【笔记】【百人计划】图形3.3 曲面细分与几何着色器

2022-08-22

一、背景

1.1应用

曲面细分着色器
- 海浪（曲面细分+顶点位移动画）
- （交互）雪地（曲面细分+顶点位移）
- 置换贴图（曲面细分+顶点位移）
几何着色器
- 几何动画（几何图元）
- 草地等（与曲面细分着色器结合）

1.2渲染管线

顶点着色器
曲面细分着色器
- 细分控制着色器Hull Shader（TCS）
- Tessellation Primitive Generator（不可编程）
- 细分计算着色器Domain Shader（TES）
几何着色器
片元着色器

1.3曲面细分着色器

1.3.1TESS的输入与输出

Hull Stage
- Hull function
  - 每个patch每个顶点运行一次
  - 输入
    - Patch，可以看成是多个顶点的集合，包含每个顶点的属性，可以指定一个Patch包含的顶点数以及自己的属性
    - Index，指定hull shader输出patch中的哪一个顶点
  - 输出patch内对应顶点
- Patch Constant Function
  - 输入Patch
  - 每个patch运行一次
  - 输出Tessellation Factor
- 两个阶段是并行
- 功能
  - 将图元细分（三角形、矩形等）
- 输出
  - 细分后的顶点数据
Tessellation Primitive Generator
- 为新网格的所有顶点生成重心坐标
Domain stage
- 输入重心坐标、Patch
- 为细分后曲面的所有顶点运行一次
- 通常在顶点着色器的逻辑操作的部分，应该放在这里
（Geometry Stage）

1.3.2HULL shader参数

Tessellation Factor
- 决定将一条边分成几部分
- equal_Spacing
- fractional_even_spacing
- fractional_odd_spacing

Inner Tessellation Factor
- （与上面的参数是同一等级）将边等分后，向内延伸相交，直至内部没有交点。

1.4几何着色器

1.4.1几何着色器的输入与输出

输入为图元（三角形、矩形、边）
- 根据图元不同，shader中会出现对应不同数量的顶点
输出同样为图元（一个或多个），需要自己从顶点构建，顺序很重要，同时定义最大输出的顶点数

二、曲面细分

将一个Quad细分
与置换贴图结合
- 注意使用置换贴图不在fs中，也是在domain shader中的vert函数进行的，GPU无法获取mipmap信息，需要使用tex2Dlod等来读取图片。
- 法线也需要重新计算

#pragma hull hullProgram
#pragma domain ds

#pragma vertex tessvert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
#include "Tessellation.cginc"

...    
struct VertexInput;
struct VertexOutput{
    float4 vertex: SV_POSITION;
    float3 normal;
    float3 tangent;
    float2 uv;
};
    
VertexOutput vert(VertexInput v)
{
	VertexOutput o;
    o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv,_MainTex);
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.normal = v.normal;
    o.tangent = v.tangent;
}//顶点着色器的函数，但这里没有拿给顶点着色器，而是用来在DomainShader进行空间转换

//只有在能够使用曲面细分着色器的平台才能使用
#ifdef UNITY_CAN_COMPIE_TESSELLATION
struct TessVertex {
	float4 vertex: INTERNALTESSPOS;
    float3 normal: NORMAL;
    float4 tangent: TANGENT;
    float2 uv: TEXCOORD0;
};
struct OutputPatchConstant {//不同的图元，该结构会有不同
	float edge[3]: SV_TESSFACTOR;
    float inside: SV_INSIDETESSFACTOR;
};
TessVertex tessvert(VertexInput v){
    TessVertex o;
    o.vertex = v.vertex;
    o.normal = v.normal;
    o.tangent = v.tangent;
    o.uv = v.uv;
    return o;
}//顶点着色器，注意这里没有进行空间转换，而是在domianshader里进行的空间转换 

float _TessellationUniform;
OutputPatchConstant hsconst(InputPatch<TessVertex, 3> patch) {
    OutputPatchConstant o;
    o.edge[0] = _TessellationUniform;
    o.edge[1] = _TessellationUniform;
    o.edge[2] = _TessellationUniform;
    o.inside = _TessellationUniform;
}

//定义Hull shader的函数
[UNITY_domian("tri")]//指定图元
[UNITY_partitioning("fractional_odd")]//拆分edge的方式，equal_spacing等
[UNITY_outputtopology("triangl_cw")]
[UNITY_patchconstantfunc("hsconst")]//指定patch const function。一个patch一共有三个点，但是这三个点都共用这个函数
[UNITY_outputcontrolpoints(3)]//不同图元会对应不同控制点
TessVertex hullProgram(InputPatch<TessVertex, 3> patch, uint id : SV_OutputControlPointID){
    return patch[id];
}

//定义Domian shader的函数
[UNITY_domain("tri")]//同样指定图元
VertexOutput ds (OutputPatchConstant tessFactors, const OutputPatch<TessVertex, 3> patch, float3 bary : SV_DomainLocation) {
//bary重心坐标
//计算模型空间位置
    VertexInput v;
    v.vertex = patch[0].vertex*bary.x + patch[1].vertex*bary.y + patch[2].vertex*bary.z;
    v.tangent = patch[0].tangent*bary.x + patch[1].tangent*bary.y + patch[2].tangent*bary.z;
    v.normal = patch[0].normal*bary.x + patch[1].normal*bary.y + patch[2].normal*bary.z;
    v.uv = patch[0].uv*bary.x + patch[1].uv*bary.y + patch[2].uv*bary.z;
    VertexOutput o = vert(v);//调用原本该在顶点着色器中的转换函数。
    return o;
}//这里才终于把顶点数据拿给下一阶段

#ENDIF

float4 frag...

三、几何着色器

#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#pragma geometry geo
...
struct VertexInput;
struct VertexOutput{
    float4 vertex: SV_POSITION;
    float3 normal;
    float3 tangent;
};
//注意这次的顶点着色器是vert函数，上次是tessvert,同样不做任何操作
VertexOutput vert;
struct geometryOutput{
    float4 pos: SV_POSITION;
    float2 uv: TEXCOORD0;
}
geopetryOutput CreateGeoOutput(float3 pos, float2 uv){
    geometryOutput o;
    o.pos = UnityObjectToClipPos;
    o.uv = uv;
    return o;
}//在几何着色器中完成空间转换，如果同时使用曲面细分和几何着色器，也要放到几何着色器来进行


[maxvertexcount(3)]
void geo(triangle vertexOutput IN[3]: SV_POSITION, inout TriangleStream<geometryOutput> triStream){
    float pos = IN[0].vertex;
    float vNormal = IN[0].normal;
    float vTangent = IN[0].tangent;
    float vBinormal = cross(vNormal,vTangent)*vTangent.w;
    
    float height = ...
    float width = ...
        
    ...
    geometryOutput o;
    triStream.Append(CreatGeoOutput(dosomething(pos),dosomething(uv));
    triStream.Append(CreatGeoOutput(dosomething(pos),dosomething(uv));
    triStream.Append(CreatGeoOutput(dosomething(pos),dosomething(uv));//添加了一个新的三角形图元                            
}