Shader编写指南(五十八): 表面着色器（Surface Shader）DX11/OpenGL 核心曲面细分示例

于 2025-06-09 16:53:33 发布
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分类专栏： # Unity Surface Shaders 开发指南 文章标签： 着色器 unity shader Surface Shader
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在内置渲染管线中，表面着色器支持基于 DirectX 11 和 OpenGL Core 的 GPU 曲面细分（Tessellation），通过#pragma tessellate指令定义细分因子计算函数。以下是不同场景下的实现示例及技术细节：

一、曲面细分基础架构

核心指令

hlsl

#pragma surface surf <光照模型> tessellate:<细分函数> [vertex:<顶点修改函数>]  
#pragma target 4.6 // 要求Shader Model 4.6及以上

  • 细分函数：计算三角形边缘（Edge）和内部（Inside）的细分因子。
  • 顶点修改函数：在细分后对生成的顶点进行位移（如置换贴图）。
细分因子结构

细分函数需返回float4类型，分别对应：

  • x：Edge0（顶点 0 - 顶点 1 的边缘细分因子）
  • y：Edge1（顶点 1 - 顶点 2 的边缘细分因子）
  • z：Edge2（顶点 2 - 顶点 0 的边缘细分因子）
  • w：Inside（三角形内部细分因子）

二、无细分的顶点位移（基础示例）

效果：通过置换贴图沿法线位移顶点，未启用曲面细分。

hlsl

Shader "Tessellation/DisplacementOnly" {  
    Properties {  
        _DispTex ("置换贴图", 2D) = "gray" {}  
        _Displacement ("置换强度", Range(0, 1)) = 0.3  
    }  
    SubShader {  
        Tags { "RenderType"="Opaque" }  
        CGPROGRAM  
        #pragma surface surf BlinnPhong vertex:disp nolightmap  
        #pragma target 4.6  

        struct appdata {  
            float4 vertex : POSITION;  
            float3 normal : NORMAL;  
            float2 uv : TEXCOORD0;  
        };  

        sampler2D _DispTex;  
        float _Displacement;  

        // 顶点位移函数（无细分）  
        void disp (inout appdata v) {  
            float d = tex2Dlod(_DispTex, float4(v.uv, 0, 0)).r * _Displacement;  
            v.vertex.xyz += v.normal * d; // 沿法线位移  
        }  

        struct Input {  
            float2 uv_MainTex;  
        };  

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {  
            o.Albedo = 1; // 纯色显示位移效果  
        }  
        ENDCG  
    }  
    Fallback "Diffuse"  
}

要点：

  • 通过vertex:disp关联顶点位移函数，直接修改原始顶点位置。
  • 未启用细分时，模型三角面数不变，仅顶点位置改变。

三、固定细分级别（全局统一细分）

效果：对整个模型应用固定细分级别，适用于屏幕空间大小一致的模型。

hlsl

Shader "Tessellation/FixedTessellation" {  
    Properties {  
        _TessLevel ("细分级别", Range(1, 32)) = 4  
        _DispTex ("置换贴图", 2D) = "gray" {}  
    }  
    SubShader {  
        Tags { "RenderType"="Opaque" }  
        CGPROGRAM  
        #pragma surface surf BlinnPhong tessellate:tessFixed vertex:disp nolightmap  
        #pragma target 4.6  

        float _TessLevel;  

        // 固定细分因子函数  
        float4 tessFixed () {  
            return float4(_TessLevel, _TessLevel, _TessLevel, _TessLevel); // 四边相同细分  
        }  

        void disp (inout appdata v) {  
            float d = tex2Dlod(_DispTex, float4(v.uv, 0, 0)).r * 0.3;  
            v.vertex.xyz += v.normal * d;  
        }  

        struct Input {  
            float2 uv_MainTex;  
        };  

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {  
            o.Albedo = 1;  
        }  
        ENDCG  
    }  
    Fallback "Diffuse"  
}

要点：

  • tessFixed()返回固定值，控制所有三角形的细分级别。
  • 细分后顶点数 = 原始顶点数 × 细分级别 ²，可能导致性能问题。

四、基于距离的细分（近距高细分，远距低细分）

效果：根据模型到相机的距离动态调整细分级别，优化性能。

hlsl

Shader "Tessellation/DistanceBasedTess" {  
    Properties {  
        _MaxTess ("最大细分", Range(1, 32)) = 16  
        _MinTess ("最小细分", Range(1, 16)) = 4  
        _TransitionDist ("过渡距离", Range(10, 50)) = 20  
    }  
    SubShader {  
        Tags { "RenderType"="Opaque" }  
        CGPROGRAM  
        #pragma surface surf BlinnPhong tessellate:tessDistance vertex:disp nolightmap  
        #pragma target 4.6  
        #include "Tessellation.cginc" // 引入Unity内置细分工具  

        float _MaxTess, _MinTess, _TransitionDist;  

        // 基于距离的细分因子函数  
        float4 tessDistance (appdata v0, appdata v1, appdata v2) {  
            // 使用Unity内置函数计算距离相关的细分因子  
            return UnityDistanceBasedTess(  
                v0.vertex, v1.vertex, v2.vertex,  
                _TransitionDist, // 开始降细分的距离  
                _TransitionDist * 2, // 最低细分的距离  
                _MaxTess, _MinTess  
            );  
        }  

        void disp (inout appdata v) { /* 位移逻辑同上 */ }  
        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) { /* 着色逻辑同上 */ }  
        ENDCG  
    }  
    Fallback "Diffuse"  
}

要点：

  • UnityDistanceBasedTess根据顶点到相机的距离自动计算细分因子。
  • 近距离使用高细分（如_MaxTess=16），远距离使用低细分（如_MinTess=4）。

五、基于边缘长度的细分（屏幕空间自适应细分）

效果：根据三角形在屏幕上的边缘长度动态调整细分，避免小三角形过度细分。

hlsl

Shader "Tessellation/EdgeLengthTess" {  
    Properties {  
        _EdgeLength ("边缘长度阈值", Range(2, 50)) = 15 // 像素单位  
    }  
    SubShader {  
        Tags { "RenderType"="Opaque" }  
        CGPROGRAM  
        #pragma surface surf BlinnPhong tessellate:tessEdge vertex:disp nolightmap  
        #pragma target 4.6  
        #include "Tessellation.cginc"  

        float _EdgeLength;  

        // 基于边缘长度的细分因子函数  
        float4 tessEdge (appdata v0, appdata v1, appdata v2) {  
            return UnityEdgeLengthBasedTess(  
                v0.vertex, v1.vertex, v2.vertex,  
                _EdgeLength // 屏幕空间边缘长度阈值（像素）  
            );  
        }  

        void disp (inout appdata v) { /* 位移逻辑同上 */ }  
        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) { /* 着色逻辑同上 */ }  
        ENDCG  
    }  
    Fallback "Diffuse"  
}

要点：

  • UnityEdgeLengthBasedTess计算三角形边缘在屏幕上的像素长度，长边缘使用高细分。
  • 推荐搭配UnityEdgeLengthBasedTessCull函数，剔除相机视野外的细分计算，提升性能。

六、Phong 曲面细分（无置换的平滑效果）

效果：通过调整细分后顶点的位置，模拟法线平滑效果，无需置换贴图。

hlsl

Shader "Tessellation/PhongTessellation" {  
    Properties {  
        _TessLevel ("细分级别", Range(1, 32)) = 8  
        _PhongStrength ("平滑强度", Range(0, 1)) = 0.5  
    }  
    SubShader {  
        Tags { "RenderType"="Opaque" }  
        CGPROGRAM  
        #pragma surface surf Lambert tessellate:tessFixed tessphong:_PhongStrength  
        #pragma target 4.6  

        float _TessLevel;  

        float4 tessFixed () {  
            return float4(_TessLevel, _TessLevel, _TessLevel, _TessLevel);  
        }  

        struct Input {  
            float2 uv_MainTex;  
        };  

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {  
            o.Albedo = 1; // 纯色显示平滑效果  
        }  
        ENDCG  
    }  
    Fallback "Diffuse"  
}

要点：

  • tessphong:_PhongStrength指令启用 Phong 细分，通过_PhongStrength控制平滑程度。
  • 无需顶点位移，仅通过细分后的顶点位置调整实现低多边形模型平滑化。

七、性能优化与限制

  1. 硬件支持：

    • 仅支持 DirectX 11 及以上、OpenGL Core 4.0 及以上显卡。
    • 使用#pragma target 4.6强制编译为高版本 Shader Model，可能不兼容旧设备。

  2. 细分因子范围：

    • 建议细分级别不超过 32，过高值会导致 GPU 负载激增。

  3. 混合使用细分与位移：

    • 细分增加顶点数，置换贴图增强细节，两者结合可实现高保真曲面（如地形、角色衣物）。

  4. 减少冗余计算：

    • 对不可见的三角形，使用UnityEdgeLengthBasedTessCull剔除细分计算。

总结：如何选择细分策略

场景推荐细分方法关键参数
全局平滑化固定细分 + Phong 细分_TessLevel, _PhongStrength
远距离优化基于距离的细分_MaxTess, _TransitionDist
屏幕空间自适应细分基于边缘长度的细分_EdgeLength
高细节曲面（如岩石）细分 + 置换贴图tessellate, vertex:disp

通过合理组合细分策略与顶点位移，可在性能与画质间取得平衡。注意在移动设备上谨慎使用曲面细分，优先考虑基于屏幕空间的自适应算法以减少过度细分。

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