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：

应用阶段（Application Stage）；
几何阶段（Geometry Stage）；
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：

准备场景数据（相机、光源、模型等）；
粗粒度剔除（Culling），将不可见物体剔除；
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：

把数据加载到显存中；
设置渲染状态；
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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