、图元扩增与坐标契约”中由已链接 program 的 geometry stage 与每次 invocation负责解释其输入、受控状态和可观察结果；运行时以program resource 查询、输入图元、发射序列、primitive count、链接日志与输出定位它的第一处变化。
• emitvertex：在“几何着色器、图元扩增与坐标契约”中由已链接 program 的 geometry stage 与每次 invocation负责解释其输入、受控状态和可观察结果；运行时以program resource 查询、输入图元、发射序列、primitive count、链接日志与输出定位它的第一处变化。
• endprimitive：在“几何着色器、图元扩增与坐标契约”中由已链接 program 的 geometry stage 与每次 invocation负责解释其输入、受控状态和可观察结果；运行时以program resource 查询、输入图元、发射序列、primitive count、链接日志与输出定位它的第一处变化。
• exploding：在“几何着色器、图元扩增与坐标契约”中由已链接 program 的 geometry stage 与每次 invocation负责解释其输入、受控状态和可观察结果；运行时以program resource 查询、输入图元、发射序列、primitive count、链接日志与输出定位它的第一处变化。

章专属 OpenGL 状态实验

先预测“接收完整图元，修改/生成顶点，分段 EmitVertex 并 EndPrimitive”发生后，已链接 program 的 geometry stage 与每次 invocation应怎样改变输入 primitive、gl_in、输出 primitive、发射顶点、条带边界和坐标空间；再操作三个实验。实验不生成变化率或正确率等虚构总分，只显示真实 GL 状态、资源、命令和可观察结果。

实验一：Context—资源—结果合同

选择任一正式概念与基线/单故障场景，核对它是否进入本章状态合同。正式概念只有同时出现在解释、可视状态和交付证据中才算覆盖。

实验二：CPU 命令到 GPU 结果的五段轨迹

逐段执行“接收完整图元，修改/生成顶点，分段 EmitVertex 并 EndPrimitive”，在每一步记录资源身份、状态变化与第一个可观察结果，并持续核对“每次 invocation 发射数不超过 max_vertices，输入输出 layout 与 draw primitive 匹配”。

实验三：单故障与同输入恢复

注入“声明输入 points 却用 GL_TRIANGLES 绘制，geometry invocation 合同不匹配”，保存首个分岔；撤销后沿用完全相同的 context、资源内容、uniform 和 draw 输入重放。只有program resource 查询、输入图元、发射序列、primitive count、链接日志与输出一起恢复才算修复。

最小可重放检查

unit: logl-26
owner: 已链接 program 的 geometry stage 与每次 invocation
state_or_resource: 输入 primitive、gl_in、输出 primitive、发射顶点、条带边界和坐标空间
command: 接收完整图元，修改/生成顶点，分段 EmitVertex 并 EndPrimitive
pass_invariant: 每次 invocation 发射数不超过 max_vertices，输入输出 layout 与 draw primitive 匹配
single_fault: 声明输入 points 却用 GL_TRIANGLES 绘制，geometry invocation 合同不匹配
required_evidence: program resource 查询、输入图元、发射序列、primitive count、链接日志与输出

复核者先仅依据以上合同写出预期，再运行基线、单故障和清理后重放。若两次基线的资源身份、首个状态变化或 framebuffer 结果不同，必须保留差异，不能用最终截图相似掩盖中间状态错误。