文档简介：
　　提高3D图像程式的性能是个很大的课题。图像程式的优化大致能够分成两大任务，一是要有好的场景管理程式，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式，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渲染图像时，首先要配置渲染状态，渲染状态用于控制渲染器的渲染行为。应用程式能够通过改变渲染状态来控制OpenGL或Direct3D的渲染行为。比如配置Vertex/Fragment Program、绑定纹理、打开深度测试、配置雾效等。
　　改变渲染状态对于显卡而言是比较耗时的操作，而假如能合理管理渲染状态，避免多余的状态转换，将明显提升图像程式性能。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相同的，比如任何的人和动物的渲染状态一般都相同，任何的植物渲染状态也相同，同样建筑、交通工具、武器也是如此。我们能够把具备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配置一次渲染状态，并且还能够保存当前的渲染状态，配置渲染状态时只需改变和当前状态不相同的状态。这样能够大大减少多余的状态转换。下面的代码段演示了这种方法：

// 渲染状态组链表，由场景管理程式填充
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 )
{
// 配置该组的渲染状态
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;
}

// 其他渲染状态
……
}

　　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像需要的状态（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）则有用程式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，这些小程式能够控制物体的渲染，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相同，甚至在不同条件下改变渲染状态消耗的时间也不相同。比如绑定纹理是个很耗时的操作，而当纹理已在显卡的纹理缓存中时，速度就会很快。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相同，但一般来说下面这些状态转换是比较消耗时间的：

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

Vertex/Fragment Program本身程式的转换

改变Vertex/Fragment Program常量

纹理转换

顶点和索引缓存（Vertex & Index Buffers）转换

　　有时需要根据消耗时间的多少来做折衷，下面将会碰到这种情况。



　渲染状态分类
　　实际场景中，往往会出现这样的情况，一类对象其他渲染状态都相同，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，而其他如Vertex/Fragment Program、深度测试等渲染状态都相同。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。我们能够把纹理、顶点、索引数据不归入到Shader中，这样场景中任何的人都能够用一个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）
　　有些比较复杂的图像效果，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。