【风宇冲】Unity3D教程宝典之Shader篇：第二十六讲Tessellation

原创文章如需转载请注明：转载自风宇冲Unity3D教程学院

                            Shader第二十六讲 Tessellation

Unity 5.1之前的版本，OpenGL ES2.0 、3.0 、desktop OpenGL的渲染都是分别的版本。而5.1，unity使用统一的open GL渲染器，所以一些渲染的新功能DX和OpenGL都可以使用:
Tessellation Shader:细分曲面。安卓平台需要支持 Android Extension Pack
Geometry Shader:几何Shader。
Compute Shader: 计算Shader。OpenGL  desktop 4.3+  ,OpenGL ES 3.1+

下面用一张图说明这些Shader的关系。

本讲就来介绍Tessellation细分曲面。
  当我们显示普通的模型时，效果一般，于是有了法线贴图。但是法线贴图有局限性，例如入视角。而DX11的
Tessellation是真正的生成更细致的mesh。一句话就是把模型的三角面细分成一组更小的面，再配合Displace贴图等信息进行处理。
Unity的Surface Shader支持Tessellation，例子如下

[例一：基本细分曲面]

步骤
1：准备Displacement和Normal 两张贴图。Displacement根据亮度决定细分曲面的高度或者说凸起程度。
2：代码中添加
tessellate:tessFixed

    float _Tess;

            float4 tessFixed()
            {
                return _Tess;
            }
这个表示每个三角面细分的量级
3：对
Displacement进行纹理采样，并沿法线方向作相应偏移。

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

1. Shader "Tessellation/1FixedAmount" {
2.         Properties {
3.             _Tess ("Tessellation", Range(1,32)) = 4
4.             _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
5.             _DispTex ("Disp Texture", 2D) = "gray" {}
6.             _NormalMap ("Normalmap", 2D) = "bump" {}
7.             _Displacement ("Displacement", Range(0, 1.0)) = 0.3
8.             _Color ("Color", color) = (1,1,1,0)
9.             _SpecColor ("Spec color", color) = (0.5,0.5,0.5,0.5)
10.         }
11.         SubShader {
12.             Tags { "RenderType"="Opaque" }
13.             LOD 300
14.             CGPROGRAM
15.             #pragma surface surf BlinnPhong addshadow fullforwardshadows vertex:disp tessellate:tessFixed nolightmap
16.             struct appdata {
17.                 float4 vertex : POSITION;
18.                 float4 tangent : TANGENT;
19.                 float3 normal : NORMAL;
20.                 float2 texcoord : TEXCOORD0;
21.             };
22.             float _Tess;
23.             float4 tessFixed()
24.             {
25.                 return _Tess;
26.             }
27.             sampler2D _DispTex;
28.             float _Displacement;
29.             void disp (inout appdata v)
30.             {
31.                 float d = tex2Dlod(_DispTex, float4(v.texcoord.xy,0,0)).r * _Displacement;
32.                 v.vertex.xyz += v.normal * d;
33.             }
34.             struct Input {
35.                 float2 uv_MainTex;
36.             };
37.             sampler2D _MainTex;
38.             sampler2D _NormalMap;
39.             fixed4 _Color;
40.             void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
41.                 half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
42.                 o.Albedo = c.rgb;
43.                 o.Specular = 0.2;
44.                 o.Gloss = 1.0;
45.                 o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, IN.uv_MainTex));
46.             }
47.             ENDCG
48.         }
49.         FallBack "Diffuse"
50. }

[例二：基于距离细分曲面]



基于相机距离进行细分，离相机越近细分面数越多。

       float4 tessDistance (appdata v0, appdata v1, appdata v2) {
                float minDist = 10.0;
                float maxDist = 25.0;
                return UnityDistanceBasedTess(v0.vertex, v1.vertex, v2.vertex, minDist, maxDist, _Tess);
            }

1. Shader "Tessellation/2Distance" {
2.         Properties {
3.             _Tess ("Tessellation", Range(1,32)) = 4
4.             _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
5.             _DispTex ("Disp Texture", 2D) = "gray" {}
6.             _NormalMap ("Normalmap", 2D) = "bump" {}
7.             _Displacement ("Displacement", Range(0, 1.0)) = 0.3
8.             _Color ("Color", color) = (1,1,1,0)
9.             _SpecColor ("Spec color", color) = (0.5,0.5,0.5,0.5)
10.         }
11.         SubShader {
12.             Tags { "RenderType"="Opaque" }
13.             LOD 300
14.             CGPROGRAM
15.             #pragma surface surf BlinnPhong addshadow fullforwardshadows vertex:disp tessellate:tessDistance nolightmap
16.             #include "Tessellation.cginc"
17.             struct appdata {
18.                 float4 vertex : POSITION;
19.                 float4 tangent : TANGENT;
20.                 float3 normal : NORMAL;
21.                 float2 texcoord : TEXCOORD0;
22.             };
23.             float _Tess;
24.             float4 tessDistance (appdata v0, appdata v1, appdata v2) {
25.                 float minDist = 10.0;
26.                 float maxDist = 25.0;
27.                 return UnityDistanceBasedTess(v0.vertex, v1.vertex, v2.vertex, minDist, maxDist, _Tess);
28.             }
29.             sampler2D _DispTex;
30.             float _Displacement;
31.             void disp (inout appdata v)
32.             {
33.                 float d = tex2Dlod(_DispTex, float4(v.texcoord.xy,0,0)).r * _Displacement;
34.                 v.vertex.xyz += v.normal * d;
35.             }
36.             struct Input {
37.                 float2 uv_MainTex;
38.             };
39.             sampler2D _MainTex;
40.             sampler2D _NormalMap;
41.             fixed4 _Color;
42.             void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
43.                 half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
44.                 o.Albedo = c.rgb;
45.                 o.Specular = 0.2;
46.                 o.Gloss = 1.0;
47.                 o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, IN.uv_MainTex));
48.             }
49.             ENDCG
50.         }
51.         FallBack "Diffuse"
52. }

[例三：边缘长度曲面]

根据三角面的边缘长度进行细分，也就是越大的三角细分越多


    float4 tessEdge (appdata v0, appdata v1, appdata v2)
            {
                return UnityEdgeLengthBasedTess (v0.vertex, v1.vertex, v2.vertex, _EdgeLength);
            }

1. Shader "Tessellation/3EdgeLength" {
2.         Properties {
3.             _EdgeLength ("Edge length", Range(2,50)) = 15
4.             _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
5.             _DispTex ("Disp Texture", 2D) = "gray" {}
6.             _NormalMap ("Normalmap", 2D) = "bump" {}
7.             _Displacement ("Displacement", Range(0, 1.0)) = 0.3
8.             _Color ("Color", color) = (1,1,1,0)
9.             _SpecColor ("Spec color", color) = (0.5,0.5,0.5,0.5)
10.         }
11.         SubShader {
12.             Tags { "RenderType"="Opaque" }
13.             LOD 300
14.             CGPROGRAM
15.             #pragma surface surf BlinnPhong addshadow fullforwardshadows vertex:disp tessellate:tessEdge nolightmap
16.             #include "Tessellation.cginc"
17.             struct appdata {
18.                 float4 vertex : POSITION;
19.                 float4 tangent : TANGENT;
20.                 float3 normal : NORMAL;
21.                 float2 texcoord : TEXCOORD0;
22.             };
23.             float _EdgeLength;
24.             float4 tessEdge (appdata v0, appdata v1, appdata v2)
25.             {
26.                 return UnityEdgeLengthBasedTess (v0.vertex, v1.vertex, v2.vertex, _EdgeLength);
27.             }
28.             sampler2D _DispTex;
29.             float _Displacement;
30.             void disp (inout appdata v)
31.             {
32.                 float d = tex2Dlod(_DispTex, float4(v.texcoord.xy,0,0)).r * _Displacement;
33.                 v.vertex.xyz += v.normal * d;
34.             }
35.             struct Input {
36.                 float2 uv_MainTex;
37.             };
38.             sampler2D _MainTex;
39.             sampler2D _NormalMap;
40.             fixed4 _Color;
41.             void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
42.                 half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
43.                 o.Albedo = c.rgb;
44.                 o.Specular = 0.2;
45.                 o.Gloss = 1.0;
46.                 o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, IN.uv_MainTex));
47.             }
48.             ENDCG
49.         }
50.         FallBack "Diffuse"
51. }

[例四： Phong细分曲面]



如果是low poly的模型的话，沿着法线方向去细分效果并不好。


而我们可以用Phong Tesselation去细分，该方法尤其适用于low poly模型。

tessphong:_Phong
 #pragma surface surf Lambert vertex:dispNone tessellate:tessEdge tessphong:_Phong nolightmap

1. Shader "Tessellation/4Phong" {
2.         Properties {
3.             _EdgeLength ("Edge length", Range(2,50)) = 5
4.             _Phong ("Phong Strengh", Range(0,1)) = 0.5
5.             _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
6.             _Color ("Color", color) = (1,1,1,0)
7.         }
8.         SubShader {
9.             Tags { "RenderType"="Opaque" }
10.             LOD 300
11.             CGPROGRAM
12.             #pragma surface surf Lambert vertex:dispNone tessellate:tessEdge tessphong:_Phong nolightmap
13.             #include "Tessellation.cginc"
14.             struct appdata {
15.                 float4 vertex : POSITION;
16.                 float3 normal : NORMAL;
17.                 float2 texcoord : TEXCOORD0;
18.             };
19.             void dispNone (inout appdata v) { }
20.             float _Phong;
21.             float _EdgeLength;
22.             float4 tessEdge (appdata v0, appdata v1, appdata v2)
23.             {
24.                 return UnityEdgeLengthBasedTess (v0.vertex, v1.vertex, v2.vertex, _EdgeLength);
25.             }
26.             struct Input {
27.                 float2 uv_MainTex;
28.             };
29.             fixed4 _Color;
30.             sampler2D _MainTex;
31.             void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
32.                 half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
33.                 o.Albedo = c.rgb;
34.                 o.Alpha = c.a;
35.             }
36.             ENDCG
37.         }
38.         FallBack "Diffuse"
39. }

参考资料：
Surface Shaders with DX11 Tessellation
Phong Tessellation

《Introduction_to_3D_Game_Programming_with_Directx_11》