Ch4-3 片段着色器

片段着色器（fragment shader）是图形管线中的一个着色器，用于处理片段（即像素）的颜色，也可以改变片段或采样点的深度值。
对于一个有片段着色器的图形管线，片段着色器是管线中最后执行的着色器。

片段着色器对每个被图元（即点、线、三角形）覆盖的像素，或（多重采样中开启sample shading时的）采样点发生调用。
注：具体而言，片段着色器被定义为逐片段调用至少一次，而开启sample shading后，可能会发生额外调用（官方文档中的说法见此）。
↑不管你干什么，最好不要依赖于“逐片段调用”这一说法，若Vulkan的实现能判断某个片段最终会被后续其他片段覆盖（即不影响最终渲染结果），那么可能直接不对其执行片段着色器。

片段着色器的内置输入

用GLSL编写的片段着色器有以下内置输入：

全局变量
vec4 gl_FragCoord	当前采样点在屏幕空间内的坐标
bool gl_FrontFacing	表示生成当前片段的图元是正面还是还反面
vec2 gl_PointCoord	若生成当前片段的图元是点，表示该片段在点内的标准化坐标（点是有大小的）
int gl_SampleID	当前采样点的索引
vec2 gl_SamplePosition	当前采样点在像素内的标准化坐标，x和y的范围为[0,1]
int gl_SampleMaskIn[]	当前采样点的位遮罩
vec2 gl_PrimitiveID	生成当前片段的图元的索引
float gl_ClipDistance[]	自定义剪裁参数
float gl_CullDistance[]	自定义剔除参数
bool gl_HelperInvocation	说明本次对片段着色器的调用是否是一次辅助调用
int gl_Layer	当前片段所在的图层索引（用于使用了多层帧缓冲的情况）
int gl_ViewportIndex	当前片段所在的视口索引（用于开启了多视口（multiViewport）的情况）

gl_ClipDistance和gl_CullDistance由先前的管线阶段中输出的同名内置输出插值而来（插值方式考虑透视），语义参见顶点着色器的内置输出。
gl_Layer和gl_ViewportIndex的语义参见//TODO 几何着色器的内置输出。

gl_FragCoord

gl_FragCoord的x和y坐标是屏幕空间内的非标准化坐标，在没有多重采样的情况下，坐标选取各个像素的中心位置即数值以.5结尾，以左上角为原点，左上角像素坐标为(0.5, 0.5)。
从OpenGL转来的程序员注意，OpenGL中默认以左下角为原点，并且Vulkan中不再支持pixel_center_integer修饰符。
多重采样时，gl_FragCoord.x和gl_FragCoord.y精确到片段内部采样点的坐标。
gl_FragCoord.z是将NDC坐标的z分量进行视口变换后得到的深度值。
gl_FragCoord.w为对先前阶段中输出的gl_Position.w插值得到的数值的倒数。

gl_FrontFacing

gl_FrontFacing根据三角形顶点的手性决定正反，而顺时针还是逆时针为正，由VkPipelineRasterizationStateCreateInfo::frontFace规定。
如果生成当前片段的图元是三角形正面、线或点，则为true。

gl_PointCoord

绘制点绘制出的是正方形，点的大小由先前阶段中的gl_PointSize指定。
gl_PointCoord以正方形左上角为原点，因是标准化坐标，x和y的范围为[0,1]。

gl_SampleMaskIn

gl_SampleMaskIn中每个bit对应相应索引的采样点，因此其数组元素个数亦取决于采样点个数，int的长度为32个bit，因此32xMSAA及以下时gl_SampleMaskIn中有一个元素，64xMSAA时有两个元素。

（阅读以下文字前请先阅读Ch3-3 管线布局和管线一节中关于VkPipelineMultisampleStateCreateInfo的说明）
开启sample shading时，一个采样点的gl_SampleMaskIn[0]的数值为coverage_mask & sample_mask & (1 << gl_SampleID)。以4xMSAA为例，若四个采样点皆被图元覆盖且没有指定sample mask，那么各个采样点的gl_SampleMaskIn[0]的数值即1 << gl_SampleID。
未开sample shading时，一个采样点的gl_SampleMaskIn[0]的数值为coverage_mask & sample_mask。以4xMSAA为例，若四个采样点皆被图元覆盖且没有指定sample mask，则四个采样点的gl_SampleMaskIn[0]的数值皆为0b1111。

gl_HelperInvocation

在quad group操作时，可能需要进行额外的辅助调用（helper invocation）。
求偏导数需要涉及quad group操作，因为glsl中的函数dFdx(...)和dFdy(...)是对2x2像素的单元（称为一个quad）实行的。
然而，仅栅格化后的被片段覆盖的区域，很有可能在边缘上凑不出这样的2x2像素单元，于是可能就有必要对没被片元覆盖的相邻位置执行辅助调用（helper invocation）来凑出一个quad。
在辅助调用中，不应写入storage缓冲区，也不应使用原子性操作，因此有判别本次调用是否是辅助调用的必要，gl_HelperInvocation正是因此存在的。

片段着色器的内置输出

用GLSL编写的片段着色器有以下内置输出：

全局变量
float gl_FragDepth	当前片段的深度
int gl_SampleMask[]	当前采样点的位遮罩

若未曾使用gl_FragDepth（指着色器代码中没出现过），则gl_FragDepth自动取得gl_FragCoord.z的值。
若未曾使用gl_SampleMask（指着色器代码中没出现过），则gl_SampleMask自动取得gl_SampleMaskIn数组的值。
注意，若在if语句的一个分支中写入了gl_FragDepth或gl_SampleMask，那么哪怕不执行该分支，gl_FragDepth或gl_SampleMask也无法自动取得相应值。

gl_SampleMask

最终，采样点会有一个或0或1的系数，由gl_SampleMask中相应的bit与gl_SampleMaskIn中相应的bit位与决定。
这里所谓的系数更准确地说是在执行过片段着色器后，最终得到的各个采样点的coverage。我不想在这里解释额外的概念，让我用一个具体的例子说明gl_SampleMask的影响：
如前文所说，对于4xMSAA，开启sample shading时，若四个采样点皆被图元覆盖且没有应用sample mask，索引为0的采样点获得的gl_SampleMaskIn[0]为0b0001，索引为1的采样点获得的gl_SampleMaskIn[0]为0b0010，依次类推。那么：
如果输出的gl_SampleMask[0]，对应从0开始的各个索引的采样点，依次为0b0001、0b0010、0b0100、0b1000，则最后呈现出的效果与不写入gl_SampleMask时一致。
如果输出的gl_SampleMask[0]，对应从0开始的各个索引的采样点，0b1000、0b0100、0b0010、0b0001，则最后的解析得到的颜色为vec4(0,0,0,0)。
如果输出的gl_SampleMask[0]，对应从0开始的各个索引的采样点，皆为0b0001，用colorSample0指代索引为0的采样点，则最后的解析得到的颜色为vec4(colorSample0.rgb, colorSample0.a / 4)，这个值相当于一个不透明的像素与三个完全透明的像素的平均。

Early Fragment Test

早期片段测试（early fragment test）发生在执行片段着色器前，若片段着色器没有诸如写入storage缓冲区等副作用，也不会更改片段的深度值（gl_FragDepth），那么很显然，完全有理由在执行片段着色器前，进行深度范围测试、深度测试和模板测试，以避免不必要的片段着色器调用。
Vulkan的实现有可能隐式地帮你开启早期片段测试，你也可以在片段着色器中显式地开启它：

layout(early_fragment_tests) in;

Dual-source Blending

有这四个混色因子（VkBlendFactor）的枚举项：
VK_BLEND_FACTOR_SRC1_COLOR、
VK_BLEND_FACTOR_ONE_MINUS_SRC1_COLOR、
VK_BLEND_FACTOR_SRC1_ALPHA、
VK_BLEND_FACTOR_ONE_MINUS_SRC1_ALPHA

若在混色中使用来自SRC1的色值，这种混色方式称为dual-source blending。
片段着色器可以向一个location输出两个色值，写法如下：

layout(location = 0) out vec4 o_Color;            //index为0，对应SRC
layout(location = 0, index = 1) out vec4 o_Color1;//index为1，对应SRC1