文档简介：  
　　提高3D图形程序的性能是个很大的课题。图形程序的优化大致可以分成两大任务，一是要有好的场景管理程序，能快速剔除不可见多边形，并根据对象距相机远近选择合适的细节（LOD）；二是要有好的渲染程序，能快速渲染送入渲染管线的可见多边形。   
　　我们知道，使用OpenGL或Direct3D渲染图形时，首先要设置渲染状态，渲染状态用于控制渲染器的渲染行为。应用程序可以通过改变渲染状态来控制OpenGL或Direct3D的渲染行为。比如设置Vertex/Fragment Program、绑定纹理、打开深度测试、设置雾效等。  
　　改变渲染状态对于显卡而言是比较耗时的操作，而如果能合理管理渲染状态，避免多余的状态切换，将明显提升图形程序性能。这篇文章将讨论渲染状态的管理。  

文档目录：  
　　基本思想  
　　实际问题  
　　渲染脚本  

文档内容：  

基本思想  
　　我们考虑一个典型的游戏场景，包含人、动物、植物、建筑、交通工具、武器等。稍微分析一下就会发现，实际上场景里很多对象的渲染状态是一样的，比如所有的人和动物的渲染状态一般都一样，所有的植物渲染状态也一样，同样建筑、交通工具、武器也是如此。我们可以把具有相同的渲染状态的对象归为一组，然后分组渲染，对每组对象只需要在渲染前设置一次渲染状态，并且还可以保存当前的渲染状态，设置渲染状态时只需改变和当前状态不一样的状态。这样可以大大减少多余的状态切换。下面的代码段演示了这种方法：  
   
// 渲染状态组链表，由场景管理程序填充  
RenderStateGroupList groupList;  
// 当前渲染状态  
RenderState curState;  

……  

// 遍历链表中的每个组  
RenderStateGroup *group = groupList.GetFirst();  
while ( group != NULL )  
{   
     // 设置该组的渲染状态  
     RenderState *state = group->GetRenderState();  
     state->ApplyRenderState( curState );  

     // 该渲染状态组的对象链表  
     RenderableObjectList *objList = group->GetRenderableObjectList();  
     // 遍历对象链表的每个对象  
     RenderableObject *obj = objList->GetFirst();  
     while ( obj != NULL )  
     {  
         // 渲染对象  
         obj->Render();  

         obj = objList->GetNext();  
     }  

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

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

     // 其它渲染状态  
     ……  
}      

　　这些分组的渲染状态一般被称为Material或Shader。这里Material不同于OpenGL和Direct3D里面用于光照的材质，Shader也不同于OpenGL里面的Vertex/Fragment Program和Direct3D里面的Vertex/Pixel Shader。而是指封装了的显卡渲染图形需要的状态（也包括了OpenGL和Direct3D原来的Material和Shader）。  

　　从字面上看，Material（材质）更侧重于对象表面外观属性的描述，而Shader（这个词实在不好用中文表示）则有用程序控制对象表面外观的含义。由于显卡可编程管线的引入，渲染状态中包含了Vertex/Fragment Program，这些小程序可以控制物体的渲染，所以我觉得将封装的渲染状态称为Shader更合适。这篇文章也将称之为Shader。  

　　上面的代码段只是简单的演示了渲染状态管理的基本思路，实际上渲染状态的管理需要考虑很多问题。  
渲染状态管理的问题  
　  

　消耗时间问题  
　　改变渲染状态时，不同的状态消耗的时间并不一样，甚至在不同条件下改变渲染状态消耗的时间也不一样。比如绑定纹理是一个很耗时的操作，而当纹理已经在显卡的纹理缓存中时，速度就会非常快。而且随着硬件和软件的发展，一些很耗时的渲染状态的消耗时间可能会有减少。因此并没有一个准确的消耗时间的数据。  

　　虽然消耗时间无法量化，情况不同消耗的时间也不一样，但一般来说下面这些状态切换是比较消耗时间的：  

Vertex/Fragment Program模式和固定管线模式的切换（FF，Fixed Function Pipeline）   

Vertex/Fragment Program本身程序的切换   

改变Vertex/Fragment Program常量   

纹理切换   

顶点和索引缓存（Vertex & Index Buffers）切换   

　　有时需要根据消耗时间的多少来做折衷，下面将会遇到这种情况。   

    

　渲染状态分类  
　　实际场景中，往往会出现这样的情况，一类对象其它渲染状态都一样，只是纹理和顶点、索引数据不同。比如场景中的人，只是身材、长相、服装等不同，也就是说只有纹理、顶点、索引数据不同，而其它如Vertex/Fragment Program、深度测试等渲染状态都一样。相反，一般不会存在纹理和顶点、索引数据相同，而其他渲染状态不同的情况。我们可以把纹理、顶点、索引数据不归入到Shader中，这样场景中所有的人都可以用一个Shader来渲染，然后在这个Shader下对纹理进行分组排序，相同纹理的人放在一起渲染。  
　多道渲染（Multipass Rendering）  
　　有些比较复杂的图形效果，在低档显卡上需要渲染多次，每次渲染一种效果，然后用GL_BLEND合成为最终效果。这种方法叫多道渲染Multipass Rendering，渲染一次就是一个pass。比如做逐像素凹凸光照，需要计算环境光、漫射光凹凸效果、高光凹凸效果，在NV20显卡上只需要1个pass，而在NV10显卡上则需要3个pass。Shader应该支持多道渲染，即一个Shader应该分别包含每个pass的渲染状态。  

    不同的pass往往渲染状态和纹理都不同，而顶点、索引数据是一样的。这带来一个问题：是以对象为单位渲染，一次渲染一个对象的所有pass，然后渲染下一个对象；还是以pass为单位渲染，第一次渲染所有对象的第一个pass，第二次渲染所有对象的第二个pass。下面的程序段演示了这两种方式：  

  以对象为单位渲染   
   
// 渲染状态组链表，由场景管理程序填充  
ShaderGroupList groupList;  

……  

// 遍历链表中的每个组  
ShaderGroup *group = groupList.GetFirst();  
while ( group != NULL )  
{   
     Shader *shader = group->GetShader();  
   
     RenderableObjectList *objList = group->GetRenderableObjectList();  

     // 遍历相同Shader的每个对象  
     RenderableObject *obj = objList->GetFirst();  
     while ( obj != NULL )  
     {  
         // 获取shader的pass数  
         int iNumPasses = shader->GetPassNum();  
         for ( int i = 0; i < iNumPasses; i++ )
{
// 设置shader第i个pass的渲染状态
shader->ApplyPass( i );  
             // 渲染对象  
             obj->Render();  
         }  

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

以pass为单位渲染   
    
// 渲染状态组链表，由场景管理程序填充  
ShaderGroupList groupList;  
   
……  
    
for ( int i = 0; i < MAX_PASSES_NUM; i++ )
{
// 遍历链表中的每个组
ShaderGroup *group = groupList.GetFirst();
while ( group != NULL )
{
Shader *shader = group->GetShader();  
         int iNumPasses = shader->GetPassNum();  
         // 如果shader的pass数小于循环次数，跳过此shader  
         if( i >= iNumPasses )  
         {  
             group = groupList->GetNext();  
             continue;  
         }  

         // 设置shader第i个pass的渲染状态  
         shader->ApplyPass( i );  

         RenderableObjectList *objList =   
             group->GetRenderableObjectList();  
   
         // 遍历相同Shader的每个对象  
         RenderableObject *obj = objList->GetFirst();  
         while ( obj != NULL )  
         {  
             obj->Render();  

             obj = objList->GetNext();  
         }  

         group = groupList->GetNext();  
     }  
}  
    

      
　　这两种方式各有什么优缺点呢？  

　　以对象为单位渲染，渲染一个对象的第一个pass后，马上紧接着渲染这个对象的第二个pass，而每个pass的顶点和索引数据是相同的，因此第一个pass将顶点和索引数据送入显卡后，显卡Cache中已经有了这个对象顶点和索引数据，后续pass不必重新将顶点和索引数据拷到显卡，因此速度会非常快。而问题是每个pass的渲染状态都不同，这使得实际上每次渲染都要设置新的渲染状态，会产生大量的多余渲染状态切换。  

　　以pass为单位渲染则正好相反，以Shader分组，相同Shader的对象一起渲染，可以只在这组开始时设置一次渲染状态，相比以对象为单位，大大减少了渲染状态切换。可是每次渲染的对象不同，因此每次都要将对象的顶点和索引数据拷贝到显卡，会消耗不少时间。  
　　可见想减少渲染状态切换就要频繁拷贝顶点索引数据，而想减少拷贝顶点索引数据又不得不增加渲染状态切换。鱼与熊掌不可兼得 :-(  
　　由于硬件条件和场景数据的情况比较复杂，具体哪种方法效率较高并没有定式，两种方法都有人使用，具体选用那种方法需要在实际环境测试后才能知道。  
   

　多光源问题  
待续……  

   

　阴影问题  
待续……  


　  

渲染脚本  
　　现在很多图形程序都会自己定义一种脚本文件来描述Shader。  

　　比如较早的OGRE（Object-oriented Graphics Rendering Engine，面向对象图形渲染引擎）的Material脚本，Quake3的Shader脚本，以及刚问世不久的Direct3D的Effect File，nVIDIA的CgFX脚本（文件格式与Direct3D Effect File兼容），ATI RenderMonkey使用的xml格式的脚本。OGRE Material和Quake3 Shader这两种脚本比较有历史了，不支持可编程渲染管线。而后面三种比较新的脚本都支持可编程渲染管线。  

   

脚本  特性  范例   
OGRE Material 封装各种渲染状态，不支持可编程渲染管线  >>>>   
Quake3 Shader 封装渲染状态，支持一些特效，不支持可编程渲染管线  >>>>   
Direct3D Effect File 封装渲染状态，支持multipass，支持可编程渲染管线  >>>>   
nVIDIA CgFX脚本 封装渲染状态，支持multipass，支持可编程渲染管线  >>>>   
ATI RenderMonkey脚本 封装渲染状态，支持multipass，支持可编程渲染管线  >>>>   

   

　　使用脚本来控制渲染有很多好处：  

可以非常方便的修改一个物体的外观而不需重新编写或编译程序   

可以用外围工具以所见即所得的方式来创建、修改脚本文件（类似ATI RenderMonkey的工作方式），便于美工、关卡设计人员设定对象外观，建立外围工具与图形引擎的联系   

可以在渲染时将相同外观属性及渲染状态的对象（也就是Shader相同的对象）归为一组，然后分组渲染，对每组对象只需要在渲染前设置一次渲染状态，大大减少了多余的状态切换