【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‌：

1. hlsl
2. struct TessFactors {
3.     float edge[3] : SV_TessFactor; // 三条边的细分因子
4.     float inside : SV_InsideTessFactor; // 内部细分因子
5. };

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‌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
  1. hlsl
  3. // 来自Hull Shader的输出
  4. struct TessControlPoint {
  5.     float4 positionOS : INTERNALTESSPOS;
  6.     float3 normalOS : NORMAL;
  7.     float2 uv : TEXCOORD0;
  8. };
  10. // 细分因子定义
  11. struct TessFactors {
  12.     float edge[3] : SV_TessFactor; // 每条边的细分等级
  13.     float inside : SV_InsideTessFactor; // 内部细分等级
  14. };

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• 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：
    1. hlsl
    2. float3 baryCoords : SV_DomainLocation; // 新顶点的重心坐标

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  • 输出拓扑类型由Hull Shader的[outputtopology]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：
      
    1. 原始三角形： A
    2.             / \
    3.            C---B
    5. 细分后拓扑：
    6.       A
    7.      /|\
    8.     / | \
    9.    C--D--B
    10.     \ | /
    11.      \|/
    12.       E

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    • 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[partitioning("fractional_odd")]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‌：

1. hlsl
2. [domain("tri")] // 声明处理三角形patch
3. Varyings domain(TessFactors factors, OutputPatch<DomainAttributes, 3> patch, float3 baryCoords : SV_DomainLocation) {
4.     Varyings OUT;
5.     // 插值计算新顶点属性
6.     OUT.positionWS = TransformObjectToWorld(patch[0].positionOS * baryCoords.x + ...);
7.     return OUT;
8. }

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‌动态控制技巧‌：

• 通过摄像机距离调整细分因子：
  1. hlsl
  2. float CalcTessFactor(float3 worldPos) {
  3.     return lerp(_MaxTess, _MinTess, saturate(distance(_WorldSpaceCameraPos, worldPos) / _TessRange));
  4. }

  复制代码
• 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：

1. hlsl
2. #pragma target 4.6

复制代码

定义三个关键程序：

1. hlsl
2. #pragma vertex BeforeTessVert
3. #pragma hull HullProgram
4. #pragma domain DomainProgram

复制代码

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：
  

1. hlsl
2. // 根据摄像机距离动态计算细分因子
3. float CalcTessFactor(float3 worldPos) {
4.     float dist = distance(_WorldSpaceCameraPos, worldPos);
5.     return lerp(_MaxTess, _MinTess, saturate(dist / _TessRange));
6. }

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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

1. // HLSL
2. Shader "Custom/TessellationExample"
3. {
4.     Properties
5.     {
6.         _MainTex ("Base Texture", 2D) = "white" {}
7.         _TessFactor ("Tessellation Factor", Range(1, 64)) = 4
8.         _Displacement ("Displacement", Range(0, 1.0)) = 0.3
9.         _DispTex ("Displacement Texture", 2D) = "gray" {}
10.     }
12.     SubShader
13.     {
14.         Tags { "RenderPipeline"="UniversalPipeline" }
16.         HLSLINCLUDE
17.         #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
19.         struct Attributes
20.         {
21.             float4 positionOS : POSITION;
22.             float3 normalOS : NORMAL;
23.             float2 uv : TEXCOORD0;
24.         };
26.         struct TessControlPoint
27.         {
28.             float4 positionOS : INTERNALTESSPOS;
29.             float3 normalOS : NORMAL;
30.             float2 uv : TEXCOORD0;
31.         };
33.         struct TessFactors
34.         {
35.             float edge[3] : SV_TessFactor;
36.             float inside : SV_InsideTessFactor;
37.         };
39.         struct DomainOutput
40.         {
41.             float4 positionCS : SV_POSITION;
42.             float2 uv : TEXCOORD0;
43.             float3 normalWS : NORMAL;
44.         };
45.         ENDHLSL
47.         Pass
48.         {
49.             Name "ForwardLit"
50.             Tags { "LightMode"="UniversalForward" }
52.             HLSLPROGRAM
53.             #pragma vertex vert
54.             #pragma hull hull
55.             #pragma domain domain
56.             #pragma fragment frag
57.             #pragma target 4.6
59.             sampler2D _MainTex;
60.             sampler2D _DispTex;
61.             float _TessFactor;
62.             float _Displacement;
64.             TessControlPoint vert(Attributes v)
65.             {
66.                 TessControlPoint o;
67.                 o.positionOS = v.positionOS;
68.                 o.normalOS = v.normalOS;
69.                 o.uv = v.uv;
70.                 return o;
71.             }
73.             [domain("tri")]
74.             [partitioning("fractional_odd")]
75.             [outputtopology("triangle_cw")]
76.             [outputcontrolpoints(3)]
77.             [patchconstantfunc("patchConstantFunc")]
78.             TessControlPoint hull(InputPatch<TessControlPoint, 3> patch, uint id : SV_OutputControlPointID)
79.             {
80.                 return patch[id];
81.             }
83.             TessFactors patchConstantFunc(InputPatch<TessControlPoint, 3> patch)
84.             {
85.                 TessFactors f;
86.                 float avgTess = _TessFactor * (1 - saturate(length(_WorldSpaceCameraPos - TransformObjectToWorld(patch[0].positionOS.xyz)) / 20));
87.                 f.edge[0] = f.edge[1] = f.edge[2] = avgTess;
88.                 f.inside = avgTess;
89.                 return f;
90.             }
92.             [domain("tri")]
93.             DomainOutput domain(TessFactors factors, OutputPatch<TessControlPoint, 3> patch, float3 baryCoords : SV_DomainLocation)
94.             {
95.                 DomainOutput o;
96.                
97.                 // 插值计算基础属性
98.                 float3 positionOS = patch[0].positionOS.xyz * baryCoords.x +
99.                                    patch[1].positionOS.xyz * baryCoords.y +
100.                                    patch[2].positionOS.xyz * baryCoords.z;
101.                
102.                 float2 uv = patch[0].uv * baryCoords.x +
103.                             patch[1].uv * baryCoords.y +
104.                             patch[2].uv * baryCoords.z;
105.                
106.                 // 从高度图获取位移值
107.                 float disp = tex2Dlod(_DispTex, float4(uv, 0, 0)).r * _Displacement;
108.                 positionOS += normalize(patch[0].normalOS) * disp;
109.                
110.                 // 转换到裁剪空间
111.                 o.positionCS = TransformObjectToHClip(positionOS);
112.                 o.uv = uv;
113.                 o.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(patch[0].normalOS);
114.                 return o;
115.             }
117.             half4 frag(DomainOutput i) : SV_Target
118.             {
119.                 half4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
120.                 return col;
121.             }
122.             ENDHLSL
123.         }
124.     }
125. }

复制代码

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

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