【渲染流水线】[几何阶段]-[曲面细分]以UnityURP为例

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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[3] : 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[3] : 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[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‌
  1. ‌空圆特性‌：任意三角形的外接圆内不包含其他顶点
  2. ‌最大化最小角‌：避免出现尖锐三角形，提高网格质量
  3. ‌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‌：
  1. 在Tessellation Primitive Generator阶段自动应用
  2. 对细分后的新顶点进行拓扑优化
  3. 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‌：
  1. 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
  2. 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 [domain("tri")] // 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[0].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[3] : 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;             }              [domain("tri")]             [partitioning("fractional_odd")]             [outputtopology("triangle_cw")]             [outputcontrolpoints(3)]             [patchconstantfunc("patchConstantFunc")]             TessControlPoint hull(InputPatch<TessControlPoint, 3> patch, uint id : SV_OutputControlPointID)             {                 return patch[id];             }              TessFactors patchConstantFunc(InputPatch<TessControlPoint, 3> patch)             {                 TessFactors f;                 float avgTess = _TessFactor * (1 - saturate(length(_WorldSpaceCameraPos - TransformObjectToWorld(patch[0].positionOS.xyz)) / 20));                 f.edge[0] = f.edge[1] = f.edge[2] = avgTess;                 f.inside = avgTess;                 return f;             }              [domain("tri")]             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[0].positionOS.xyz * baryCoords.x +                                     patch[1].positionOS.xyz * baryCoords.y +                                     patch[2].positionOS.xyz * baryCoords.z;                                  float2 uv = patch[0].uv * baryCoords.x +                              patch[1].uv * baryCoords.y +                              patch[2].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[0].normalOS) * disp;                                  // 转换到裁剪空间                 o.positionCS = TransformObjectToHClip(positionOS);                 o.uv = uv;                 o.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(patch[0].normalOS);                 return o;             }              half4 frag(DomainOutput i) : SV_Target             {                 half4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);                 return col;             }             ENDHLSL         }     } }