文檔簡介：  
　　提高3D圖形程序的性能是個(gè)很大的課題。圖形程序的優(yōu)化大致可以分成兩大任務(wù)，一是要有好的場景管理程序，能快速剔除不可見多邊形，并根據(jù)對象距相機(jī)遠(yuǎn)近選擇合適的細(xì)節(jié)（LOD）；二是要有好的渲染程序，能快速渲染送入渲染管線的可見多邊形。   
　　我們知道，使用OpenGL或Direct3D渲染圖形時(shí)，首先要設(shè)置渲染狀態(tài)，渲染狀態(tài)用于控制渲染器的渲染行為。應(yīng)用程序可以通過改變渲染狀態(tài)來控制OpenGL或Direct3D的渲染行為。比如設(shè)置Vertex/Fragment Program、綁定紋理、打開深度測試、設(shè)置霧效等。  
　　改變渲染狀態(tài)對于顯卡而言是比較耗時(shí)的操作，而如果能合理管理渲染狀態(tài)，避免多余的狀態(tài)切換，將明顯提升圖形程序性能。這篇文章將討論渲染狀態(tài)的管理。  

文檔目錄：  
　　基本思想  
　　實(shí)際問題  
　　渲染腳本  

文檔內(nèi)容：  

基本思想  
　　我們考慮一個(gè)典型的游戲場景，包含人、動(dòng)物、植物、建筑、交通工具、武器等。稍微分析一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上場景里很多對象的渲染狀態(tài)是一樣的，比如所有的人和動(dòng)物的渲染狀態(tài)一般都一樣，所有的植物渲染狀態(tài)也一樣，同樣建筑、交通工具、武器也是如此。我們可以把具有相同的渲染狀態(tài)的對象歸為一組，然后分組渲染，對每組對象只需要在渲染前設(shè)置一次渲染狀態(tài)，并且還可以保存當(dāng)前的渲染狀態(tài)，設(shè)置渲染狀態(tài)時(shí)只需改變和當(dāng)前狀態(tài)不一樣的狀態(tài)。這樣可以大大減少多余的狀態(tài)切換。下面的代碼段演示了這種方法：  
   
// 渲染狀態(tài)組鏈表，由場景管理程序填充  
RenderStateGroupList groupList;  
// 當(dāng)前渲染狀態(tài)  
RenderState curState;  

……  

// 遍歷鏈表中的每個(gè)組  
RenderStateGroup *group = groupList.GetFirst();  
while ( group != NULL )  
{   
     // 設(shè)置該組的渲染狀態(tài)  
     RenderState *state = group->GetRenderState();  
     state->ApplyRenderState( curState );  

     // 該渲染狀態(tài)組的對象鏈表  
     RenderableObjectList *objList = group->GetRenderableObjectList();  
     // 遍歷對象鏈表的每個(gè)對象  
     RenderableObject *obj = objList->GetFirst();  
     while ( obj != NULL )  
     {  
         // 渲染對象  
         obj->Render();  

         obj = objList->GetNext();  
     }  

     group = groupList.GetNext();   
}  
   
其中RenderState類的ApplyRenderState方法形如：   
void RenderState::ApplyRenderState( RenderState &curState )   
{  
     // 深度測試   
     if ( depthTest != curState.depthTest )  
     {  
         SetDepthTest( depthTest );  
         curState.depthTest = depthTest;  
     }  

     // Alpha測試  
     if ( alphaTest != curState.alphaTest )  
     {  
         SetAlphaTest( alphaTest );  
         curState.alphaTest = alphaTest;  
     }  

     // 其它渲染狀態(tài)  
     ……  
}      

　　這些分組的渲染狀態(tài)一般被稱為Material或Shader。這里Material不同于OpenGL和Direct3D里面用于光照的材質(zhì)，Shader也不同于OpenGL里面的Vertex/Fragment Program和Direct3D里面的Vertex/Pixel Shader。而是指封裝了的顯卡渲染圖形需要的狀態(tài)（也包括了OpenGL和Direct3D原來的Material和Shader）。  

　　從字面上看，Material（材質(zhì)）更側(cè)重于對象表面外觀屬性的描述，而Shader（這個(gè)詞實(shí)在不好用中文表示）則有用程序控制對象表面外觀的含義。由于顯卡可編程管線的引入，渲染狀態(tài)中包含了Vertex/Fragment Program，這些小程序可以控制物體的渲染，所以我覺得將封裝的渲染狀態(tài)稱為Shader更合適。這篇文章也將稱之為Shader。  

　　上面的代碼段只是簡單的演示了渲染狀態(tài)管理的基本思路，實(shí)際上渲染狀態(tài)的管理需要考慮很多問題。  
渲染狀態(tài)管理的問題  
　  

　消耗時(shí)間問題  
　　改變渲染狀態(tài)時(shí)，不同的狀態(tài)消耗的時(shí)間并不一樣，甚至在不同條件下改變渲染狀態(tài)消耗的時(shí)間也不一樣。比如綁定紋理是一個(gè)很耗時(shí)的操作，而當(dāng)紋理已經(jīng)在顯卡的紋理緩存中時(shí)，速度就會(huì)非�？�。而且隨著硬件和軟件的發(fā)展，一些很耗時(shí)的渲染狀態(tài)的消耗時(shí)間可能會(huì)有減少。因此并沒有一個(gè)準(zhǔn)確的消耗時(shí)間的數(shù)據(jù)。  

　　雖然消耗時(shí)間無法量化，情況不同消耗的時(shí)間也不一樣，但一般來說下面這些狀態(tài)切換是比較消耗時(shí)間的：  

Vertex/Fragment Program模式和固定管線模式的切換（FF，F(xiàn)ixed Function Pipeline）   

Vertex/Fragment Program本身程序的切換   

改變Vertex/Fragment Program常量   

紋理切換   

頂點(diǎn)和索引緩存（Vertex & Index Buffers）切換   

　　有時(shí)需要根據(jù)消耗時(shí)間的多少來做折衷，下面將會(huì)遇到這種情況。   

    

　渲染狀態(tài)分類  
　　實(shí)際場景中，往往會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，一類對象其它渲染狀態(tài)都一樣，只是紋理和頂點(diǎn)、索引數(shù)據(jù)不同。比如場景中的人，只是身材、長相、服裝等不同，也就是說只有紋理、頂點(diǎn)、索引數(shù)據(jù)不同，而其它如Vertex/Fragment Program、深度測試等渲染狀態(tài)都一樣。相反，一般不會(huì)存在紋理和頂點(diǎn)、索引數(shù)據(jù)相同，而其他渲染狀態(tài)不同的情況。我們可以把紋理、頂點(diǎn)、索引數(shù)據(jù)不歸入到Shader中，這樣場景中所有的人都可以用一個(gè)Shader來渲染，然后在這個(gè)Shader下對紋理進(jìn)行分組排序，相同紋理的人放在一起渲染。  
　多道渲染（Multipass Rendering）  
　　有些比較復(fù)雜的圖形效果，在低檔顯卡上需要渲染多次，每次渲染一種效果，然后用GL_BLEND合成為最終效果。這種方法叫多道渲染Multipass Rendering，渲染一次就是一個(gè)pass。比如做逐像素凹凸光照，需要計(jì)算環(huán)境光、漫射光凹凸效果、高光凹凸效果，在NV20顯卡上只需要1個(gè)pass，而在NV10顯卡上則需要3個(gè)pass。Shader應(yīng)該支持多道渲染，即一個(gè)Shader應(yīng)該分別包含每個(gè)pass的渲染狀態(tài)。  

    不同的pass往往渲染狀態(tài)和紋理都不同，而頂點(diǎn)、索引數(shù)據(jù)是一樣的。這帶來一個(gè)問題：是以對象為單位渲染，一次渲染一個(gè)對象的所有pass，然后渲染下一個(gè)對象；還是以pass為單位渲染，第一次渲染所有對象的第一個(gè)pass，第二次渲染所有對象的第二個(gè)pass。下面的程序段演示了這兩種方式：  

  以對象為單位渲染   
   
// 渲染狀態(tài)組鏈表，由場景管理程序填充  
ShaderGroupList groupList;  

……  

// 遍歷鏈表中的每個(gè)組  
ShaderGroup *group = groupList.GetFirst();  
while ( group != NULL )  
{   
     Shader *shader = group->GetShader();  
   
     RenderableObjectList *objList = group->GetRenderableObjectList();  

     // 遍歷相同Shader的每個(gè)對象  
     RenderableObject *obj = objList->GetFirst();  
     while ( obj != NULL )  
     {  
         // 獲取shader的pass數(shù)  
         int iNumPasses = shader->GetPassNum();  
         for ( int i = 0; i < iNumPasses; i++ )
{
// 設(shè)置shader第i個(gè)pass的渲染狀態(tài)
shader->ApplyPass( i );  
             // 渲染對象  
             obj->Render();  
         }  

         obj = objList->GetNext();  
     }  
   
     group = groupList->GetNext();  
}  
     

以pass為單位渲染   
    
// 渲染狀態(tài)組鏈表，由場景管理程序填充  
ShaderGroupList groupList;  
   
……  
    
for ( int i = 0; i < MAX_PASSES_NUM; i++ )
{
// 遍歷鏈表中的每個(gè)組
ShaderGroup *group = groupList.GetFirst();
while ( group != NULL )
{
Shader *shader = group->GetShader();  
         int iNumPasses = shader->GetPassNum();  
         // 如果shader的pass數(shù)小于循環(huán)次數(shù)，跳過此shader  
         if( i >= iNumPasses )  
         {  
             group = groupList->GetNext();  
             continue;  
         }  

         // 設(shè)置shader第i個(gè)pass的渲染狀態(tài)  
         shader->ApplyPass( i );  

         RenderableObjectList *objList =   
             group->GetRenderableObjectList();  
   
         // 遍歷相同Shader的每個(gè)對象  
         RenderableObject *obj = objList->GetFirst();  
         while ( obj != NULL )  
         {  
             obj->Render();  

             obj = objList->GetNext();  
         }  

         group = groupList->GetNext();  
     }  
}  
    

      
　　這兩種方式各有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢？  

　　以對象為單位渲染，渲染一個(gè)對象的第一個(gè)pass后，馬上緊接著渲染這個(gè)對象的第二個(gè)pass，而每個(gè)pass的頂點(diǎn)和索引數(shù)據(jù)是相同的，因此第一個(gè)pass將頂點(diǎn)和索引數(shù)據(jù)送入顯卡后，顯卡Cache中已經(jīng)有了這個(gè)對象頂點(diǎn)和索引數(shù)據(jù)，后續(xù)pass不必重新將頂點(diǎn)和索引數(shù)據(jù)拷到顯卡，因此速度會(huì)非�？�。而問題是每個(gè)pass的渲染狀態(tài)都不同，這使得實(shí)際上每次渲染都要設(shè)置新的渲染狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生大量的多余渲染狀態(tài)切換。  

　　以pass為單位渲染則正好相反，以Shader分組，相同Shader的對象一起渲染，可以只在這組開始時(shí)設(shè)置一次渲染狀態(tài)，相比以對象為單位，大大減少了渲染狀態(tài)切換�？墒敲看武秩镜膶ο蟛煌�，因此每次都要將對象的頂點(diǎn)和索引數(shù)據(jù)拷貝到顯卡，會(huì)消耗不少時(shí)間。  
　　可見想減少渲染狀態(tài)切換就要頻繁拷貝頂點(diǎn)索引數(shù)據(jù)，而想減少拷貝頂點(diǎn)索引數(shù)據(jù)又不得不增加渲染狀態(tài)切換。魚與熊掌不可兼得 :-(  
　　由于硬件條件和場景數(shù)據(jù)的情況比較復(fù)雜，具體哪種方法效率較高并沒有定式，兩種方法都有人使用，具體選用那種方法需要在實(shí)際環(huán)境測試后才能知道。  
   

　多光源問題  
待續(xù)……  

   

　陰影問題  
待續(xù)……  


　  

渲染腳本  
　　現(xiàn)在很多圖形程序都會(huì)自己定義一種腳本文件來描述Shader。  

　　比如較早的OGRE（Object-oriented Graphics Rendering Engine，面向?qū)ο髨D形渲染引擎）的Material腳本，Quake3的Shader腳本，以及剛問世不久的Direct3D的Effect File，nVIDIA的CgFX腳本（文件格式與Direct3D Effect File兼容），ATI RenderMonkey使用的xml格式的腳本。OGRE Material和Quake3 Shader這兩種腳本比較有歷史了，不支持可編程渲染管線。而后面三種比較新的腳本都支持可編程渲染管線。  

   

腳本  特性  范例   
OGRE Material 封裝各種渲染狀態(tài)，不支持可編程渲染管線  >>>>   
Quake3 Shader 封裝渲染狀態(tài)，支持一些特效，不支持可編程渲染管線  >>>>   
Direct3D Effect File 封裝渲染狀態(tài)，支持multipass，支持可編程渲染管線  >>>>   
nVIDIA CgFX腳本 封裝渲染狀態(tài)，支持multipass，支持可編程渲染管線  >>>>   
ATI RenderMonkey腳本 封裝渲染狀態(tài)，支持multipass，支持可編程渲染管線  >>>>   

   

　　使用腳本來控制渲染有很多好處：  

可以非常方便的修改一個(gè)物體的外觀而不需重新編寫或編譯程序   

可以用外圍工具以所見即所得的方式來創(chuàng)建、修改腳本文件（類似ATI RenderMonkey的工作方式），便于美工、關(guān)卡設(shè)計(jì)人員設(shè)定對象外觀，建立外圍工具與圖形引擎的聯(lián)系   

可以在渲染時(shí)將相同外觀屬性及渲染狀態(tài)的對象（也就是Shader相同的對象）歸為一組，然后分組渲染，對每組對象只需要在渲染前設(shè)置一次渲染狀態(tài)，大大減少了多余的狀態(tài)切換