Unity URP 如何写基础的曲面细分着色器

左边是默认Cube在网格模式下经过曲面细分的结果，右边是原状态。

曲面细分着色器在顶点着色器、几何着色器之后，像素着色器之前。

它的作用时根据配置信息生成额外的顶点以切割原本的面片。

关于这部分有一个详细的英文教程，感兴趣可以看一下。

https://catlikecoding.com/unity/tutorials/advanced-rendering/tessellation/

以下是完整代码

Shader "Kerzh/KerzhCgShaderTemplate"
{Properties{_Color("Color", Color) = (1,1,1,1)_TessellationUniform ("Tessellation Uniform", Vector) = (1,1,1,1)}SubShader{Tags { "RenderType" = "Opaque" "RenderPipeline" = "UniversalRenderPipeline" }Pass{CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma hull hull#pragma domain domain#pragma geometry geom#pragma fragment frag#pragma target 4.6#include "UnityCG.cginc"#include  "Assets/TA/ShaderLib/CgincInclude//CommonCgInc.cginc"#include  "Assets/TA/ShaderLib/CgincInclude//CustomTessellation.cginc"MeshData vert (MeshData input){return input;}//如果不正确配置会报错[UNITY_domain("tri")]  //  正在处理三角形   "tri", "quad", or "isoline"[UNITY_outputcontrolpoints(3)]  //  每个面片输出的顶点为3个[UNITY_outputtopology("triangle_cw")]  //  当创建三角形时应是顺时针还是逆时针，这里应是顺时针  "point", "line", "triangle_cw", or "triangle_ccw"[UNITY_partitioning("integer")]  //  如何细分切割面片   "integer", "pow2", "fractional_even", or "fractional_odd"[UNITY_patchconstantfunc("patchConstantFunction")]  //  细分切割部分还必须提供函数处理，每个面片调用一次MeshData hull (InputPatch<MeshData, 3> patch, uint id : SV_OutputControlPointID)  //  每个顶点调用一次，如果是处理三角形就是调用三次{//  如果_TessellationUniform输入值为1，不产生任何变化，但当输入值为2时，具体发生了什么//  对于一个三角形(因为我们配置的是处理三角形)，根据三条边的二等分位置添加额外的一个顶点，如果是3就是三等分位置添加两个顶点//  对于一个三角形(因为我们配置的是处理三角形)，根据三条个顶点添加一个中心顶点//  根据patchConstantFunction赋值分配生成顶点的插值权重return patch[id];}//  barycentricCoordinates分别代表各个点的插值权重,每个面片调用一次，对细分后的三角顶点形进行处理(也就是说原顶点不经过此处理？)[UNITY_domain("tri")]  //  正在处理三角形MeshData domain(TessellationFactors factors, OutputPatch<MeshData, 3> patch, float3 barycentricCoordinates : SV_DomainLocation)  {MeshData data;  //  新的插值权重顶点#define MY_DOMAIN_PROGRAM_INTERPOLATE(fieldName) data.fieldName = \patch[0].fieldName * barycentricCoordinates.x + \patch[1].fieldName * barycentricCoordinates.y + \patch[2].fieldName * barycentricCoordinates.z;//对所有信息利用插值权重进行插值计算MY_DOMAIN_PROGRAM_INTERPOLATE(vertex)MY_DOMAIN_PROGRAM_INTERPOLATE(normalOS)MY_DOMAIN_PROGRAM_INTERPOLATE(tangentOS)MY_DOMAIN_PROGRAM_INTERPOLATE(uv1)MY_DOMAIN_PROGRAM_INTERPOLATE(uv2)MY_DOMAIN_PROGRAM_INTERPOLATE(vertexColor)return data;}//最大的顶点数，这里比如你要生成三个三角形面片，那么一个面片需要三个顶点，就是9个顶点，一般来讲这里直接填多一点即可，不过可能填太多了会导致内存占用？[maxvertexcount(9)]void geom (triangle MeshData input[3],inout TriangleStream<VOutData> triStream){//原样转换过去VOutData output[3];for(int i=0;i<3;i++){VOutData p0;p0 = FillBaseV2FData(input[i]);output[i] = p0;}triStream.RestartStrip(); //  重新开始一个新的三角形triStream.Append(output[0]);triStream.Append(output[1]);triStream.Append(output[2]);return;//验证准确性用  勿删MeshData centerMeshData;centerMeshData.vertex = (input[0].vertex + input[1].vertex + input[2].vertex)/3.0;centerMeshData.uv1 = (input[0].uv1 + input[1].uv1 + input[2].uv1)/3.0;centerMeshData.uv2 = (input[0].uv2 + input[1].uv2 + input[2].uv2)/3.0;centerMeshData.tangentOS = (input[0].tangentOS + input[1].tangentOS + input[2].tangentOS)/3.0;centerMeshData.normalOS = (input[0].normalOS + input[1].normalOS + input[2].normalOS)/3.0;centerMeshData.vertexColor = (input[0].vertexColor + input[1].vertexColor + input[2].vertexColor)/3.0;centerMeshData.vertex += float4((centerMeshData.normalOS * 0.35), 0);VOutData center = FillBaseV2FData(centerMeshData);//  根据这三个点分别和中心点制造三角形输出triStream.RestartStrip(); //  重新开始一个新的三角形triStream.Append(output[1]);triStream.Append(center);triStream.Append(output[0]);triStream.RestartStrip();  //  重新开始一个新的三角形triStream.Append(output[2]);triStream.Append(center);triStream.Append(output[1]);triStream.RestartStrip(); //  重新开始一个新的三角形triStream.Append(output[0]);triStream.Append(center);triStream.Append(output[2]);}float4 _Color;float4 frag (VOutData i) : SV_Target{return _Color;}ENDCG}}
}

依赖文件CommonCgInc.cginc：

#ifndef CommonCgInc
#define CommonCgIncfloat3 FromScript_LocalPositionWS;
float3 FromScript_LocalRotationWS;
float3 FromScript_LocalScaleWS;//输入结构
struct MeshData
{float4 vertex : POSITION;float2 uv1 : TEXCOORD0;float2 uv2 : TEXCOORD1;float4 tangentOS :TANGENT;float3 normalOS : NORMAL;float4 vertexColor : COLOR;
};//传递结构
struct VOutData
{float4 pos : SV_POSITION; // 必须命名为pos ，因为 TRANSFER_VERTEX_TO_FRAGMENT 是这么命名的，为了正确地获取到Shadowfloat2 uv1 : TEXCOORD0;float3 tangentWS : TEXCOORD1;float3 bitangentWS : TEXCOORD2;float3 normalWS : TEXCOORD3;float3 posWS : TEXCOORD4;float3 posOS : TEXCOORD5;float3 normalOS : TEXCOORD6;float4 vertexColor : TEXCOORD7;float2 uv2 : TEXCOORD8;
};//传递结构赋值
VOutData FillBaseV2FData(MeshData input)
{VOutData output;output.pos = UnityObjectToClipPos(input.vertex);output.uv1 = input.uv1;output.uv2 = input.uv2;output.normalWS = normalize(UnityObjectToWorldNormal(input.normalOS));output.posWS = mul(unity_ObjectToWorld, input.vertex);output.posOS = input.vertex.xyz;output.tangentWS = normalize(UnityObjectToWorldDir(input.tangentOS));output.bitangentWS = cross(output.normalWS, output.tangentWS) * input.tangentOS.w; //乘上input.tangentOS.w 是unity引擎的bug,有的模型是 1 有的模型是 -1，必须这么写output.normalOS = input.normalOS;output.vertexColor = input.vertexColor;return output;
}// Hue, Saturation, Value
// Ranges:
//  Hue [0.0, 1.0]
//  Sat [0.0, 1.0]
//  Lum [0.0, HALF_MAX]
// //HSV色彩模型转为RGB色彩模型  FROM::color.hlsl
float3 HSV2RGB( float3 hsv ){const float4 K = float4(1.0, 2.0 / 3.0, 1.0 / 3.0, 3.0);float3 p = abs(frac(hsv.xxx + K.xyz) * 6.0 - K.www);return hsv.z * lerp(K.xxx, saturate(p - K.xxx), hsv.y);
}
//RGB色彩模型转为HSV色彩模型  FROM::color.hlsl
float3 RGB2HSV(float3 rgb)
{float4 K = float4(0.0, -1.0 / 3.0, 2.0 / 3.0, -1.0);float4 p = lerp(float4(rgb.bg, K.wz), float4(rgb.gb, K.xy), step(rgb.b, rgb.g));float4 q = lerp(float4(p.xyw, rgb.r), float4(rgb.r, p.yzx), step(p.x, rgb.r));float d = q.x - min(q.w, q.y);float e = 1.0e-10;return float3(abs(q.z + (q.w - q.y) / (6.0 * d + e)), d / (q.x + e), q.x);
}//Gooch光照模型  ⻛格化的着⾊模型  强调冷暖色调  FROM::render4th P146
float3 GoochModel(float3 baseColor, float3 highLightColor, float3 normalWs, float3 lightDirWs, float3 viewDirWs){normalWs = normalize(normalWs);lightDirWs = normalize(lightDirWs);float3 coolColor = float3(0,0,0.55) + 0.25*baseColor;float3 warmColor = float3(0.3,0.3,0) + 0.25*baseColor;float size = clamp(100*(dot(reflect(lightDirWs, normalWs), viewDirWs) - 97), 0, 1);float4 halfLambert = dot(normalWs, lightDirWs) * 0.5 + 0.5;return  size*highLightColor + (1-size)*(halfLambert*warmColor + (1 - halfLambert)* coolColor);
}//添加虚拟点光源  _VirtualLightFade越大，衰减越快
float3 CalculatePointVirtualLight(float3 _VirtualLightPos, float3 positionOS, float _VirtualLightFade, float3 _VirtualLightColor)
{float virtualLightDis = distance(_VirtualLightPos,positionOS);float3 virtualLight = exp(-_VirtualLightFade*virtualLightDis)*_VirtualLightColor;//TODO:也许补充方向衰减return virtualLight;
}//切线空间计算视差uv 根据视角方向以深度反追命中点uv
float2 CalculateRealUVAfterDepth(float2 originUV, float3 viewDirTS, float depth)
{//计算视角方向和深度方向的cos值float cosTheta = dot(normalize(viewDirTS), float3(0,0,-1));  //  一般来讲unity是左手坐标系，但在切线和观察空间较为特殊是右手坐标系，不过这并不影响z轴方向的判断//根据深度差算出两点间距离float dis = depth / cosTheta;//算出应用深度差后对应点位float3 originUVPoint = float3(originUV, 0);float3 afrerDepthUVPoint = originUVPoint + normalize(viewDirTS) * dis;//返回应用深度差后对应UVreturn afrerDepthUVPoint.xy;
}
#endif

依赖文件CustomTessellation.cginc：

// Tessellation programs based on this article by Catlike Coding:
// https://catlikecoding.com/unity/tutorials/advanced-rendering/tessellation/
// 关于参数的详细说明
// https://zhuanlan.zhihu.com/p/479792793#include  "Assets/TA/ShaderLib/CgincInclude//CommonCgInc.cginc"//细分切割函数对于每个面片调用一次，对于每一个面片，比如三角形：每条边需要一个切割因子，内部需要一个切割因子
struct TessellationFactors {float edge[3] : SV_TessFactor;  //  对应三条边的切割因子float inside : SV_InsideTessFactor;  //  对应内部的切割因子
};float4 _TessellationUniform;  //  细分因子，当值为1时不发生细分切割。因子可以分别设置，比如边因子是1内部因子是5，那就不会在边上生成顶点，会在中心生成五个顶点
//自定义的细分切割方法，每个面片调用一次
TessellationFactors patchConstantFunction (InputPatch<MeshData, 3> patch)
{TessellationFactors f;f.edge[0] = _TessellationUniform.x;f.edge[1] = _TessellationUniform.y;f.edge[2] = _TessellationUniform.z;f.inside = _TessellationUniform.w;return f;
}

其中，通过

#pragma hull hull
#pragma domain domain

定义hull和domain着色器，其中hull负责切割，domain用于根据权重处理细分后的顶点数据。

hull部分：

//细分切割函数对于每个面片调用一次，对于每一个面片，比如三角形：每条边需要一个切割因子，内部需要一个切割因子
struct TessellationFactors {float edge[3] : SV_TessFactor;  //  对应三条边的切割因子float inside : SV_InsideTessFactor;  //  对应内部的切割因子
};float4 _TessellationUniform;  //  细分因子，当值为1时不发生细分切割。因子可以分别设置，比如边因子是1内部因子是5，那就不会在边上生成顶点，会在中心生成五个顶点
//自定义的细分切割方法，每个面片调用一次
TessellationFactors patchConstantFunction (InputPatch<MeshData, 3> patch)
{TessellationFactors f;f.edge[0] = _TessellationUniform.x;f.edge[1] = _TessellationUniform.y;f.edge[2] = _TessellationUniform.z;f.inside = _TessellationUniform.w;return f;
}//如果不正确配置会报错[UNITY_domain("tri")]  //  正在处理三角形   "tri", "quad", or "isoline"[UNITY_outputcontrolpoints(3)]  //  每个面片输出的顶点为3个[UNITY_outputtopology("triangle_cw")]  //  当创建三角形时应是顺时针还是逆时针，这里应是顺时针  "point", "line", "triangle_cw", or "triangle_ccw"[UNITY_partitioning("integer")]  //  如何细分切割面片   "integer", "pow2", "fractional_even", or "fractional_odd"[UNITY_patchconstantfunc("patchConstantFunction")]  //  细分切割部分还必须提供函数处理，每个面片调用一次MeshData hull (InputPatch<MeshData, 3> patch, uint id : SV_OutputControlPointID)  //  每个顶点调用一次，如果是处理三角形就是调用三次{//  如果_TessellationUniform输入值为1，不产生任何变化，但当输入值为2时，具体发生了什么//  对于一个三角形(因为我们配置的是处理三角形)，根据三条边的二等分位置添加额外的一个顶点，如果是3就是三等分位置添加两个顶点//  对于一个三角形(因为我们配置的是处理三角形)，根据三条个顶点添加一个中心顶点//  根据patchConstantFunction赋值分配生成顶点的插值权重return patch[id];}

这里做的操作比较少，只是传入每个面片的切割因子，一个面片(三角形)的每条边需要一个切割因子，内部需要一个切割因子，一共四个切割因子。

domain部分：

			//  barycentricCoordinates分别代表各个点的插值权重,每个面片调用一次，对细分后的三角顶点形进行处理(也就是说原顶点不经过此处理？)[UNITY_domain("tri")]  //  正在处理三角形MeshData domain(TessellationFactors factors, OutputPatch<MeshData, 3> patch, float3 barycentricCoordinates : SV_DomainLocation)  {MeshData data;  //  新的插值权重顶点#define MY_DOMAIN_PROGRAM_INTERPOLATE(fieldName) data.fieldName = \patch[0].fieldName * barycentricCoordinates.x + \patch[1].fieldName * barycentricCoordinates.y + \patch[2].fieldName * barycentricCoordinates.z;//对所有信息利用插值权重进行插值计算MY_DOMAIN_PROGRAM_INTERPOLATE(vertex)MY_DOMAIN_PROGRAM_INTERPOLATE(normalOS)MY_DOMAIN_PROGRAM_INTERPOLATE(tangentOS)MY_DOMAIN_PROGRAM_INTERPOLATE(uv1)MY_DOMAIN_PROGRAM_INTERPOLATE(uv2)MY_DOMAIN_PROGRAM_INTERPOLATE(vertexColor)return data;}

这里则是根据传入的边和内部的切割因子的权重，对于新增加的顶点，使用这个方法中的规则填充顶点的对应信息，以完成切割。