周笔记（7/52） - DX11 - Tessellation/Hardware Instance

Tesselation（曲面细分）

要点

1. 将一个几何块细分成更小的三角形，提供更多细节
   
   • 可以协作动态LOD
   • 提供更高效的动画
   • 节省空间
2. 管线中的位置：VS -> HS(Hull Shader) -> Tessellator Stage -> DS(Domain Shader) -> GS(Geometry Shader)
3. 基本概念：
   
   • 不是输出片元，而是输出一个带有若干个控制点(control point)的包(patch)。根据细分拓扑结构，这些控制点会填入拓补结构中的顶点，然后得到诸多三角形。
   • 输入的控制点的个数可以用 D3D11_PRIMITIVE_N_CONTROL_POINT_PATCH(n=1~32)来表示。使用 context->IASetPrimitiveTopology() 进行设置。
4. 如何决定添加细节？
   
   • 因素
     
     • 根据与摄像机的距离
     • 估计所占据的屏幕像素
     • 旋转角度与视线的距离
     • 粗糙程度
   • 注意
     
     • 开关tesselation是比较费的，尽量批量处理draw call
     • 8像素以下的面就不要再细分了
5. Tesselation包括以下几个部分
   
   • hull shader
     
     • contant hull shader
       
       • 输入：InputPatch < VertexOut, 4 >，这里的4代表一个四边形
       • 输出： struct PatchTess{ // 这里的4和2是因为上边是四边形，对于三角形则是 3和1
         EdgeTess[4] : SV_TessFactor; // 代表4条边上分别细分成几段
         InsideTess[2] : SV_InsideTessFactor; // 代表内部的quad的长宽分别细分几段
         … // 也可以有其他信息
         }
       • 参数值代表了细分时的拓扑结构（图略）
       • 值为0代表这个primitive被丢弃了，从而省略之后的流程。例如对于frustum裁剪、背面消隐引起的不可见，都可以在这时候被直接丢弃。
       • 值都为1代表这个primitive实际上没有做什么工作——不要这样浪费GPU。
     • control point hull shader
       
       • 输入：
         InputPatch < VertexOut, 4 >（输入的控制点们）
         SV_OutputControlPointID（本次需要计算的输出的控制点的ID）
         注意两者的数量是没什么关系的
       • 输出：struct HullOut{
         float3 pos : POSITION;
         …}
       • 语法：
       • [domain(“quad”)]：patch的类型。包括 tri,quad,isoline。
       • [partitioning(“ingeger”)]：决定细分的模式。例如：integer——只factor的整数部分进行增删控制点（会导致突变）；fractional_even/odd——使用分数部分来从两个整数factor之间光滑切换
       • [outputtopology(“triangle_cw”)]：绕序。还有triangle_ccw,line。
       • [outputcontrolpoints(4)]：hull shader输出控制点的数量。SV_OutputControlPointID为其索引。
       • [patchconstantfunc(“ConstantHS”)]：指示constant hull shader的名字。
       • [maxtessfactor(64.0f)]：告诉shader你会用到的最大的tessellation factor的hint。可以带来优化。最大为64。
     • tessellation阶段不受用户控制
     • domain shader
       
       • 根据tessellation 阶段输出的顶点，对其进行VS类似的功能，变换到齐次裁剪空间等
       • 输入：
         SV_DomainLocation(float2)：控制点的uv坐标（或者对三角形而言uvw，这种重心坐标(barycentric)对Bezier曲线非常友好）
       • 输出：struct DomainOut{float3 pos:SV_POSITION;…}
       • 语法：
         [DOMAIN(“quad”)]

遗留问题

• [partitioning(“ingeger”)] 不明白什么意思
• 没太看懂 tessellation 是什么意思

Bezier Curve

定义

1. 线性贝塞尔曲线
   
   • B(t) = (1-t) * P0 + t * P1 (0<=t<=1)
2. 二次贝塞尔曲线
   
   • B(t) = (1-t) * ((1-t)P0 + tP1) + t * ((1-t)P1 + tP2)
     = (1-t)^2 * P0 + 2(1-t)tP1 + t^2 * P2
3. 三次贝塞尔曲线
   
   • （以此类推）
4. 用几何画板的一个简单绘图展示
   
   （线段比例关系可以根据图片大致猜测）
   上图中中间BC线段是线性贝塞尔曲线；
   上下两条红线是二次贝塞尔曲线，它有1个控制点；
   中间红线是三次贝塞尔曲线，它有2个控制点；
   可以看出，贝塞尔曲线并不一定经过控制点；两端处的线段指示切线方向。
   联系到PhotoShop中常用的制作path的钢笔工具，可见那个钢笔工具其实就是一个三次贝塞尔曲线而已~
   远古的画图板，貌似是用的三次贝塞尔曲线~那时那个曲线工具，先拖一条直线，然后隔空拖两次得到一条曲线。。。【我至今还记得那时候无论怎么拖曲线都拖不理想的痛苦~
5. 贝塞尔曲面(bezier surface)
   例如三次贝塞尔曲线，需要4x4个点。首先进行4行贝塞尔曲线计算，再将t从0遍历到1，计算每列的贝塞尔曲线。从而得到一个曲面。

建立第一人称摄像机

杂记

1. 这本书提供的是每次移动时，对摄像机矩阵进行旋转的策略。以前试过这种，误差还是挺大。比不上DX Sample里边记录一个四元数然后每次移动时修改四元数，再生成矩阵的算法。
2. 一些函数
   
   • XMMatrixPerspectiveFovLH
   • XMVectorMultiplyAdd(step,look,originpos) = step*look+originpos，特别适合摄像机平移
   • XMMatrixRotationAxis(axis, angle)
   • XMVector3TransformNormal(originVec, transformMat)
   • XMVectorSplatZ 将vector的所有分量都设为其z值
   • XMVectorReciprocal 计算逐分量的倒数
   • viewMat(i, 0) 是x方向，viewMat(i, 1)是y方向，viewMat(i, 2) 是z方向，viewMat(i, 3) 是平移位置

硬件实例化

要点

1. 意思就是如何在一个场景中多次画同一个物体
2. 如果每次绘制都重设颜色、贴图、世界矩阵，那依然还是有很多API overhead。在DX9中常见CPU是瓶颈，从而限制drawcall的数量。
   
   • 可以使用 batch 技术，来减少drawcall
   • 可以配合纹理列表数组（texture array），使用硬件实例化（hardware instancing），来减少drawcall。
3. 硬件实例化是对vs做的操作，通过对input layout的input slot class进行修改，来输入多个instance的数据

步骤

1. VS
   
   • 增加 SV_InstanceID 类型，指示instance的索引
2. Input Layout
   
   • D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC
     
     • UINT InputSlotClass: 指示输入element是作为vertex element还是instanced element
       
       • D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA
       • D3D11_INPUT_PER_INSTANCE_DATA
     • UINT InstanceDataStepRate: 指示每个instanced data element中有多少个instance。例如要用用3个颜色画6个instance，那么step就是2。对于vertex element，这个应该是0。
     • UINT InputSlot: 可以用多个Slot了
     • UINT SemanticIndex: 同一类型的数据，这个index要递增了
       
   • context->IASetInputLayout(startSlot, numBuffers, pVB, pStride, pOffset)
     
     • numBuffers: slot的个数
     • pVB: 两个buffer分开
     • pStride: 数组内容为两个buffer各自的stride
     • pOffset: 数组内容为两个buffer各自的stride
   • context->IASetInputLayout
     
     • 输入desc
       
   • context->DrawIndextedInstanced(indexCountPerInstance, instanceCount, StartIndexLocation, BaseVertexLocation, StartInstanceLocation)
     
     • indexCountPerInstance: 每个instance的顶点数
     • instanceCount: instance数量
     • 后三个指示从哪里开始读取vertex
       
3. 建立Instanced buffer
   
   • 使用dynamic buffer，因为instanced buffer通常是经常变化的
   • D3D11_BUFFER_DESC
     
     • Usage: D3D11_USAGE_DYNAMIC
     • CPUAccessFlags: D3D11_CPU_ACCESS_WRITE

视锥剔除（frustum culling）

杂记

1. 去看看xnacollision.h/cpp里边对于各种几何碰撞的检测~
2. AABB: axis-aligned bounding box
   OBB:oriented bounding box
   bounding sphere(球形包围盒)
3. 为了碰撞检测和拾取，常常保留一份vertices的备份在CPU
4. Frustum体的碰撞检测（xna也提供了）
   
   • Sphere：
     
     • 检测球和六个面的位置关系
   • AABB：
     
     • AABB的每个面，检测它和frustum面法线最平行的那个对角线——它的两个端点分别在frustum面两侧的时候会相交
     • 最平行：因为是AABB所以只需要按照法线方向来取自己顶点里的最大最小值就行了
5. 用CPU来做视锥剔除，可以减少三角形被送入GPU的流中。在输入数据的时候，不输入不可见的数据，然后减小 context->DrawIndexedInstanced 中的 instancedCount 参数即可。

遗留问题

1. 去看看xnacollision.h/cpp里边对于各种几何碰撞的检测~