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?曲面细分着色器与几何着色器都是在顶点着色器之后，裁剪之前，其中曲面细分着色器在几何着色器之前，两个都是可选的着色器，并不是必须要写的，且曲面细分着色器目前在手机上基本上没应用，而几何着色器最常用的则是用来渲染草地；
曲面细分与几何着色器概述
曲面着色器的应用
使用曲面细分是为了增加模型的细节，但是我们通常没必要在用户关注不到地方增加不必要的细节，因此我们会采取一些策略来得到动态的曲面细分因子：
- 距离相机的远近：距离相机越远，需要越少的模型细节，而离相机越近，曲面细分的程度可以越高。
- 屏幕空间的覆盖范围:：我们可以估算出一个模型覆盖到的屏幕区域大小，覆盖区域越小，说明模型在屏幕上占比越小，此时可以使用低多边形模型，相反，覆盖区域越大，曲面细分的程度需要越高。
- 三角面的朝向：三角面的朝向和观察方向的夹角越大，说明越靠近模型边缘(视觉上的轮廓边缘)，而此时需要更高的模型精度，因此曲面细分程度要越高。
- 表面粗糙度：粗糙表面相比平滑表面，需要更多的模型细节。例如视觉上粗糙不平的地面相比光滑的镜面，需要更多的模型细节来进行表现。
?和置换贴图结合使用
- 单独使用置换贴图的问题在于，如果模型的面数不够多，边缘就会非常锐利，效果不好；使用曲面细分着色器使模型面数变多之后，细节的表达会更精确、更平滑
- 使用曲面细分着色器可以根据一定的规则（如距离）来动态地调整模型的复杂度，比起直接使用高模能带来更好的性能
?几何着色器的应用
?几何动画
?草地等效果（与曲面细分结合）
?自定义草的画法，再和曲面细分着色器结合，就可以得到一个可以动态调整草密度的一个草地效果。
从管线顺序理解
整体顺序：顶点 → 曲面细分 → 几何 → 片元
曲面细分又分为：Hull shader 、Tessellation Primitive Generator 、 Domain shader
- Hull shader主要作用：定义一些细分的参数（如：每条边上如何细分，内部三角形如何细分）
- Tessellation Primitive Generator，不可编程的，不需要我们做啥
- Domain shader：经过曲面细分着色器细分后的点是位于重心空间的，这部分的作用就是把它转化到我们要用的空间。
在D3D11 和 OpenGL中，名字/叫法有差异
曲面细分着色器-Tessellation shader（TESS）
TESS的输入和输出
?TESS的流程
Hull shader参数详解
Tessellation Factor
定义把一条边分为几个部分
equa_Spacing：将一条边等分（二、三分等等..），Subdivide参数是几就是几等分；
fractional_even_Spacing:最小值为2，Subdivide参数向上取最近的偶数，将周长分为n-2的等长的部分，以及两端不等长的部分，目的是让细分更平滑；
fractional_odd_Spacing :最小值为1，Subdivide参数向上取最近的奇数，将周长分为n-2的等长的部分，以及两端不等长的部分，目的是让细分更平滑；
Inner Tessellation Factor
定义内部的三角形/矩形是怎么画出来的
?内部细分因素，当该参数为3时，无论上面的Tessellation Factor怎样去进行切分的，我们把三角形切分为三等分，然后分别找最近的两个切分的点，做其延长线，其焦点便是在新内部三角形的一个点；
（概括下就是取边上点的垂线的延长线做交点，直至最后无交点或者交于中心一点）
?同样的，做延长线，交点，直到没有交点或者交于重心一个点
曲面细分Demo部分
曲面细分算法展示
//曲面细分Demo1
Shader "Unlit/TessShader"
{
Properties
{
_TessellationUniform("TessellationUniform",Range(1,64)) = 1
}
SubShader
{
Tags { "RenderType"="Opaque" }
LOD 100
Pass
{
CGPROGRAM
//定义2个函数 hull domain
#pragma hull hullProgram
#pragma domain ds
#pragma vertex tessvert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
//引入曲面细分的头文件
#include "Tessellation.cginc"
#pragma target 5.0
struct VertexInput
{
float4 vertex : POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
float3 normal : NORMAL;
float4 tangent : TANGENT;
};
struct VertexOutput
{
float2 uv : TEXCOORD0;
float4 vertex : SV_POSITION;
float3 normal : NORMAL;
float4 tangent : TANGENT;
};
VertexOutput vert (VertexInput v)
//这个函数应用在domain函数中，用来空间转换的函数
{
VertexOutput o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.uv = v.uv;
o.tangent = v.tangent;
o.normal = v.normal;
return o;
}
//有些硬件不支持曲面细分着色器，定义了该宏就能够在不支持的硬件上不会变粉，也不会报错
#ifdef UNITY_CAN_COMPILE_TESSELLATION
//顶点着色器结构的定义
struct TessVertex{
float4 vertex : INTERNALTESSPOS;
float3 normal : NORMAL;
float4 tangent : TANGENT;
float2 uv : TEXCOORD0;
};
struct OutputPatchConstant {
//不同的图元，该结构会有所不同
//该部分用于Hull Shader里面
//定义了patch的属性
//Tessellation Factor和Inner Tessellation Factor
float edge[3] : SV_TESSFACTOR;
float inside : SV_INSIDETESSFACTOR;
};
TessVertex tessvert (VertexInput v){
//顶点着色器函数
TessVertex o;
o.vertex = v.vertex;
o.normal = v.normal;
o.tangent = v.tangent;
o.uv = v.uv;
return o;
}
float _TessellationUniform;
OutputPatchConstant hsconst (InputPatch<TessVertex,3> patch){
//定义曲面细分的参数
OutputPatchConstant o;
o.edge[0] = _TessellationUniform;
o.edge[1] = _TessellationUniform;
o.edge[2] = _TessellationUniform;
o.inside = _TessellationUniform;
return o;
}
[UNITY_domain("tri")]//确定图元，quad,triangle等
[UNITY_partitioning("fractional_odd")]//拆分edge的规则，equal_spacing,fractional_odd,fractional_even
[UNITY_outputtopology("triangle_cw")]
[UNITY_patchconstantfunc("hsconst")]//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)] //不同的图元会对应不同的控制点
TessVertex hullProgram (InputPatch<TessVertex,3> patch,uint id : SV_OutputControlPointID){
//定义hullshaderV函数
return patch[id];
}
[UNITY_domain("tri")]//同样需要定义图元
VertexOutput ds (OutputPatchConstant tessFactors, const OutputPatch<TessVertex,3>patch,float3 bary :SV_DOMAINLOCATION)
//bary:重心坐标
{
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);
return o;
}
#endif
float4 frag (VertexOutput i) : SV_Target
{
return float4(1.0,1.0,1.0,1.0);
}
ENDCG
}
}
Fallback "Diffuse"
}和置换贴图结合
?通过置换贴图的深度，来把顶点沿着它的法线方向进行移动，以此来对mash进行形变。
?代码部分和上个Demo的区别也就是在顶点shader部分对顶点进行了位移、和一些计算法线的参数。因为顶点位移后没有对应的法线贴图，所以需要自己计算一下
//曲面细分Demo2：与置换贴图结合使用
Shader "Unlit/Tess_Diss_Shader"
{
Properties
{
_MainTex("MainTex",2D) = "white"{}
_DisplacementMap("_DisplacementMap",2D)="gray"{}
_DisplacementStrength("DisplacementStrength",Range(0,1)) = 0
_Smoothness("Smoothness",Range(0,5))=0.5
_TessellationUniform("TessellationUniform",Range(1,64)) = 1
}
SubShader
{
Tags { "RenderType"="Opaque"
"LightMode"="ForwardBase"}
LOD 100
Pass
{
CGPROGRAM
//定义2个函数 hull domain
#pragma hull hullProgram
#pragma domain ds
#pragma vertex tessvert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
//引入曲面细分的头文件
#include "Tessellation.cginc"
#pragma target 5.0
float _TessellationUniform;
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;
sampler2D _DisplacementMap;
float4 _DisplacementMap_ST;
float _DisplacementStrength;
float _Smoothness;
struct VertexInput
{
float4 vertex : POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
float3 normal : NORMAL;
float4 tangent : TANGENT;
};
struct VertexOutput
{
float2 uv : TEXCOORD0;
float4 pos : SV_POSITION;
float4 worldPos:TEXCOORD1;
half3 tspace0 :TEXCOORD2;
half3 tspace1 :TEXCOORD3;
half3 tspace2 :TEXCOORD4;
};
VertexOutput vert (VertexInput v)
//这个函数应用在domain函数中，用来空间转换的函数
{
VertexOutput o;
o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv,_MainTex);
//Displacement
//由于并不是在Fragnent shader中读取图片，GPU无法获取mipmap信息，因此需要使用tex2Dlod来读取图片，使用第四坐标作为mipmap的level，这里取了0
float Displacement = tex2Dlod(_DisplacementMap,float4(o.uv.xy,0.0,0.0)).g;
Displacement = (Displacement-0.5)*_DisplacementStrength;
v.normal = normalize(v.normal);
v.vertex.xyz += v.normal * Displacement;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);
//计算切线空间转换矩阵
half3 vNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
half3 vTangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);
//compute bitangent from cross product of normal and tangent
half tangentSign = v.tangent.w * unity_WorldTransformParams.w;
half3 vBitangent = cross(vNormal,vTangent)*tangentSign;
//output the tangent space matrix
o.tspace0 = half3(vTangent.x,vBitangent.x,vNormal.x);
o.tspace1 = half3(vTangent.y,vBitangent.y,vNormal.y);
o.tspace2 = half3(vTangent.z,vBitangent.z,vNormal.z);
return o;
}
//有些硬件不支持曲面细分着色器，定义了该宏就能够在不支持的硬件上不会变粉，也不会报错
#ifdef UNITY_CAN_COMPILE_TESSELLATION
//顶点着色器结构的定义
struct TessVertex{
float4 vertex : INTERNALTESSPOS;
float3 normal : NORMAL;
float4 tangent : TANGENT;
float2 uv : TEXCOORD0;
};
struct OutputPatchConstant {
//不同的图元，该结构会有所不同
//该部分用于Hull Shader里面
//定义了patch的属性
//Tessellation Factor和Inner Tessellation Factor
float edge[3] : SV_TESSFACTOR;
float inside : SV_INSIDETESSFACTOR;
};
TessVertex tessvert (VertexInput v){
//顶点着色器函数
TessVertex o;
o.vertex = v.vertex;
o.normal = v.normal;
o.tangent = v.tangent;
o.uv = v.uv;
return o;
}
//float _TessellationUniform;
OutputPatchConstant hsconst (InputPatch<TessVertex,3> patch){
//定义曲面细分的参数
OutputPatchConstant o;
o.edge[0] = _TessellationUniform;
o.edge[1] = _TessellationUniform;
o.edge[2] = _TessellationUniform;
o.inside = _TessellationUniform;
return o;
}
[UNITY_domain("tri")]//确定图元，quad,triangle等
[UNITY_partitioning("fractional_odd")]//拆分edge的规则，equal_spacing,fractional_odd,fractional_even
[UNITY_outputtopology("triangle_cw")]
[UNITY_patchconstantfunc("hsconst")]//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)] //不同的图元会对应不同的控制点
TessVertex hullProgram (InputPatch<TessVertex,3> patch,uint id : SV_OutputControlPointID){
//定义hullshaderV函数
return patch[id];
}
[UNITY_domain("tri")]//同样需要定义图元
VertexOutput ds (OutputPatchConstant tessFactors, const OutputPatch<TessVertex,3>patch,float3 bary :SV_DOMAINLOCATION)
//bary:重心坐标
{
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);
return o;
}
#endif
float4 frag (VertexOutput i) : SV_Target
{
float3 lightDir =_WorldSpaceLightPos0.xyz;
float3 tnormal = UnpackNormal (tex2D (_DisplacementMap, i.uv));
half3 worldNormal;
worldNormal.x=dot(i.tspace0,tnormal);
worldNormal.y= dot (i.tspace1, tnormal);
worldNormal.z=dot (i.tspace2, tnormal);
float3 albedo=tex2D (_MainTex, i.uv). rgb;
float3 lightColor = _LightColor0.rgb;
float3 diffuse = albedo * lightColor * DotClamped(lightDir,worldNormal);
float3 viewDir = normalize (_WorldSpaceCameraPos. xyz-i. worldPos. xyz);
float3 halfVector = normalize(lightDir + viewDir);
float3 specular = albedo * pow (DotClamped (halfVector, worldNormal), _Smoothness * 100);
float3 result = specular + diffuse;
return float4(result, 1.0);
return float4(result,1.0);
}
ENDCG
}
}
Fallback "Diffuse"
}几何着色器-Geometry shader （GS）
输入与输出
?几何着色器Demo部分
Demo1：基于三角形构建一个草地
?
Shader "TA100/GS/Grass"
{
Properties
{
[Header(shading)]
_TopColor ("Top Color", Color) = (1,1,1,1)
_BottomColor ("Bottom Color", Color) = (1,1,1,1)
_BladeWidth ("Blade Width",float) = 0.05
_BladeWidthRandom ("Blade Width Random",float) = 0.02
_BladeHeight ("Blade Height",float) = 0.5
_BladeHeightRandom ("Blade Height Random",float) = 0.3
}
SubShader
{
Tags { "RenderType"="Opaque" }
LOD 100
Pass
{
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
//定义几何着色器
#pragma geometry geo
#pragma fragment frag
#pragma target 4.6
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
#include "Autolight.cginc"
float4 _TopColor;
float4 _BottomColor;
// 生成随机数
float rand(float3 co)
{
return frac(sin(dot(co.xyz,float3(12.9898,78.233,53.539))) * 43758.5453);
}
float3x3 AngleAxis3x3(float angle, float3 axis)//旋转矩阵
{
float c,s;
sincos(angle,s,c);
float t = 1 - c;
float x = axis.x;
float y = axis.y;
float z = axis.z;
return float3x3(
t * x * x + c, t * x * y - s * z, t * x * z + s * y,
t * x * y + s * z, t * y * y + c, t * y * z - s * x,
t * x * z - s * y, t * y * z + s * x, t * z * z + c
);
}
float _BladeHeight;
float _BladeHeightRandom;
float _BladeWidth;
float _BladeWidthRandom;
struct vertexInput
{
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
float4 tangent : TANGENT;
};
struct vertexOutput
{
float3 normal : NORMAL;
float4 vertex : SV_POSITION;
float4 tangent : TANGENT;
};
vertexOutput vert (vertexInput v)
{
vertexOutput o;
o.vertex = v.vertex;
o.normal = v.normal;
o.tangent = v.tangent;
return o;
}
struct geometryOutput
{
float4 pos : SV_POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
};
geometryOutput CreateGeoOutput(float3 pos,float2 uv)// 用于空间转换的函数
{
geometryOutput o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(pos);
o.uv = uv;
return o;
}
[maxvertexcount(3)]//定义最大输出点，此处输出三角形所以是3
//输出使用了TriangleStream，每个顶点都用到了结构体geometryOutput
void geo(triangle vertexOutput IN[3] : SV_POSITION, inout TriangleStream<geometryOutput> triStream)
{
//抛弃顶点本身位置信息的影响，所以采用切线空间，类比法线
float3 pos = IN[0].vertex;
float3 vNormal = IN[0].normal;
float4 vTangent = IN[0].tangent;
float3 vBitangent = cross(vNormal,vTangent) * vTangent.w;
float height = (rand(pos.zyx) * 2 - 1) * _BladeHeightRandom + _BladeHeight;
float width = (rand(pos.xzy) * 2 - 1) * _BladeWidthRandom + _BladeWidth;
//构建矩阵
float3x3 facingRotationMatrix = AngleAxis3x3(rand(pos) * UNITY_TWO_PI,float3(0,0,1));
float3x3 tangentToLocal = float3x3(
vTangent.x,vBitangent.x,vNormal.x,
vTangent.y,vBitangent.y,vNormal.y,
vTangent.z,vBitangent.z,vNormal.z
);
float3x3 transformationMat = mul(tangentToLocal,facingRotationMatrix);
//输出图元用到了TriangleStream，相当于一个用来装配三角形的工具
//定义了三角形的宽度和高度
geometryOutput o;
triStream.Append(CreateGeoOutput(pos + mul(transformationMat,float3(width,0,0)),float2(0,0)));
triStream.Append(CreateGeoOutput(pos + mul(transformationMat,float3(-width,0,0)),float2(1,0)));
triStream.Append(CreateGeoOutput(pos + mul(transformationMat,float3(0,0,height)),float2(0.5,1)));
}
fixed4 frag (geometryOutput i,fixed facing : VFACE) : SV_Target
{
return lerp(_BottomColor,_TopColor,i.uv.y);
}
ENDCG
}
}
}
Demo2：基于简单的草地，结合曲面细分着色器
几何着色器部分代码：
首先是宽度和高度进行了一个随机，forward是前向的弯曲程度
加入了风
? //占位符
加入了弯曲
//占位符
//SEGMENTS参数解释占位符
曲面细分着色器部分是include进来的
注意：这里的空间转换最后放到几何着色器中进行了，所以这里Domain函数中没有进一步进行空间转换
曲面细分着色器中重要的区别：
distancefactor是用Unity中的一个基于距离的函数来设置的
之前是手动设置factor，这样不管哪里密度都一样，效果不好
改用这里之后，密度会基于距离进行调整