【渲染流水线】[几何阶段]-[曲面细分]以UnityURP为例
[*]细分着色器分为：曲面细分着色器（Unity在指定平台硬件支持）、细分计算着色器。使用片面来描述一个物体形状，并增加顶点和片面数量，使模型外观开起来更平滑。
[*]作用：动态细分三角面片，提升模型细节（如草地、地形渲染），优化大场景性能 。
[*]这是一个可选阶段。它在顶点着色器之后运行，负责根据设定的细分因子 (Tessellation Factor) 将输入的图元（通常是三角形面片）动态细分为更小的三角面片，生成更多顶点。
【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达
三个子阶段：
Hull Shader：定义每条边和内部分割因子（Tessellation Factor）。
[*]接收原始控制点数据并定义细分因子(Tessellation Factor)
[*]通过patch constant function计算每条边和内部的细分等级
[*]支持分数细分模式(fractional_odd/fractional_even)实现平滑过渡
目标：
[*]定义原始控制点数据并计算细分因子(Tessellation Factor)
[*]确定每个patch的边和内部细分等级
输入输出：
[*]输入：原始控制点数据（位置、法线、UV等）
[*]输出：
[*]细分因子（SV_TessFactor标记边，SV_InsideTessFactor标记内部）
[*]处理后的控制点数据（通过INTERNALTESSPOS语义标记）
实现关键：
hlsl
struct TessFactors {
float edge : SV_TessFactor; // 三条边的细分因子
float inside : SV_InsideTessFactor; // 内部细分因子
};Tessellation Primitive Generator 固定功能：硬件根据 Hull Shader 输出的因子实际执行细分操作。
[*]GPU固定功能阶段，根据Hull Shader输出的细分因子生成新顶点拓扑
目标：
[*]根据Hull Shader输出的细分因子生成新顶点拓扑
[*]将原始patch细分为更密集的三角网格
输入输出：
[*]输入：Hull Shader输出的细分因子和控制点
hlsl
// 来自Hull Shader的输出
struct TessControlPoint {
float4 positionOS : INTERNALTESSPOS;
float3 normalOS : NORMAL;
float2 uv : TEXCOORD0;
};
// 细分因子定义
struct TessFactors {
float edge : SV_TessFactor; // 每条边的细分等级
float inside : SV_InsideTessFactor; // 内部细分等级
};
[*]输出：细分后的顶点UV坐标和拓扑关系
[*]生成的重心坐标数据：
hlsl
float3 baryCoords : SV_DomainLocation; // 新顶点的重心坐标
[*]输出拓扑类型由Hull Shader的属性定义（如triangle_cw）
特性：
[*]GPU自动执行，无需开发者编码
[*]支持分数细分模式实现平滑过渡
实现原理
细分算法
[*]对原始三角面片进行递归细分，采用Delaunay三角剖分原则
GPU使用的Delaunay三角剖分原则是一种优化网格拓扑的数学方法
[*]Delaunay三角剖分原则
[*]空圆特性：任意三角形的外接圆内不包含其他顶点
[*]最大化最小角：避免出现尖锐三角形，提高网格质量
[*]局部优化：通过边翻转(edge flip)逐步优化三角网格
[*]URP中的实现特点：
[*]在Tessellation Primitive Generator阶段自动应用
[*]对细分后的新顶点进行拓扑优化
[*]保持与原网格的平滑过渡
[*]具体示例：
原始三角面片（控制点A/B/C）经过细分后：
[*]计算细分因子为3时：
原始三角形： A
/ \
C---B
细分后拓扑：
A
/|\
/ | \
C--D--B
\ | /
\|/
E
[*]其中D/E是新生成的顶点，所有三角形都满足：
[*]∠ADB + ∠AEB ≈ 180°
[*]外接圆不包含其他顶点
[*]URP中的实际应用：
[*]当使用时：
[*]会在过渡区域自动应用Delaunay优化
[*]确保不同细分等级间的平滑连接
[*]位移贴图处理时：
[*]新顶点根据Delaunay规则分布
[*]位移后的法线计算更准确
[*]这种剖分方式使得：
[*]细分后的网格更适应曲面变形
[*]避免渲染时的褶皱现象
[*]提升位移贴图的视觉效果
[*]根据分数细分模式（fractional_odd/even）处理过渡区域
坐标转换 $Pnew=P0⋅u+P1⋅v+P2⋅w$
[*]将参数空间坐标(u,v,w)转换为新的顶点位置
性能优化
[*]采用并行计算处理多个patch
[*]自动剔除屏幕空间不可见的细分结果
Domain Shader：
将细分后位于重心坐标系(重心坐标内容后续单开一篇讲解)中的新顶点位置转换到目标空间（如世界空间或裁剪空间）。
[*]将细分后的UV坐标映射到3D空间
[*]执行顶点位移等后期处理
目标：
[*]将细分后的UV坐标映射到3D空间
[*]执行顶点位移等后期处理
输入输出：
[*]输入：细分后的UV坐标和原始控制点数据
[*]输出：最终顶点位置（SV_POSITION）和其他顶点属性
实现示例：
hlsl
// 声明处理三角形patch
Varyings domain(TessFactors factors, OutputPatch<DomainAttributes, 3> patch, float3 baryCoords : SV_DomainLocation) {
Varyings OUT;
// 插值计算新顶点属性
OUT.positionWS = TransformObjectToWorld(patch.positionOS * baryCoords.x + ...);
return OUT;
}动态控制技巧：
[*]通过摄像机距离调整细分因子：
hlsl
float CalcTessFactor(float3 worldPos) {
return lerp(_MaxTess, _MinTess, saturate(distance(_WorldSpaceCameraPos, worldPos) / _TessRange));
}
[*]结合高度图实现位移效果
配置：
[*]需显式启用（HLSL 中声明 hull 和 domain 函数）。
[*]必须声明#pragma target 4.6以启用DX11/OpenGL Core特性3
[*]需手动实现Hull/Domain Shader，URP不提供表面着色器的简化写法
[*]建议结合摄像机距离动态控制细分因子以优化性能
URP中的具体实现步骤：
声明编译目标为4.6以上：
hlsl
#pragma target 4.6定义三个关键程序：
hlsl
#pragma vertex BeforeTessVert
#pragma hull HullProgram
#pragma domain DomainProgram控制点数据结构需包含顶点位置、法线等基础属性
动态细分控制样例：
[*]通过距离或屏幕空间尺寸自动调整细分因子：
hlsl
// 根据摄像机距离动态计算细分因子
float CalcTessFactor(float3 worldPos) {
float dist = distance(_WorldSpaceCameraPos, worldPos);
return lerp(_MaxTess, _MinTess, saturate(dist / _TessRange));
}常见应用场景：
[*]地形动态LOD：根据视角距离细分地面网格3
[*]曲面平滑：将低模转换为高模曲面2
[*]动态位移：结合高度图实现实时凹凸效果6
注意事项：
[*]仅支持DX11/OpenGL Core等现代图形API6
[*]细分过度会导致性能下降，需合理设置上限5
[*]URP中需手动实现Hull/Domain Shader，不同于内置管线的表面着色器简化写法
Unity URP中完整的曲面细分着色器示例，包含顶点位移效果和动态细分控制
示例实现功能：
[*]动态细分控制：根据摄像机距离自动调整细分因子
[*]顶点位移效果：通过高度图(_DispTex)驱动顶点偏移
[*]分数细分模式：使用fractional_odd实现平滑过渡
[*]完整渲染管线：包含顶点/细分/片元全阶段处理
[*]URP兼容性：使用URP的ShaderLibrary核心函数
使用说明：
[*]创建材质球并应用此着色器
[*]为_DispTex指定高度图纹理
[*]调整_TessFactor控制细分密度
[*]通过_Displacement参数控制位移强度
TessellationExample.shader
// HLSL
Shader "Custom/TessellationExample"
{
Properties
{
_MainTex ("Base Texture", 2D) = "white" {}
_TessFactor ("Tessellation Factor", Range(1, 64)) = 4
_Displacement ("Displacement", Range(0, 1.0)) = 0.3
_DispTex ("Displacement Texture", 2D) = "gray" {}
}
SubShader
{
Tags { "RenderPipeline"="UniversalPipeline" }
HLSLINCLUDE
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
struct Attributes
{
float4 positionOS : POSITION;
float3 normalOS : NORMAL;
float2 uv : TEXCOORD0;
};
struct TessControlPoint
{
float4 positionOS : INTERNALTESSPOS;
float3 normalOS : NORMAL;
float2 uv : TEXCOORD0;
};
struct TessFactors
{
float edge : SV_TessFactor;
float inside : SV_InsideTessFactor;
};
struct DomainOutput
{
float4 positionCS : SV_POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
float3 normalWS : NORMAL;
};
ENDHLSL
Pass
{
Name "ForwardLit"
Tags { "LightMode"="UniversalForward" }
HLSLPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma hull hull
#pragma domain domain
#pragma fragment frag
#pragma target 4.6
sampler2D _MainTex;
sampler2D _DispTex;
float _TessFactor;
float _Displacement;
TessControlPoint vert(Attributes v)
{
TessControlPoint o;
o.positionOS = v.positionOS;
o.normalOS = v.normalOS;
o.uv = v.uv;
return o;
}
TessControlPoint hull(InputPatch<TessControlPoint, 3> patch, uint id : SV_OutputControlPointID)
{
return patch;
}
TessFactors patchConstantFunc(InputPatch<TessControlPoint, 3> patch)
{
TessFactors f;
float avgTess = _TessFactor * (1 - saturate(length(_WorldSpaceCameraPos - TransformObjectToWorld(patch.positionOS.xyz)) / 20));
f.edge = f.edge = f.edge = avgTess;
f.inside = avgTess;
return f;
}
DomainOutput domain(TessFactors factors, OutputPatch<TessControlPoint, 3> patch, float3 baryCoords : SV_DomainLocation)
{
DomainOutput o;
// 插值计算基础属性
float3 positionOS = patch.positionOS.xyz * baryCoords.x +
patch.positionOS.xyz * baryCoords.y +
patch.positionOS.xyz * baryCoords.z;
float2 uv = patch.uv * baryCoords.x +
patch.uv * baryCoords.y +
patch.uv * baryCoords.z;
// 从高度图获取位移值
float disp = tex2Dlod(_DispTex, float4(uv, 0, 0)).r * _Displacement;
positionOS += normalize(patch.normalOS) * disp;
// 转换到裁剪空间
o.positionCS = TransformObjectToHClip(positionOS);
o.uv = uv;
o.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(patch.normalOS);
return o;
}
half4 frag(DomainOutput i) : SV_Target
{
half4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
return col;
}
ENDHLSL
}
}
}【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达
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