wordpress 建站模板,网站免费推广怎么做,新品发布会主题,中国企业报集团官网学百人时遇到了曲面着色器的内容#xff0c;有点糊里糊涂#xff0c;于是上知乎找到了两篇大佬的文章 Unity URP 曲面细分 和 Unity曲面细分笔记#xff0c;本文只是自己做学习记录使用
1.曲面细分与镶嵌
曲面细分或细分曲面#xff08;Subdivision surface#xff09;是…学百人时遇到了曲面着色器的内容有点糊里糊涂于是上知乎找到了两篇大佬的文章 Unity URP 曲面细分 和 Unity曲面细分笔记本文只是自己做学习记录使用
1.曲面细分与镶嵌
曲面细分或细分曲面Subdivision surface是指一种通过递归算法将一个粗糙的几何网格细化的技术。镶嵌Tessellation则是实现曲面细分的具体手段它能将场景中的几何物体顶点集划分为合适的渲染结构。 曲面细分分为三个阶段外壳着色器Hull Shader、镶嵌器Tessellator、域着色器Domain Shader。
1.1 外壳着色器 Hull Shader
Hull shader实际上是两个阶段Phase组成常量外壳着色器Constant Hull Shader和 控制点外壳着色器Control point hull shader两个阶段并行运行。
Constant Hull Shader 会对每一个面片进行处理主要任务是输出网格的曲面细分因子Tessellation Factor曲面细分因子用于指导面片细分数。 假如要传入的面片是三角形那么对于三角形就会有三个边曲面细分因子所以edgeFactor[3]对于内部曲面细分因子因为三角形是最小的图元所以内部是一个因子个人理解insideFactor如果是矩形的话就是四个边因子和两个内部因子常量外壳着色器会以面片的所有顶点或控制点为输入所以有三个顶点InputPatchVertexOut, 3 patch数字为3SV_PrimitiveID 提供传入面片的ID值可以用来区分不同的Patch这样你就可以根据Patch的ID来为每个Patch设置不同的细分因子或者执行其他依赖于Patch ID的操作。它对于每个图元都是不同的
struct PatchTess{float edgeFactor[3];float insideFactor;
};PatchTess PatchConstant(InputPatchVertexOut, 3 patch, uint patchID : SV_PrimitiveID)
{PatchTess o;o.edgeFactor[0] 4;o.edgeFactor[1] 4; o.edgeFactor[2] 4;o.insideFactor 4;return o;
}Control Point Hull Shader 用来改变每个输出顶点的位置信息例如将一个三角形变为三次贝塞尔三角面片 domain面片类型参数有三角面tri、四角面片quad、等值线isolinepartitioning曲面细分方式参数有integer、fractional_even、fractional_odd integer指新顶点的增加指取决于细分的整数部分等分图形可能会出现图片fractional_even向上取最近的偶数n将整段切割为n-2个相等长度的部分和两端较短的部分fractional_odd向上取最近的奇数n将整段切割为n-2个相等长度的部分和两端较短的部分 outputtopology细分创建的三角形面片的绕序参数有顺时针triangle_cw、逆时针triangle_ccwpatchconstantfunc常量外壳着色器的函数名outputcontrolpoints外壳着色器的执行次数即生成的控制点个数maxtessfactor程序会使用到最大的细分因子SV_OutputControlPointID当前正在操作的控制点索引ID
[domain(tri)]
[partitioning(integer)]
[outputtopology(triangle_cw)]
[patchconstantfunc(PatchConstant)]
[outputcontrolpoints(3)]
[maxtessfactor(64.0f)]
HullOut ControlPoint (InputPatchVertexOut,3 patch,uint id : SV_OutputControlPointID){ HullOut o;o.positionOS patch[id].positionOS;o.texcoord patch[id].texcoord; return o;
}常量外壳着色器对每个片元执行一次输出细分因子等信息控制点外壳着色器对每个控制点执行一次并输出对应或衍生的控制点。两个阶段并行运行。
1.2 镶嵌器阶段 Tessellator
这一阶段我们无法对其做出任何控制全程由硬件控制。在这一阶段硬件根据之前曲面细分因子对面片做出细分操作。
1.3 域着色器阶段 Domain Shader
就和普通的顶点着色器要做的差不多我们需要计算每一个控制点的顶点位置等信息。
功能 生成细分顶点这些顶点是由外壳着色器确定的细分因子和细分模式所生成的插值属性根据控制点的属性进行插值得到细分顶点的属性输出顶点域着色器生成最终的顶点数据并传递给后面的着色器
struct HullOut{float3 positionOS : INTERNALTESSPOS; float2 texcoord : TEXCOORD0;
};struct DomainOut
{float4 positionCS : SV_POSITION;float2 texcoord : TEXCOORD0;
};[domain(tri)]
DomainOut FlatTessDomain (PatchTess tessFactors, const OutputPatchHullOut,3 patch, float3 bary : SV_DOMAINLOCATION)
{ float3 positionOS patch[0].positionOS * bary.x patch[1].positionOS * bary.y patch[2].positionOS * bary.z; float2 texcoord patch[0].texcoord * bary.x patch[1].texcoord * bary.y patch[2].texcoord * bary.z;DomainOut output;output.positionCS TransformObjectToHClip(positionOS);output.texcoord texcoord;return output;
}域着色器输入接受一个域Domain输入代表了细分后顶点在原始补丁内的位置这个位置通常用参数空间坐标表示例如重心坐标Barycentric Coordinates这里的重心坐标是由硬件在细分过程的一个中间阶段 Tessellator 自动计算得出的属性插值域着色器使用这些参数空间坐标来插值原始控制点的属性。顶点输出域着色器输出一个顶点这个顶点包含计算后的位置和其他属性如颜色、纹理坐标、法线等
2.具体实现
2.1 不同的细分策略
2.1.1 平面镶嵌 Flat Tessellation
平面镶嵌只是线性插值位置信息细分后的图案只比之前多了一些三角面片单独使用并不能平滑模型。通常和置换贴图配合使用创建凹凸不平的平面。
Shader Tessellation/Flat Tessellation
{Properties{[NoScaleOffset]_BaseMap (Base Map, 2D) white {} [Header(Tess)][Space][KeywordEnum(integer, fractional_even, fractional_odd)]_Partitioning (Partitioning Mode, Float) 0[KeywordEnum(triangle_cw, triangle_ccw)]_Outputtopology (Outputtopology Mode, Float) 0_EdgeFactor (EdgeFactor, Range(1,8)) 4 _InsideFactor (InsideFactor, Range(1,8)) 4 }SubShader{Tags { RenderTypeOpaque }Pass{ HLSLPROGRAM#pragma target 4.6 #pragma vertex FlatTessVert#pragma fragment FlatTessFrag #pragma hull FlatTessControlPoint#pragma domain FlatTessDomain#pragma multi_compile _PARTITIONING_INTEGER _PARTITIONING_FRACTIONAL_EVEN _PARTITIONING_FRACTIONAL_ODD #pragma multi_compile _OUTPUTTOPOLOGY_TRIANGLE_CW _OUTPUTTOPOLOGY_TRIANGLE_CCW #include Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl CBUFFER_START(UnityPerMaterial) float _EdgeFactor; float _InsideFactor; CBUFFER_ENDTEXTURE2D(_BaseMap); SAMPLER(sampler_BaseMap); struct Attributes{float3 positionOS : POSITION; float2 texcoord : TEXCOORD0;};struct VertexOut{float3 positionOS : INTERNALTESSPOS; float2 texcoord : TEXCOORD0;};struct PatchTess { float edgeFactor[3] : SV_TESSFACTOR;float insideFactor : SV_INSIDETESSFACTOR;};struct HullOut{float3 positionOS : INTERNALTESSPOS; float2 texcoord : TEXCOORD0;};struct DomainOut{float4 positionCS : SV_POSITION;float2 texcoord : TEXCOORD0; };VertexOut FlatTessVert(Attributes input){ VertexOut o;o.positionOS input.positionOS; o.texcoord input.texcoord;return o;}PatchTess PatchConstant (InputPatchVertexOut,3 patch, uint patchID : SV_PrimitiveID){ PatchTess o;o.edgeFactor[0] _EdgeFactor;o.edgeFactor[1] _EdgeFactor; o.edgeFactor[2] _EdgeFactor;o.insideFactor _InsideFactor;return o;}[domain(tri)] #if _PARTITIONING_INTEGER[partitioning(integer)] #elif _PARTITIONING_FRACTIONAL_EVEN[partitioning(fractional_even)] #elif _PARTITIONING_FRACTIONAL_ODD[partitioning(fractional_odd)] #endif #if _OUTPUTTOPOLOGY_TRIANGLE_CW[outputtopology(triangle_cw)] #elif _OUTPUTTOPOLOGY_TRIANGLE_CCW[outputtopology(triangle_ccw)] #endif[patchconstantfunc(PatchConstant)] [outputcontrolpoints(3)] [maxtessfactor(64.0f)] HullOut FlatTessControlPoint (InputPatchVertexOut,3 patch,uint id : SV_OutputControlPointID){ HullOut o;o.positionOS patch[id].positionOS;o.texcoord patch[id].texcoord; return o;}[domain(tri)] DomainOut FlatTessDomain (PatchTess tessFactors, const OutputPatchHullOut,3 patch, float3 bary : SV_DOMAINLOCATION){ float3 positionOS patch[0].positionOS * bary.x patch[1].positionOS * bary.y patch[2].positionOS * bary.z; float2 texcoord patch[0].texcoord * bary.x patch[1].texcoord * bary.y patch[2].texcoord * bary.z;DomainOut output;output.positionCS TransformObjectToHClip(positionOS);output.texcoord texcoord;return output; }half4 FlatTessFrag(DomainOut input) : SV_Target{ half3 color SAMPLE_TEXTURE2D(_BaseMap, sampler_BaseMap, input.texcoord).rgb;return half4(color, 1.0); }ENDHLSL}}
}2.1.2 PN TessellationPer-Node Tessellation
论文学习 Curved PN Triangles(Paper) 网站学习 OpenGL tutorial
在外壳着色器阶段把一个三角面片3个控制点转换为一个3次贝塞尔三角面片Cubic Bezier Triangle Patch一种具有10个控制点的面片这种策略称为 Curved Point-Normal TrianglesPN triangles不同于Flat Tessellation即使没有置换贴图也能实现改变模型形状平滑轮廓的作用。满足了资源有限以及环境限制的需求。
我们将使用一个Bezier曲面Bezier三角形形式如下
uvw代表的是质心坐标u v w 110个 b u v w b_{uvw} buvw是CPsCPs形似如下图类似于三角形顶部有一个点膨胀的表面 在镶嵌流水线中
外壳着色器我们将生成10个控制点并确定细分因子 如何生成控制点 1.三角形原始顶点B003、B030和B300保持不变2.两个中点B012和B021在1/3和2/3的位置3.将中点投影在初始顶点的切平面上4.对于B111点我们从原始的三角形中心三个初始顶点取平均值到6个中点的平均值投影后的取一个矢量 Tesellation Primitive GeneratorPG中再根据细分因子对三角形域进行细分并对每个新点执行域着色器域着色器把来自PG的质心坐标和来自外壳着色器的10个控制点插入到贝塞尔三角形多项式中得到的结果是膨胀表面上的坐标。
每个控制点的生成
float3 ComputeCP(float3 pA, float3 pB, float3 nA){return (2 * pA pB - dot((pB - pA), nA) * nA) / 3.0f;
}由于控制点的增多在Hull Shader输出时每个顶点需要多携带两个顶点信息中心控制点b111可以直接推算出来例如b030 可能需要携带b021和b012的顶点信息。修改一下控制点外壳着色器。
用TEXCOORD1和TEXCOORD2来存储额外的两个顶点信息在PNTessControlPoint控制点着色器中使用三元运算符来对nextID进行赋值实现对每个新生成的控制点进行计算。
struct HullOut{float3 positionOS : INTERNALTESSPOS;float3 normalOS : NORMAL;float2 texcoord : TEXCOORD0;float3 positionOS1 : TEXCOORD1; // 三角片元每个顶点多携带两个顶点信息float3 positionOS2 : TEXCOORD2;
}; float3 ComputeCP(float3 pA, float3 pB, float3 nA){return (2 * pA pB - dot((pB - pA), nA) * nA) / 3.0f;
}[domain(tri)]
[partitioning(integer)]
[outputtopology(triangle_cw)]
[patchconstantfunc(PatchConstant)]
[outputcontrolpoints(3)]
[maxtessfactor(64.0f)]
HullOut PNTessControlPoint(InputPatchVertexOut,3 patch,uint id : SV_OutputControlPointID){ HullOut output;const uint nextCPID id 2 ? id 1 : 0;output.positionOS patch[id].positionOS;output.normalOS patch[id].normalOS;output.texcoord patch[id].texcoord;output.positionOS1 ComputeCP(patch[id].positionOS, patch[nextCPID].positionOS, patch[id].normalOS);output.positionOS2 ComputeCP(patch[nextCPID].positionOS, patch[id].positionOS, patch[nextCPID].normalOS);return output;
}域着色器负责“Bezier三角形的实现”根据上面Bezier三角形的表达式
首先计算系数u,v,w即质心坐标上面已经介绍了是PG阶段自动生成的把外壳着色器中得到的控制点赋值给变量并计算E和V得到b111点此处对于法线的计算就简化为“最简单的三个控制点插值获取的方式”
[domain(tri)]
DomainOut PNTessDomain (PatchTess tessFactors, const OutputPatchHullOut,3 patch, float3 bary : SV_DOMAINLOCATION)
{ float u bary.x;float v bary.y;float w bary.z;float uu u * u;float vv v * v;float ww w * w;float uu3 3 * uu;float vv3 3 * vv;float ww3 3 * ww;float3 b300 patch[0].positionOS;float3 b210 patch[0].positionOS1;float3 b120 patch[0].positionOS2;float3 b030 patch[1].positionOS;float3 b021 patch[1].positionOS1;float3 b012 patch[1].positionOS2;float3 b003 patch[2].positionOS;float3 b102 patch[2].positionOS1;float3 b201 patch[2].positionOS2; float3 E (b210 b120 b021 b012 b102 b201) / 6.0;float3 V (b003 b030 b300) / 3.0; float3 b111 E (E - V) / 2.0f; // 插值获得细分后的顶点位置float3 positionOS b300 * ww * w b030 * uu * u b003 * vv * v b210 * ww3 * u b120 * uu3 * w b021 * uu3 * v b012 * vv3 * u b102 * vv3 * w b201 * ww3 * v b111 * 6.0 * w * u * v;// 此处简化了法线的计算float3 normalOS patch[0].normalOS * u patch[1].normalOS * v patch[2].normalOS * w;normalOS normalize(normalOS);float2 texcoord patch[0].texcoord * u patch[1].texcoord * v patch[2].texcoord * w;DomainOut output; output.positionCS TransformObjectToHClip(positionOS); output.normalWS TransformObjectToWorldNormal(normalOS);output.uv texcoord;return output;
}然而目前的做法是有缺陷的在面对一些相同位置有不同法线的模型时细分后会造成模型边缘的不连续形成裂缝Crack。
2.1.3 Phong Tessellation
Phong着色应该很熟悉是一种利用法向量线性差值得到平滑的着色的技术。Phong细分的灵感来自Phong着色将Phong着色这一概念扩展到空间域。
核心思想是利用三角形每个角的顶点法线来影响细分过程中新顶点的位置从而创造出曲面而非平面。 三角形原始顶点的切平面上 P ′ P − ( ( P − V ) ⋅ N ) N P P - ((P-V)\cdot N)N P′P−((P−V)⋅N)N P P P 是最初插值的平面位置 V V V 是平面上的一个顶点位置 N N N 是顶点 V V V 处的法线 P ′ P P′是 P P P 在平面上的投影。
float3 ProjectPointOnPlane(float3 flatPositionWS, float3 cornerPositionWS, float3 normalWS)
{return flatPositionWS - dot(flatPositionWS - cornerPositionWS, normalWS) * normalWS;
}投影在三个切平面的三个点重新组成一个新的三角形再用当前顶点的重心坐标插值计算出新的点。 real3 PhongTessellation(real3 positionWS, real3 p0, real3 p1, real3 p2, real3 n0, real3 n1, real3 n2, real3 baryCoords, real shape){// 分别计算三个切平面的投影点real3 c0 ProjectPointOnPlane(positionWS, p0, n0);real3 c1 ProjectPointOnPlane(positionWS, p1, n1);real3 c2 ProjectPointOnPlane(positionWS, p2, n2);// 利用质心坐标插值得到最终顶点位置real3 phongPositionWS baryCoords.x * c0 baryCoords.y * c1 baryCoords.z * c2;// 通过shape 控制平滑程度return lerp(positionWS, phongPositionWS, shape);}域着色器修改为
DomainOut PhongTriTessDomain (PatchTess tessFactors, const OutputPatchHullOut,3 patch, float3 bary : SV_DOMAINLOCATION)
{ float3 positionWS patch[0].positionWS * bary.x patch[1].positionWS * bary.y patch[2].positionWS * bary.z; positionWS PhongTessellation(positionWS, patch[0].positionWS, patch[1].positionWS, patch[2].positionWS, patch[0].normalWS, patch[1].normalWS, patch[2].normalWS, bary, _PhongShape);float2 texcoord patch[0].texcoord * bary.x patch[1].texcoord * bary.y patch[2].texcoord * bary.z;DomainOut output;output.positionCS TransformObjectToHClip(positionWS);output.texcoord texcoord;return output;
}2.2 不同的细分因子
2.2.1 基于相机距离
为了让距离相机近的位置细分程度高一点所以我们要先获取相机的位置并且得到片元距相机的距离三角形边缘中点到相机的距离以此距离来调整细分因子
real3 GetDistanceBasedTessFactor(real3 p0, real3 p1, real3 p2, real3 cameraPosWS, real tessMinDist, real tessMaxDist)
{real3 edgePosition0 0.5 * (p1 p2);real3 edgePosition1 0.5 * (p0 p2);real3 edgePosition2 0.5 * (p0 p1);// In case camera-relative rendering is enabled, cameraPosWS is statically known to be 0,// so the compiler will be able to optimize distance() to length().real dist0 distance(edgePosition0, cameraPosWS);real dist1 distance(edgePosition1, cameraPosWS);real dist2 distance(edgePosition2, cameraPosWS);// The saturate will handle the produced NaN in case min maxreal fadeDist tessMaxDist - tessMinDist;real3 tessFactor;tessFactor.x saturate(1.0 - (dist0 - tessMinDist) / fadeDist);tessFactor.y saturate(1.0 - (dist1 - tessMinDist) / fadeDist);tessFactor.z saturate(1.0 - (dist2 - tessMinDist) / fadeDist);return tessFactor;
}real可以根据编译时的设置或宏定义来决定它具体代表哪种浮点数类型cameraPosWS变量不需要在Shader中声明因为它是由Unity渲染管线自动提供的fadeDist是最大距离tessMaxDist和最小距离tessMinDist之间的差值这个值定义了距离影响细分因子的范围对于每个边缘细分因子是通过将距离与tessMinDist相减然后除以fadeDist这个比例表示了当前距离相对于细分开始和结束的距离范围的位置再用1减去该值将比例翻转即摄像机靠近相机时细分因子接近1最后使用saturate函数来限制结果在0到1之间细分因子通常是介于0-1之间的值0表示没有细分1表示最大细分级别。这样当边缘中点距离相机较近时细分因子接近1表示细分程度较高当边缘中点距离相机较远时细分因子接近0表示细分程度较低。
通过上述返回的细分因子给三角形的边缘细分因子和内部细分因子赋值内部细分因子设为三个边缘的平均
real4 CalcTriTessFactorsFromEdgeTessFactors(real3 triVertexFactors)
{real4 tess;tess.x triVertexFactors.x;tess.y triVertexFactors.y;tess.z triVertexFactors.z;tess.w (triVertexFactors.x triVertexFactors.y triVertexFactors.z) / 3.0;return tess;
}现将常量外壳着色器的代码调整如下
PatchTess PatchConstant (InputPatchVertexOut,3 patch, uint patchID : SV_PrimitiveID){ PatchTess o;float3 cameraPosWS GetCameraPositionWS();real3 triVectexFactors GetDistanceBasedTessFactor(patch[0].positionWS, patch[1].positionWS, patch[2].positionWS, cameraPosWS, _TessMinDist, _TessMinDist _FadeDist);float4 tessFactors _EdgeFactor * CalcTriTessFactorsFromEdgeTessFactors(triVectexFactors);o.edgeFactor[0] max(1.0, tessFactors.x);o.edgeFactor[1] max(1.0, tessFactors.y);o.edgeFactor[2] max(1.0, tessFactors.z);o.insideFactor max(1.0, tessFactors.w);return o;
}
