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曲面细分 (Tessellation) ​

曲面细分（Tessellation）是 OpenGL 渲染管线中的顶点处理阶段，用于将面片（Patch）的顶点数据细分为更小的图元。这个过程由两个着色器阶段和一个固定功能阶段组成。

版本信息

  • 核心版本：4.6
  • 引入版本：4.0
  • ARB 扩展：ARB_tessellation_shader

注意

本文描述的是 OpenGL 4.0 引入的曲面细分功能，而非旧的 gluTess* 细分功能。

概述 ​

曲面细分过程分为三个阶段，构成顶点处理的可选部分。其中两个阶段是可编程的，中间是一个固定功能阶段：

  1. 曲面细分控制着色器 (TCS)：确定细分程度，可调整面片数据
  2. 曲面细分图元生成器：固定功能阶段，根据细分级别生成新图元
  3. 曲面细分评估着色器 (TES)：计算生成顶点的实际属性值

面片 (Patches) ​

曲面细分阶段操作的是面片，一种由 GL_PATCHES 表示的图元类型。面片是一种通用图元，每 n 个顶点构成一个新的面片。

设置每个面片的顶点数：

cpp
void glPatchParameteri(GLenum pname, GLint value);

使用 GL_PATCH_VERTICES 作为目标，value 的范围是 [1, GL_MAX_PATCH_VERTICES)。最大面片顶点数由实现决定，但不小于 32。

提示

面片图元总是独立面片的序列，不存在"面片条带"或"面片环"。如需类似三角形条带的行为，应使用索引渲染。

曲面细分控制着色器 (TCS) ​

TCS 是曲面细分的第一步，负责：

  • 确定图元的细分程度
  • 对输入面片数据进行变换

执行模型 ​

TCS 的执行模型类似计算着色器。对于每个面片，将执行 n 次 TCS 调用，n 为输出面片的顶点数。每个调用只负责输出面片中的单个顶点。

输出面片大小通过布局限定符指定：

glsl
layout(vertices = patch_size) out;

patch_size 必须是大于零的整数常量表达式，且小于 GL_MAX_PATCH_VERTICES。

输入 ​

从顶点着色器到 TCS 的所有输入都根据输入面片大小聚合成数组：

glsl
in vec2 texCoord[];  // 可声明为无界数组

内置输入变量：

glsl
in int gl_PatchVerticesIn;   // 输入面片的顶点数
in int gl_PrimitiveID;       // 当前渲染命令中的面片索引
in int gl_InvocationID;      // 当前面片内的 TCS 调用索引

顶点着色器输出：

glsl
in gl_PerVertex {
  vec4 gl_Position;
  float gl_PointSize;
  float gl_ClipDistance[];
} gl_in[gl_MaxPatchVertices];

输出 ​

每顶点输出 ​

glsl
out vec2 vertexTexCoord[];

写入限制

TCS 只能写入与其调用对应的每顶点输出：vertexTexCoord[gl_InvocationID]。其他索引表达式会导致编译错误。

每面片变量 ​

使用 patch 关键字声明：

glsl
patch out vec4 data;

细分级别 ​

glsl
patch out float gl_TessLevelOuter[4];  // 外部细分级别
patch out float gl_TessLevelInner[2];  // 内部细分级别

面片丢弃

如果任何使用的外部级别为 0、负数或 NaN，该面片将被丢弃，不会产生任何 TES 调用。

同步 ​

处理同一面片的 TCS 调用可以相互读取输出变量，但需要同步：

glsl
barrier();

barrier() 的限制：

  • 必须直接在 main() 函数中
  • 不能在任何流控制语句内
  • 不能在任何 return 语句之前

可选性 ​

TCS 是可选的。如果没有激活 TCS，则使用默认细分级别：

cpp
void glPatchParameterfv(GLenum pname, const GLfloat *values);
  • GL_PATCH_DEFAULT_OUTER_LEVEL：4 元素数组，定义四个外部细分级别
  • GL_PATCH_DEFAULT_INNER_LEVEL：2 元素数组，定义两个内部细分级别

曲面细分图元生成 ​

图元生成是固定功能阶段，负责从输入面片创建新图元。此阶段仅在 TES 激活时执行。

影响因素：

  • 细分级别（由 TCS 或默认值提供）
  • 顶点间距（由 TES 定义：equal_spacing、fractional_even_spacing、fractional_odd_spacing）
  • 输入图元类型（由 TES 定义：triangles、quads、isolines）
  • 图元生成顺序（由 TES 定义：cw 或 ccw）

抽象面片 ​

图元生成器不关心实际的顶点坐标和面片数据，只根据细分级别确定：

  • 生成多少顶点
  • 顶点的生成顺序
  • 构建什么类型的图元

生成的每个顶点在抽象面片内有归一化位置 [0, 1]，通过 gl_TessCoord 提供给 TES。

细分级别 ​

细分级别定义了抽象面片上的细分程度：

  • 外部细分级别：定义外边缘的细分，确保相邻面片正确连接
  • 内部细分级别：定义面片内部的细分

细分级别经过钳制处理生成有效细分级别，最大值由 GL_MAX_TESS_GEN_LEVEL 定义（至少 64）。

间距类型 ​

类型说明
equal_spacing钳制到 [1, max] 并向上取整，所有段等长
fractional_even_spacing钳制到 [2, max] 并向上取整到偶数
fractional_odd_spacing钳制到 [1, max-1] 并向上取整到奇数

细分图元类型 ​

三角形 (Triangles) ​

抽象面片为三角形，使用前三个外部级别和第一个内部级别。

每个生成顶点获得重心坐标作为 gl_TessCoord：

glsl
vec3 accum = vec3(0.0f);
accum += gl_TessCoord[0] * value[0];
accum += gl_TessCoord[1] * value[1];
accum += gl_TessCoord[2] * value[2];

四边形 (Quads) ​

抽象面片为正方形，使用全部 4 个外部级别和 2 个内部级别。

每个生成顶点获得归一化 2D 坐标，gl_TessCoord.z 为 0.0。

等值线 (Isolines) ​

抽象面片为一系列水平线，只使用前两个外部级别，忽略内部级别。

  • gl_TessCoord.x：沿线的距离
  • gl_TessCoord.y：指定哪条线

曲面细分评估着色器 (TES) ​

TES 接收图元生成器生成的抽象坐标和 TCS 的输出，计算顶点的实际属性值。TES 是曲面细分的必需部分。

布局限定符 ​

glsl
layout(param1, param2, ...) in;

抽象面片类型（必需） ​

类型说明
isolines平行线的矩形块，输出线段
triangles三角形，输出三角形
quads四边形，输出三角形

间距（可选） ​

默认为 equal_spacing。

图元顺序（可选） ​

cw 或 ccw，默认 ccw。控制抽象面片内三角形的缠绕顺序。

点模式（可选） ​

使用 point_mode 强制生成点图元而非三角形或线段。

输入 ​

从 TCS（或顶点着色器）接收每顶点和每面片输出：

glsl
in vec2 vertexTexCoord[];      // 每顶点输入
patch in vec4 data;            // 每面片输入

内置输入：

glsl
in vec3 gl_TessCoord;          // 抽象面片内的位置
in int gl_PatchVerticesIn;     // 面片顶点数
in int gl_PrimitiveID;         // 面片索引

细分级别：

glsl
patch in float gl_TessLevelOuter[4];
patch in float gl_TessLevelInner[2];

顶点数据：

glsl
in gl_PerVertex {
  vec4 gl_Position;
  float gl_PointSize;
  float gl_ClipDistance[];
} gl_in[gl_MaxPatchVertices];

输出 ​

每个 TES 调用输出一个顶点的数据：

glsl
out gl_PerVertex {
  vec4 gl_Position;
  float gl_PointSize;
  float gl_ClipDistance[];
};

面片接口与连续性 ​

确保相邻面片之间无缝隙需要遵循以下规则：

规则 1

TES 对边缘顶点的插值必须接收二进制相同的输入值。TCS 必须确保共享边缘的数据在两个面片间相同。

规则 2

共享边缘的外部细分级别必须二进制相同。

规则 3

TES 必须仅基于二进制相同的数据，使用完全相同的数学运算计算边缘顶点。

限制 ​

限制枚举值最小值
最大面片顶点数GL_MAX_PATCH_VERTICES32
最大细分级别GL_MAX_TESS_GEN_LEVEL64
TCS 每顶点输出分量数GL_MAX_TESS_CONTROL_OUTPUT_COMPONENTS128
TCS 每面片输出分量数GL_MAX_TESS_PATCH_COMPONENTS120
TCS 总输出分量数GL_MAX_TESS_CONTROL_TOTAL_OUTPUT_COMPONENTS4096
TES 输入分量数GL_MAX_TESS_EVALUATION_INPUT_COMPONENTS128

另见 ​

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