曲面细分阶段
曲面细分(Tessellation)是DirectX 11引入的一个新的图形渲染管线阶段，它允许在GPU上动态地增加几何细节。通过曲面细分，可以在距离观察者较近时增加模型的多边形数量，在较远时减少多边形，实现细节层次(Level of Detail, LOD)的平滑过渡。本章将深入探讨曲面细分的原理、实现方法以及实际应用。
14.1 曲面细分的图元类型
曲面细分阶段主要处理两种类型的基本图元：控制点面片和参数化曲面。
14.1.1 控制点面片
控制点面片是由一组控制点定义的面片，这些控制点形成了一个控制网格，用于指导曲面的形状。在DirectX 11中，支持两种基本的控制点面片类型：
四边形面片(Quad Patch)：由四个或更多控制点定义的四边形
三角形面片(Triangle Patch)：由三个或更多控制点定义的三角形
控制点的数量是可变的，允许灵活定义各种曲面表示，如Bézier曲面、NURBS等。
14.1.2 参数化曲面
参数化曲面通过参数方程定义，常见的类型包括：
Bézier曲面：使用Bernstein多项式作为基函数
B样条曲面：使用B样条基函数
Catmull-Clark曲面：常用于细分曲面
在曲面细分过程中，这些参数化曲面被近似为三角形或四边形网格，细分级别决定了近似的精度。
14.1.3 图元拓扑
DirectX 11定义了以下曲面细分图元拓扑类型：
D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_1_CONTROL_POINT_PATCHLIST
D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_2_CONTROL_POINT_PATCHLIST
...
D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_32_CONTROL_POINT_PATCHLIST
这些拓扑类型指定了每个面片包含的控制点数量，最多支持32个控制点。
下面是一个设置面片拓扑的示例：
cpp
// 设置6控制点面片列表
context->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_6_CONTROL_POINT_PATCHLIST);
14.2 外壳着色器
曲面细分管线包含两个新的着色器阶段：外壳着色器(Hull Shader)和域着色器(Domain Shader)。本节重点介绍外壳着色器。
14.2.1 常量外壳着色器
外壳着色器分为两部分：常量函数部分和控制点函数部分。常量函数(Constant Hull Shader)为整个面片执行一次，负责计算细分因子和其他面片常量数据。
常量外壳着色器的主要职责：
计算细分因子(Tessellation Factors)
设置细分模式和分区类型
为域着色器提供额外的面片常量数据
下面是一个常量外壳着色器的示例：
hlsl
// 定义面片常量数据结构
struct PatchConstantData
{
float edgeTessFactors[4] : SV_TessFactor; // 边缘细分因子
float insideTessFactors[2] : SV_InsideTessFactor; // 内部细分因子
// 可以添加其他面片常量数据
};
// 输入和输出结构定义
struct VertexInput
{
float3 Position : POSITION;
float3 Normal : NORMAL;
float2 TexCoord : TEXCOORD0;
};
struct HullOutput
{
float3 Position : POSITION;
float3 Normal : NORMAL;
float2 TexCoord : TEXCOORD0;
};
// 常量外壳函数
PatchConstantData ConstantHS(InputPatch
{
PatchConstantData output;
// 简单示例：设置统一细分因子
float tessAmount = 5.0f; // 在实际应用中可能来自常量缓冲区
// 设置边缘细分因子
output.edgeTessFactors[0] = tessAmount;
output.edgeTessFactors[1] = tessAmount;
output.edgeTessFactors[2] = tessAmount;
output.edgeTessFactors[3] = tessAmount;
// 设置内部细分因子
output.insideTessFactors[0] = tessAmount;
output.insideTessFactors[1] = tessAmount;
return output;
}
细分因子
细分因子决定了图元的细分程度：
对于四边形面片：
4个边缘细分因子(edge tessellation factors)
2个内部细分因子(inside tessellation factors)
对于三角形面片：
3个边缘细分因子
1个内部细分因子
细分因子是浮点数，其整数部分决定了段数，小数部分用于平滑过渡。例如，细分因子4.7会将边分为4段，但在过渡到5段时会考虑0.7的权重。
基于距离的细分因子计算
在实际应用中，通常基于到摄像机的距离计算细分因子：
hlsl
float CalculateDistanceBasedTessFactor(float3 worldPos, float3 cameraPos, float minDist, float maxDist, float minTess, float maxTess)
{
float distance = length(worldPos - cameraPos);
// 距离在[minDist, maxDist]范围内进行差值
float normalizedDist = saturate((distance - minDist) / (maxDist - minDist));
// 反转，使得近处有更高的细分因子
normalizedDist = 1.0 - normalizedDist;
// 在minTess和maxTess之间插值
return minTess + normalizedDist * (maxTess - minTess);
}
视锥裁剪优化
为了优化性能，可以根据面片是否在视锥内调整细分因子：
hlsl
float CalculateFrustumCulledTessFactor(float4 patchCorners[4], float baseTessFactor)
{
// 检查所有控制点是否都在视锥外的同一平面
bool allOutsideLeft = true;
bool allOutsideRight = true;
bool allOutsideTop = true;
bool allOutsideBottom = true;
bool allOutsideFar = true;
bool allOutsideNear = true;
for(int i = 0; i < 4; i++)
{
// 进行透视除法
float4 clipPos = patchCorners[i];
float invW = 1.0f / clipPos.w;
clipPos.xyz *= invW;
// 检查各个平面
allOutsideLeft = allOutsideLeft && (clipPos.x < -1.0f);
allOutsideRight = allOutsideRight && (clipPos.x > 1.0f);
allOutsideTop = allOutsideTop && (clipPos.y > 1.0f);
allOutsideBottom = allOutsideBottom && (clipPos.y < -1.0f);
allOutsideFar = allOutsideFar && (clipPos.z > 1.0f);
allOutsideNear = allOutsideNear && (clipPos.z < 0.0f);
}
// 如果完全在视锥外，返回0以减少细分
if(allOutsideLeft || allOutsideRight || allOutsideTop || allOutsideBottom || allOutsideFar || allOutsideNear)
return 0.0f;
return baseTessFactor;
}
14.2.2 控制点外壳着色器
控制点函数(Control Point Hull Shader)为每个输入控制点执行一次，其主要职责是：
处理和变换输入控制点
输出可用于域着色器的控制点数据
以下是一个控制点外壳着色器的示例：
hlsl
// 控制点外壳函数
[domain("quad")] // 指定域类型：四边形
[partitioning("fractional_even")] // 指定分区模式：分数偶数
[outputtopology("triangle_cw")] // 指定输出图元拓扑：顺时针三角形
[outputcontrolpoints(4)] // 指定输出控制点数量
[patchconstantfunc("ConstantHS")] // 指定面片常量函