本文介紹了細(xì)分著色器的核心原理與實現(xiàn)方法。細(xì)分著色器分為曲面細(xì)分著色器和細(xì)分計算著色器，主要用于動態(tài)增加模型細(xì)節(jié)，提升草地、地形等場景的渲染效果。文章詳細(xì)解析了細(xì)分過程的三個階段：Hull Shader定義細(xì)分因子，Tessellation Primitive Generator執(zhí)行硬件級細(xì)分操作，Domain Shader完成頂點空間轉(zhuǎn)換。重點闡述了Delaunay三角剖分原則在URP中的實現(xiàn)，包括空圓特性和局部優(yōu)化方法。最后提供了一個完整的URP細(xì)分著色器示例，展示了動態(tài)細(xì)分控制、頂點位移等關(guān)鍵技術(shù)，并

• 細(xì)分著色器分為：曲面細(xì)分著色器（Unity在指定平臺硬件支持）、細(xì)分計算著色器。使用片面來描述一個物體形狀，并增加頂點和片面數(shù)量，使模型外觀開起來更平滑。
• ?作用?：動態(tài)細(xì)分三角面片，提升模型細(xì)節(jié)（如草地、地形渲染），優(yōu)化大場景性能 ?。
• 這是一個?可選?階段。它在頂點著色器之后運行，負(fù)責(zé)根據(jù)設(shè)定的細(xì)分因子 (Tessellation Factor) 將輸入的圖元（通常是三角形面片）動態(tài)細(xì)分為更小的三角面片，生成更多頂點。?

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達(dá)

三個子階段：

Hull Shader：定義每條邊和內(nèi)部分割因子（Tessellation Factor）。?

• 接收原始控制點數(shù)據(jù)并定義細(xì)分因子(Tessellation Factor)
• 通過patch constant function計算每條邊和內(nèi)部的細(xì)分等級
• 支持分?jǐn)?shù)細(xì)分模式(fractional_odd/fractional_even)實現(xiàn)平滑過渡

目標(biāo)?：

• 定義原始控制點數(shù)據(jù)并計算細(xì)分因子(Tessellation Factor)
• 確定每個patch的邊和內(nèi)部細(xì)分等級

?輸入輸出?：

• 輸入：原始控制點數(shù)據(jù)（位置、法線、UV等）
• 輸出：
  • 細(xì)分因子（SV_TessFactor標(biāo)記邊，SV_InsideTessFactor標(biāo)記內(nèi)部）
  • 處理后的控制點數(shù)據(jù)（通過INTERNALTESSPOS語義標(biāo)記）

?實現(xiàn)關(guān)鍵?：

hlsl
struct TessFactors {
    float edge[3] : SV_TessFactor; // 三條邊的細(xì)分因子
    float inside : SV_InsideTessFactor; // 內(nèi)部細(xì)分因子
};

?Tessellation Primitive Generator 固定功能?：硬件根據(jù) Hull Shader 輸出的因子實際執(zhí)行細(xì)分操作。?

• GPU固定功能階段，根據(jù)Hull Shader輸出的細(xì)分因子生成新頂點拓?fù)?/li>

目標(biāo)?：

• 根據(jù)Hull Shader輸出的細(xì)分因子生成新頂點拓?fù)?/li>
• 將原始patch細(xì)分為更密集的三角網(wǎng)格

?輸入輸出?：

• 輸入：Hull Shader輸出的細(xì)分因子和控制點

  hlsl
  
  // 來自Hull Shader的輸出
  struct TessControlPoint {
      float4 positionOS : INTERNALTESSPOS;
      float3 normalOS : NORMAL;
      float2 uv : TEXCOORD0;
  };
  
  // 細(xì)分因子定義
  struct TessFactors {
      float edge[3] : SV_TessFactor; // 每條邊的細(xì)分等級
      float inside : SV_InsideTessFactor; // 內(nèi)部細(xì)分等級
  };
  

• 輸出：細(xì)分后的頂點UV坐標(biāo)和拓?fù)潢P(guān)系

  • 生成的重心坐標(biāo)數(shù)據(jù)：

    hlsl
    float3 baryCoords : SV_DomainLocation; // 新頂點的重心坐標(biāo)
    

  • 輸出拓?fù)漕愋陀蒆ull Shader的[outputtopology]屬性定義（如triangle_cw）

?特性?：

• GPU自動執(zhí)行，無需開發(fā)者編碼
• 支持分?jǐn)?shù)細(xì)分模式實現(xiàn)平滑過渡

實現(xiàn)原理

?細(xì)分算法?

• 對原始三角面片進(jìn)行遞歸細(xì)分，采用Delaunay三角剖分原則

  GPU使用的Delaunay三角剖分原則是一種優(yōu)化網(wǎng)格拓?fù)涞臄?shù)學(xué)方法

  • ?Delaunay三角剖分原則?

    1. ?空圓特性?：任意三角形的外接圓內(nèi)不包含其他頂點
    2. ?最大化最小角?：避免出現(xiàn)尖銳三角形，提高網(wǎng)格質(zhì)量
    3. ?局部優(yōu)化?：通過邊翻轉(zhuǎn)(edge flip)逐步優(yōu)化三角網(wǎng)格

  • ?URP中的實現(xiàn)特點?：

    1. 在Tessellation Primitive Generator階段自動應(yīng)用
    2. 對細(xì)分后的新頂點進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化
    3. 保持與原網(wǎng)格的平滑過渡

  • ?具體示例?：

    原始三角面片（控制點A/B/C）經(jīng)過細(xì)分后：

    • 計算細(xì)分因子為3時：

    原始三角形： A
                / \
               C---B
    
    細(xì)分后拓?fù)洌?      A
         /|\
        / | \
       C--D--B
        \ | /
         \|/
          E
    

    • 其中D/E是新生成的頂點，所有三角形都滿足：
      • ∠ADB + ∠AEB ≈ 180°
      • 外接圓不包含其他頂點

  • ?URP中的實際應(yīng)用?：

    1. 當(dāng)使用[partitioning("fractional_odd")]時：
       • 會在過渡區(qū)域自動應(yīng)用Delaunay優(yōu)化
       • 確保不同細(xì)分等級間的平滑連接
    2. 位移貼圖處理時：
       • 新頂點根據(jù)Delaunay規(guī)則分布
       • 位移后的法線計算更準(zhǔn)確

  • 這種剖分方式使得：

    • 細(xì)分后的網(wǎng)格更適應(yīng)曲面變形
    • 避免渲染時的褶皺現(xiàn)象
    • 提升位移貼圖的視覺效果

• 根據(jù)分?jǐn)?shù)細(xì)分模式（fractional_odd/even）處理過渡區(qū)域

?坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 $Pnew=P0?u+P1?v+P2?w$

• 將參數(shù)空間坐標(biāo)(u,v,w)轉(zhuǎn)換為新的頂點位置

性能優(yōu)化?

• 采用并行計算處理多個patch
• 自動剔除屏幕空間不可見的細(xì)分結(jié)果

?Domain Shader?：

將細(xì)分后位于重心坐標(biāo)系(重心坐標(biāo)內(nèi)容后續(xù)單開一篇講解)中的新頂點位置轉(zhuǎn)換到目標(biāo)空間（如世界空間或裁剪空間）。?

• 將細(xì)分后的UV坐標(biāo)映射到3D空間
• 執(zhí)行頂點位移等后期處理

目標(biāo)?：

• 將細(xì)分后的UV坐標(biāo)映射到3D空間
• 執(zhí)行頂點位移等后期處理

?輸入輸出?：

• 輸入：細(xì)分后的UV坐標(biāo)和原始控制點數(shù)據(jù)
• 輸出：最終頂點位置（SV_POSITION）和其他頂點屬性

?實現(xiàn)示例?：

hlsl
[domain("tri")] // 聲明處理三角形patch
Varyings domain(TessFactors factors, OutputPatch<DomainAttributes, 3> patch, float3 baryCoords : SV_DomainLocation) {
    Varyings OUT;
    // 插值計算新頂點屬性
    OUT.positionWS = TransformObjectToWorld(patch[0].positionOS * baryCoords.x + ...);
    return OUT;
}

?動態(tài)控制技巧?：

• 通過攝像機(jī)距離調(diào)整細(xì)分因子：

  hlsl
  float CalcTessFactor(float3 worldPos) {
      return lerp(_MaxTess, _MinTess, saturate(distance(_WorldSpaceCameraPos, worldPos) / _TessRange));
  }
  

• 結(jié)合高度圖實現(xiàn)位移效果

?配置：

• 需顯式啟用（HLSL 中聲明 hull 和 domain 函數(shù)）。
• 必須聲明#pragma target 4.6以啟用DX11/OpenGL Core特性3
• 需手動實現(xiàn)Hull/Domain Shader，URP不提供表面著色器的簡化寫法
• 建議結(jié)合攝像機(jī)距離動態(tài)控制細(xì)分因子以優(yōu)化性能

URP中的具體實現(xiàn)步驟：

聲明編譯目標(biāo)為4.6以上：

hlsl
#pragma target 4.6

定義三個關(guān)鍵程序：

hlsl
#pragma vertex BeforeTessVert
#pragma hull HullProgram
#pragma domain DomainProgram

控制點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需包含頂點位置、法線等基礎(chǔ)屬性

?動態(tài)細(xì)分控制樣例：

• 通過距離或屏幕空間尺寸自動調(diào)整細(xì)分因子：

hlsl
// 根據(jù)攝像機(jī)距離動態(tài)計算細(xì)分因子
float CalcTessFactor(float3 worldPos) {
    float dist = distance(_WorldSpaceCameraPos, worldPos);
    return lerp(_MaxTess, _MinTess, saturate(dist / _TessRange));
}

常見應(yīng)用場景：

• 地形動態(tài)LOD：根據(jù)視角距離細(xì)分地面網(wǎng)格3
• 曲面平滑：將低模轉(zhuǎn)換為高模曲面2
• 動態(tài)位移：結(jié)合高度圖實現(xiàn)實時凹凸效果6

?注意事項：

• 僅支持DX11/OpenGL Core等現(xiàn)代圖形API6
• 細(xì)分過度會導(dǎo)致性能下降，需合理設(shè)置上限5
• URP中需手動實現(xiàn)Hull/Domain Shader，不同于內(nèi)置管線的表面著色器簡化寫法

Unity URP中完整的曲面細(xì)分著色器示例，包含頂點位移效果和動態(tài)細(xì)分控制

示例實現(xiàn)功能：

• 動態(tài)細(xì)分控制：根據(jù)攝像機(jī)距離自動調(diào)整細(xì)分因子
• 頂點位移效果：通過高度圖(_DispTex)驅(qū)動頂點偏移
• 分?jǐn)?shù)細(xì)分模式：使用fractional_odd實現(xiàn)平滑過渡
• 完整渲染管線：包含頂點/細(xì)分/片元全階段處理
• URP兼容性：使用URP的ShaderLibrary核心函數(shù)

使用說明：

• 創(chuàng)建材質(zhì)球并應(yīng)用此著色器
• 為_DispTex指定高度圖紋理
• 調(diào)整_TessFactor控制細(xì)分密度
• 通過_Displacement參數(shù)控制位移強(qiáng)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;
                
                // 插值計算基礎(chǔ)屬性
                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;
                
                // 從高度圖獲取位移值
                float disp = tex2Dlod(_DispTex, float4(uv, 0, 0)).r * _Displacement;
                positionOS += normalize(patch[0].normalOS) * disp;
                
                // 轉(zhuǎn)換到裁剪空間
                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
        }
    }
}

---

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達(dá)

（歡迎點贊留言探討，更多人加入進(jìn)來能更加完善這個探索的過程，??）