使用DX9几何实例化(Instancing)模拟Tessellation
使用DX9几何实例化(Instancing)模拟Tessellation
Heatonlan
本文不是介绍DX11Tessellation的使用，也不是直接用DX9去模拟DX11的3个Tessellation Stage,而是在DX9下通过一种比较简单的方法让一个模型做Tessellation，进而思考更多的可能性。
通常情况，几何实例化(Instancing)一个5000三角面的模型，16个实例，将产生一次16个5000面的渲染，结果是不同位置朝向和颜色等的16个实例；设象一下另外一种情况，将这个模型每个三角面都Tessellation成16个小三角形(标记为Tri0-Tri15)，假设第一个实例是所有的Tri0构成的部分，第二个是所有Tri1构成的，以此类推，共16个实例；综合以上两点，设想首先让16个5000面的实例先重叠在一起，然后分别计算出各个实例对应的Tri0到Tri15，这样就完成了提交16个实例5000面模型到16 x 5000面一个模型的转变，具体如下：
均匀的Tessellation(每个三角形Tessellation成一样数量)
处理原模型：让每个顶点包含整个三角面的信息，并且记录当前顶点在这个三角形的顺序0或1或2
示例顶点结构
struct PatchTessellation
{
D3DXVECTOR3 pos0;
D3DXVECTOR3 pos1;
D3DXVECTOR3 pos2;
D3DXVECTOR2 uv0;
D3DXVECTOR2 uv1;
D3DXVECTOR2 uv2;
DWORDv012;//顶点顺序
};
生成Tessellation Palette：以5000面16实例为例子，这里会生成16组参数，每组9个值，对应某个小三角形(Tri0到Tri15)的三个顶点在大三角形的权重.
示例代码
//tessellation palette
void CalcWeightNew(
int j0, int i0, int j1, int i1, int j2, int i2, int ijMax,//3 index pair
D3DXVECTOR3& w0, D3DXVECTOR3& w1, D3DXVECTOR3& w2)
{
// ^
// |
// p0(i = 0)
// |
// |
// |
// p1--------p2-->j
// (0,0)
// |
//|
//(1,0)---(1,1)
// | |
//| |
//(2,0)---(2,1)--(2,2)
//
w0.x = 1.f - (float)i0 / (float)ijMax;
w0.y = (float)(i0 - j0) / (float)ijMax;
w0.z = (float)j0 / (float)ijMax;
w1.x = 1.f - (float)i1 / (float)ijMax;
w1.y = (float)(i1 - j1) / (float)ijMax;
w1.z = (float)j1 / (float)ijMax;
w2.x = 1.f - (float)i2 / (float)ijMax;
w2.y = (float)(i2 - j2) / (float)ijMax;
w2.z = (float)j2 / (float)ijMax;
}
//process for level n
// level = 3
// 0---1---2---3
// | | | |
// 4---5---6---7
// | | | |
// 8---9--10--11
// | | | |
// 12--13--14--15
for (int i = 0; i < level; ++i)
{
for (int j = 0; j <= i; ++j)
{
D3DXVECTOR3 weight[3];
//0
// |
// |_
//1 2
CalcWeightNew(j, i, j, i+1, j+1, i+1, level,
weight[0], weight[1], weight[2]);
// copy weight[3] to instancing buffer, and instancing buffer++
// 0__2
// |
// |
// 1
if(j != i)//skip last
{
CalcWeightNew(j, i, j+1, i+1, j+1, i, level,
weight[0], weight[1], weight[2]);
// copy weight[3] to instancing buffer, and instancing buffer++
}
}
}
在Vertex Shader里计算Tessellation：有了1和2的数据，在VS里可以直接计算了，VS示例如下：
//VS input
struct VSInTess
{
//对应1的PatchTessellation
float4 Position0 : POSITION0;
float4 Position1 : POSITION1;
float4 Position2 : POSITION2;
float4 UV0 : TEXCOORD0;
float4 UV1 : TEXCOORD1;
float4 UV2 : TEXCOORD2;
float4 Color : COLOR;
//对应2的Tessellation Palette，有效部分是3个float3
float4 Tessllation0 : TEXCOORD3;
float4 Tessllation1 : TEXCOORD4;
float4 Tessllation2 : TEXCOORD5;
};
//这里在VS前面处理Tessellation
VSOutTess VSMainTess(VSInTess IN_tess)
{
VSOutTess Output;
float4 curTessllation = 0;
//代码略恶心，但生成的asm很简短
//目前在VS里没找到更合适的索引VSInput的方法
if (IN_tess.Color.x < 0.5f/255.f)
{
curTessllation = IN_tess.Tessllation0;
}
else if (IN_tess.Color.x < 1.5f/255.f)
{
curTessllation = IN_tess.Tessllation1;
}
else if (IN_tess.Color.x < 2.5f/255.f)
{
curTessllation = IN_tess.Tessllation2;
}
float4 InPosition = IN_tess.Position0 * curTessllation.x
+ IN_tess.Position1 * curTessllation.y
+ IN_tess.Position2 * curTessllation.z;
float2 InUV = IN_tess.UV0 * curTessllation.x
+ IN_tess.UV1 * curTessllation.y
+ IN_tess.UV2 * curTessllation.z;
//使用InPosition 和InUV继续做后面的VS计算
//带Skinning可以在World变换之后
}
有了1.2.3，最基本的目的达成了，5000面被Tessellation成了16x5000面了，后续按需要可以采样位移贴图，做Bezier曲面等等.
非均匀的Tessellation(不同三角形Tessellation成不同数量，并处理接边问题)
因为DX9只能CPU发起渲染，变长的三角形序列是无法操作的，有个变通的方法，就是控制三角形最大Tessellation数字，通过在VS里对多余的三角形进行退化，达到变长输出的目的.
关于接边，可以定义每条边的TessFactor，即TF0，TF1，TF2，定义中间区域的InsideTessFactor，即ITF，这样三角形的Tessellation Palette就由TF0，TF1，TF2，ITF完全确定了，VS里只要保证TF0，TF1，TF2在共享边算出一样的值就可以了，比如通过边的长度来计算TessFactor.
实现上
1.离线构造两张表，存入浮点纹理
Tex0: Tessellation Palette大小 <- (TF0,TF1,TF2,ITF)
TEX1:float x 3 <-(TF0,TF1,TF2,ITF,InstanceID,VtxID)
例如，定义最大Tessellation数字为3，这样TF0，TF1，TF2，ITF的范围就是0到3，枚举所有Tessellation Palette并写入浮点纹理TEX1，Tessellation Palette的大小写入TEX0；在TF0 = TF1 = TF2 = ITF = 最大3时，假设能Tessellation成64个小三角形，这时纹理大小为3float(权重) x 3(VtxID) x 64(InstanceID) x 4(TF0) x 4(TF1) x 4(TF2) x 4(ITF)，约600KB，当然中间有很多空值，只是为了索引方便，有较大优化余地. 注：3float(权重) x 3(VtxID)对应前面均匀Tessellation的9个float.
2.渲染5000面模型时，提交最大的64个实例的渲染，实例化数据里只需要包含InstanceID(实例序号，这里是0到63)即可.
3.Vertex Shader里先计算TF0，TF1，TF2，ITF，查TEX0先取得对应Tessellation Palette的大小，例如32，对大于等于32的实例的各个三角形顶点，直接退化，避免后面的渲染计算，小于32的部分，查找TEX1取得3个float，计算顶点位置即可.
更具体的实现下回分解，上面其实只是一个构思。。。
好吧，尽管现在都DX11和DX12了，但是DX9在国内确实无法直接放弃，上面的小技巧也给DX9增添了新技能，怎么应用就看想象力了。