shader之间的数据传递

2024-03-11 17:00:07

shader之间传递数据实在是太常用了. 下面我们总结几种shader之间传递数据的方法.

Name based matching

最简单，也是最常用的一种传递方式是依靠名字进行匹配. 例如我们从vertex shader向fragment shader传递颜色：

//vertex shader
#version 460 core
out vec4 color;
void main(void)
{
    color = ...;
    ...
}

//fragment shader
#version 460 core
in vec4 color;
out vec4 outputColor;
void main(void)
{
    outputColor = color;
}

对于只有两个shader stage的程序，这种方式非常方便.

假如我们在vertex shader和fragment shader中间插入geometry shader，并且将color从vertex shader传递到geometry shader，然后再传递到fragment shader. 就会写出类似的代码：

//vertex shader
out vec4 color;
----------------------
//geometry shader
in vec4 color[];
out vec4 colorFromGeom;
----------------------
//fragment shader
in vec4 colorFromGeom;

如果我们绘制某些图元的时候不需要geometry shader，直接拿上面的vertex shader和fragment shader是没法使用的，因为color和colorFromGeom名字不相同. 那我们就只能重写一个fragment shader，仅仅把名字colorFromGeom改成color，以便与vertex shader匹配起来. 但是这样我们就必须同时维护两个几乎一样的fragment shader！

Location based matching

我们可以为变量分配一个location，只要输出变量的location与输入变量的location相同，它们就能匹配成功，即使名字不一样也没关系！举个最简单的例子：

//vertex shader
layout (location = 0) out vec3 normalOut;
layout (location = 1) out vec4 colorOut;
-----------------------------------------
//fragment shader
layout (location = 0) in vec3 normalIn;
layout (location = 1) in vec4 colorIn;

因为vertex shader中的normalOut与fragment shader中的normalIn的location都是0，所以它们能够匹配起来. colorOut和colorIn也是一样.

这样，刚刚提到的Named based matching的问题就能够得到解决.

//vertex shader
layout (location = 0) out vec3 normalOut;
layout (location = 1) out vec4 colorOut;
-----------------------------------------
//geometry shader
layout (location = 0) in vec3 normalIn[];
layout (location = 1) in vec4 colorIn[];

layout (location = 0) out vec3 normalOut;	//in和out修饰的变量，即使location相同也没关系
layout (location = 1) out vec4 colorOut;
-----------------------------------------
//fragment shader
layout (location = 0) in vec3 normalIn;
layout (location = 1) in vec4 colorIn;

可以看到即使去掉geometry shader，vertex shader的normalOut、colorOut也能与fragment shader的normalIn、colorIn匹配起来.

这种方法也引入了一个新的问题，考虑如下代码：

//vertex shader
layout (location = 0) out vec3 someAttribute[2];
layout (location = 1) out vec4 colorOut;		//编译错误，colorOut和someAttribute[1]同时占用location 1
void main(void)
{
    someAttribute[0] = ...;
    someAttribute[1] = ...;
    colorOut = ...;
    ...
}

由于一个location最多存放 4*32 = 128 个字节，也就是最多能够存放4个int或者float类型的数据. someAttribute[0]会占用location 0，someAttribute[1]和colorOut会同时占用location 1. 我们需要把colorOut的location改为2，使之独享一个location.

//vertex shader
layout (location = 0) out vec3 someAttribute[2];
layout (location = 2) out vec4 colorOut;		//正确，colorOut和someAttribute[2]不再同时占用相同的location

也就是说，这种方法需要我们自己推算输入输出变量的location. 如果我们把someAttribute[2]改为someAttribute[3]，那colorOut的location就需要改为3. 维护这些变量的location稍微有一丢丢麻烦.

Block based matching

第三种方法是通过把输入或者输出变量打成一个组，即interface block.

//vertex shader
#version 460 core
out Data		//matched by "Data"
{
    vec3 normal;
    float scale;
    vec3 color;
    vec2 texCoord;
} vs_out;
void main(void)
{
	vs_out.normal = ...;	//referenced by "vs_out"
    vs_out.scale = ...;
}

//fragment shader
#version 460 core
in Data			//matched by "Data"
{
    vec3 normal;
    float scale;
    vec3 color;
    vec2 texCoord;
} fs_in;					//referenced by "fs_in"
...

interface block有点像结构体. 它们通过block name进行匹配，也就是以Data这个名字，使vertex shader输出数据和fragment shader的输入数据对应起来；然后通过instance name（vs_out，fs_in）进行引用，例如vs_out.normal.

就算中间插入一个geometry shader，那也是OK的.

//geometry shader
in Data
{
    vec3 normal;
    float scale;
    vec3 color;
    vec2 texCoord;
} gs_in;
out Data
{
    vec3 normal;
    float scale;
    vec3 color;
    vec2 texCoord;
} gs_out;

甚至，我们可以省略instance name.

#version 460 core
out Data
{
    vec3 normal;
    float scale;
    vec3 color;
    vec2 texCoord;
};
void main(void)
{
	normal = ...;
    scale = ...;
}

引用的时候直接用数据成员的名字. 不过这样退化成了name based matching，没有实际意义.

有一点需要注意，就是我们不仅需要匹配block name，member name也是需要匹配的. 例如，下面的代码就是错误的.

//vertex shader
out Data
{
    vec3 normal;
    float scale;
    vec3 color;
    vec2 texCoord;
} vs_out;
-------------------
//fragment shader
in Data
{
    vec3 Normal;	//错误，Normal无法和normal匹配
    float scale;
    vec3 color;
    vec2 texCoord;
} fs_in;

这种方法看起来完美无缺啊. 既能够解决name based matching的代码不能复用问题，还不用维护location based matching的location. 但是，我还有杀手锏.

Block based matching with location

其实，我们也可以为interface block指定一个起始的location.

//vertex shader
layout(location = 0) out Data
{
    vec3 someAttribute[2];
    vec2 texCoord;
    float scale;
} vs_out;
-------------------
//fragment shader
layout(location = 0) in Data
{
    vec3 some Attribute[2];
    vec2 texCoord;
    float scale;
} fs_in;

编译器会根据起始的location为每个数据成员分配一个location.

如果我们写出类似的代码：

//vertex shader
layout(location = 0) out Data
{
    vec3 someAttribute[2];
    vec2 texCoord;
    float scale;
} vs_out;
layout(location = 3) out vec3 color_vs_out;		//错误，color_vs_out的location必须大于等于4

someAttribute占用两个location，texCoord占用一个location，scale占用一个loction，所以color_vs_out的location必须在大于等于4.

为block指定location之后，还可以为成员重新指定location.

//vertex shader
layout(location = 0) out Data
{
    vec3 someAttribute[2];
    layout(location = 4) vec2 texCoord;
    float scale;
} vs_out;

同学们可以自行推算someAttribute和scale两个成员的location，并进行验证.

但是，不要太异想天开. 下面的代码就是错误的.

//vertex shader
out Data
{
    vec3 someAttribute[2];
    layout(location = 4) vec2 texCoord;	//错误
    float scale;
} vs_out;

这种写法无法为someAttribute推算出location. 所以编译器直接从语法上杜绝了此类写法，哪怕你为someAttribute[2]指定一个location也不行.

//vertex shader
out Data
{
    layout(location = 0) vec3 someAttribute[2];		//编译错误
    vec2 texCoord;
    float scale;
} vs_out;

不过，我们倒是可以为所有的成员显式指定location，并且不用为block指定起始location.

//vertex shader
out Data
{
    layout(location = 0) vec3 someAttribute[2];
    layout(location = 2) vec2 texCoord;
    layout(location = 3) float scale;
} vs_out;

有的同学可能会问，这样做有什么意义，还不如为一个block指定location方便啊.

当然有意义，我表演给你看.

//vertex shader
out Data
{
    layout(location = 0) vec3 someAttribute[2];
    layout(location = 2, component = 0) vec2 texCoord;
    layout(location = 2, component = 2) float scale;
    layout(location = 3) vec4 color;
} vs_out;

刚才我们提到过，每个location总计4*32 = 128个字节的容量. 可以认为总共有4个component，每个component的容量是32字节. 上面的代码，texCoord和scale均占用的是location 2，texCoord占用两个component（0和1），scale占用一个component（2）. 有了component关键字，我们就能够充分利用location的空间.

不过，这样我们又要保证component不能冲突了.

付出总是和回报成正比，手动挡就是比自动挡有操控感.

但是，单纯的location based matching是不能使用component关键字的，例如：

layout(location = 2, component = 0) vec2 texCoord;	//错误，component只能在interface block中使用
layout(location = 2, component = 2) float scale;

好了，不胡扯了，说了这么多，有的同学可能都蒙圈了，知道你们最喜欢看总结，我们一起来总结一下.

总结

只有两个选择：

用location based matching
用Block based matching with location

因为从GLSL转换为SPIR-V的时候，需要为每个输入输出成员指定location.

所以，除非你有充分的理由说服自己（例如，我不想用Vulkan

码农公寓

Name based matching

Location based matching

Block based matching

Block based matching with location

总结

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