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曲面细分 Tessellation

November 11, 2025About 6 minGraphicDirectX

曲面细分 Tessellation

曲面细分（tessellation）在 GPU 上把一个粗网格的三角形拆成更多小三角形，并把新顶点偏移到合适位置，从而在不增加原始模型顶点数的前提下丰富细节。这篇讲三种主流细分算法的取舍、硬件细分管线的三个着色器阶段，以及我在一个自研引擎里踩到的一个坑——骨骼动画和曲面细分同时开时，动画矩阵变换到底该放在哪个着色器阶段。

三种细分算法怎么选

算法优点缺点
PN TrianglesUE4 材质用的就是它；可控细分级别；性能开销最小细节有限，平滑度不如下面两种
Catmull-ClarkUE5 通过插件支持；对规则网格效果好；细节质量高计算成本较高；对不规则形状适应性差
Loop SubdivisionUE5 通过插件支持；细节保持能力更强只能处理纯三角形网格

选择的经验法则：要平滑曲面和边界保持，选 Loop 或 Catmull-Clark；要可控细分级别和 LOD 无缝切换，选 PN Triangles。我个人偏好 PN Triangles，因为它只需要三角形的三个顶点位置加法线就能算，落地成本最低。

静态还是动态细分是另一条正交的取舍：

优点缺点
静态（离线）细分细分质量高；运行时开销低预处理时间长；内存占用高
动态（运行时）细分支持动态 LOD；内存需求低每帧都要算，运行时开销高；低端硬件上质量会掉

需要按视距动态调 LOD、且对实时性能敏感，就用动态细分；要极致质量又不需要动态调整，离线细分更合适。我更推荐动态细分——低模跑物理和动画、再细分出高模显示，这套组合的计算效率优势很实在。

硬件细分管线：三个必经阶段

开启曲面细分后，顶点着色器和像素着色器之间会插入三个阶段：外壳着色器（HS）、镶嵌器（Tessellator）、域着色器（DS）。

  • 外壳着色器（HS） 分两半。常量外壳着色器每个面片调用一次，输出细分因子——也就是这个面片要镶嵌成几份、按什么方式细分（面片类型、绕序）。控制点外壳着色器每输出一个控制点调用一次，可以改变曲面表示（比如把 4 控制点面片升成 16 控制点曲面），也可以什么都不改，当直通着色器用。
  • 镶嵌器（Tessellator） 根据常量外壳着色器给的细分因子，把面片镶嵌成一堆小面片。这一步全程硬件处理，不可编程。
  • 域着色器（DS） 逐面片调用，拿着细分因子和位置参数（三角形面片用重心坐标，四边形面片用 UV 坐标），通过插值（重心坐标插值、双线性插值等）算出每个新顶点的实际坐标。

PN Triangles 原理

UE4 材质系统的细分用的就是 PN Triangles。它用顶点位置和法线来构建曲面：只需要一个三角形的三个顶点位置和顶点法线，据此生成 10 个控制点，再由这些控制点求出贝塞尔三角面上的顶点；法线做同样的操作。最终用一张贝塞尔曲面替换掉原始网格里的每个三角形，从而改善三角网格的阴影和轮廓。

它的好处是适用面广（不规则形状、复杂曲面都能用）、细分级别可控、能在不同级别间无缝切换。代价是插值带来的细节上限和平滑度不如 Catmull-Clark / Loop。

坑：骨骼动画 × 曲面细分，动画矩阵该在哪个阶段变换

这是整块内容里最值得记的一条。当一个骨骼网格同时开了动画和 PN Triangles 细分时，动画的骨骼矩阵变换放错阶段，结果就会错——而且错得五花八门。我把各种组合都试了一遍，规律是这样的：

先明确一个事实：细分发生在 HS/DS，位置数据在 DS 阶段才被镶嵌出新顶点。如果你在 VS 里就做了 MVP 变换，到 DS 阶段再插值出来的顶点已经在裁剪空间里，PN Triangles 的曲面构造是在这个空间里做的，几何就不对了。

几组关键实验结论：

  • position 在 VS 做动画矩阵变换 + MVP 变换，再进 HS/DS：错。position 提前进了裁剪空间，细分基于错误的空间做插值。
  • position 在 VS 只做动画矩阵变换（不做 MVP），HS 做 PN-Triangles，DS 里做完 PN-Triangles 后再做 MVP 变换：对。这是正解——动画在细分之前应用（让曲面基于动画后的世界空间几何构造），MVP 留到 DS 最后一步。
  • 把动画矩阵变换挪到 DS 里做：会出问题。DS 阶段拿到的是镶嵌出来的 3 个控制点，「只取第一个点的骨骼矩阵做变换」和「对 3 个点的骨骼矩阵求平均」两种做法结果都不对——细分产生的新顶点没有正确的骨骼权重，事后再补动画矩阵是补不回来的。
  • normal 的动画变换要和 position 保持一致：normal 不做动画矩阵变换、position 做，会导致光照法线和几何对不上；正确做法是 normal 和 position 在 VS 阶段一起做动画矩阵变换。

一句话总结这条坑：动画骨骼矩阵变换必须在细分之前（VS 阶段）完成，投影变换（MVP）必须推迟到细分之后（DS 阶段）完成。顺序反了，要么几何炸开，要么法线错乱。

DX12 集成的三个关键点

  • initConstants() 创建根参数时，常量缓冲区的 ParameterType 要按使用范围设 D3D12_SHADER_VISIBILITY_ALL——因为 VS 和 DS 都要用这个常量缓冲区，所以给 ALL。
  • PSO 阶段 PrimitiveTopologyType 赋值 D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_PATCH。
  • IASetPrimitiveTopology 赋值 D3D_PRIMITIVE_TOPOLOGY_3_CONTROL_POINT_PATCHLIST（三控制点面片列表）。

参考文献