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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(chǎng)景管理程序，能快速剔除不可見(jiàn)多邊形，并根據(jù)對(duì)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(jiàn)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(guò)改變渲染狀態(tài)來(lái)控制OpenGL或Direct3D的渲染行為。比如設(shè)置Vertex/Fragment Program、綁定紋理、打開(kāi)深度測(cè)試、設(shè)置霧效等。
改變渲染狀態(tài)對(duì)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。
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基本思想 實(shí)際問(wèn)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(chǎng)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(chǎng)景里很多對(duì)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(duì)象歸為一組，然后分組渲染，對(duì)每組對(duì)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(chǎng)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(duì)象鏈表
RenderableObjectList *objList = group->GetRenderableObjectList();
// 遍歷對(duì)象鏈表的每個(gè)對(duì)象
RenderableObject *obj = objList->GetFirst();
while ( obj != NULL )
{
// 渲染對(duì)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(cè)試
if ( depthTest != curState.depthTest )
{
SetDepthTest( depthTest );
curState.depthTest = depthTest;
}
// Alpha測(cè)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(lái)的Material和Shader）。
從字面上看，Material（材質(zhì)）更側(cè)重于對(duì)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(duì)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(jué)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(jiǎn)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(wèn)題。
消耗時(shí)間問(wèn)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)非常快。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(méi)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(wú)法量化，情況不同消耗的時(shí)間也不一樣，但一般來(lái)說(shuō)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，Fixed Function Pipeline）
-
Vertex/Fragment Program本身程序的切換
-
改變Vertex/Fragment Program常量
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紋理切換
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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(lái)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(chǎng)景中，往往會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，一類對(duì)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(chǎng)景中的人，只是身材、長(zhǎng)相、服裝等不同，也就是說(shuō)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(cè)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(chǎng)景中所有的人都可以用一個(gè)Shader來(lái)渲染，然后在這個(gè)Shader下對(duì)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(lái)一個(gè)問(wèn)題：是以對(duì)象為單位渲染，一次渲染一個(gè)對(duì)象的所有pass，然后渲染下一個(gè)對(duì)象；還是以pass為單位渲染，第一次渲染所有對(duì)象的第一個(gè)pass，第二次渲染所有對(duì)象的第二個(gè)pass。下面的程序段演示了這兩種方式：
| 以對(duì)象為單位渲染 |
// 渲染狀態(tài)組鏈表，由場(chǎng)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(duì)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(duì)象
obj->Render();
}
obj = objList->GetNext();
}
group = groupList->GetNext();
}
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| 以pass為單位渲染 |
// 渲染狀態(tài)組鏈表，由場(chǎng)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(guò)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(duì)象
RenderableObject *obj = objList->GetFirst();
while ( obj != NULL )
{
obj->Render();
obj = objList->GetNext();
}
group = groupList->GetNext();
}
}
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這兩種方式各有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢？
以對(duì)象為單位渲染，渲染一個(gè)對(duì)象的第一個(gè)pass后，馬上緊接著渲染這個(gè)對(duì)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(duì)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)非常快。而問(wèn)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(duì)象一起渲染，可以只在這組開(kāi)始時(shí)設(shè)置一次渲染狀態(tài)，相比以對(duì)象為單位，大大減少了渲染狀態(tài)切換。可是每次渲染的對(duì)象不同，因此每次都要將對(duì)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(jiàn)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(yú)與熊掌不可兼得 :-(
由于硬件條件和場(chǎng)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(méi)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(cè)試后才能知道。
多光源問(wèn)題
待續(xù)……
陰影問(wèn)題
待續(xù)……
現(xiàn)在很多圖形程序都會(huì)自己定義一種腳本文件來(lái)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(wèn)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 |
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| 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 |
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| Direct3D Effect File |
封裝渲染狀態(tài)，支持multipass，支持可編程渲染管線 |
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| nVIDIA CgFX腳本 |
封裝渲染狀態(tài)，支持multipass，支持可編程渲染管線 |
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| ATI RenderMonkey腳本 |
封裝渲染狀態(tài)，支持multipass，支持可編程渲染管線 |
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使用腳本來(lái)控制渲染有很多好處：
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可以非常方便的修改一個(gè)物體的外觀而不需重新編寫(xiě)或編譯程序
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可以用外圍工具以所見(jiàn)即所得的方式來(lái)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(duì)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(duì)象（也就是Shader相同的對(duì)象）歸為一組，然后分組渲染，對(duì)每組對(duì)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