【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[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
        }
    }
}

---

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

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