【Unity】渲染管线基础

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渲染管线（Randering Pipeline）

渲染管线是将网格、纹理等信息从加载到展现在屏幕上的整个过程，也叫做渲染流水线。是给定坐标系、镜头、物体、纹理、光源等信息后如何呈现为二维画面的流程。这些流程以流水线的方式工作。相对于没有流水线的渲染方式，流水线各个环节互相干扰小，渲染效率也高了很多。

下图为有流水线和无流水线的效率比对：

Shader按管线分类一般分为固定渲染管线和可编程渲染管线。早期GPU遵循固定管线（Existing Fixed Function Pipeline），光源算法相对固定，只能通过贴图来改变，通常只有塑料的质感，无法操作间接光及环境光，早已过时。

下图为常见图形API从固定管线向可编程管线进化的版本：

3D API	最后支持固定管线的版本	第一个支持可编程管线的版本
OpenGL	1.5	2.0
OpenGL ES	1.1	2.0
DirectX	7.0	8.0

实际上现阶段所使用的渲染管线都是可编程渲染管线，原有的固定渲染管线功能也基本上被新的可编程管线模拟替代，大部分后期发布的显卡都已经彻底移除了固定渲染管线的概念。

渲染流程

渲染的整个流程是由CPU发起的，游戏本身使用CPU判断哪些物体需要渲染，找到需要渲染的物体后逐个调用系统对应的图形API，每一个物体都会调用一次DrawCall，这个DrawCall就是CPU通知显卡开始渲染的过程。当显卡接收到DrawCall后，会对指定的物体进行处理，最终显示在屏幕上。下图为渲染流程概念图：

可编程渲染管线

渲染管线从概念上划分大致可以分为三个阶段：

1. 应用阶段（Application Stage）；
2. 几何阶段（Geometry Stage）；
3. 光栅化阶段（Rasterizor Stage）。

每个阶段都有其独有的子流水线。如下图所示：

应用阶段

应用阶段工作是在CPU中进行的，主要有三大任务：

1. 准备场景数据（相机、光源、模型等）；
2. 粗粒度剔除（Culling），将不可见物体剔除；
3. 设置渲染状态，包括材质（漫反射颜色、高光反射颜色等）、纹理、shader等。

这一阶段最重要的工作是输出渲染几何信息，即渲染图元（Rendering Primitives），渲染图元可以是点、线、三角面等几何信息，这些渲染图元将会被传递给下一个阶段。

注意：应用阶段是开发者主导的，与Shader基本无关。

应用阶段又可以大致分为三个阶段：

1. 把数据加载到显存中；
2. 设置渲染状态；
3. 调用DrawCall。

把数据加载到显存中

所有渲染数据都是从硬盘加载到内存中，然后将其中的网格、纹理、顶点位置信息、法线方向、顶点颜色、纹理坐标等数据加载到显存中。这是因为显卡访问显存更快，且大多数显卡对于RAM没有直接访问权。

有部分信息加载到显存（VRAM）后就可以从内存中移除了，但有些数据仍然需要访问，例如：CPU访问网格数据进行碰撞监测。

数据加载完成后，渲染数据将会同时存在于硬盘、内存、显存中，而内存和显存的空间是有限的，所以优秀的开发者应该更多的考虑减少空间占用，减轻硬件负荷，以此提高游戏运行效率。

设置渲染状态

渲染状态定义了网格是如何被渲染的，包括使用哪个顶点着色器/片元着色器、光源属性、材质等。

调用DrawCall

DrawCall是从CPU向GPU发送的一个命令，这个命令指定一个需要被渲染的图元（Primitives）列表，通知GPU将其渲染。

几何阶段、光栅化阶段

几何阶段和光栅化阶段的工作是在GPU中进行的，而GPU只给了部分控制权限。实际上这两个阶段可以分为若干个更小的流水线阶段，这些流水线阶段有GPU来实现，每个阶段提供了不同的可配置性和可编程性。

GPU渲染管线是以接收顶点数据作为入口，这些数据是由应用阶段加载到显存中，再由DrawCall指定的。

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