渲染管线
渲染管线（Rendering Pipeline） 是指：
将 3D 模型转换为 2D 图像并显示在屏幕上的整个过程。这个过程被划分为多个阶段，每个阶段负责不同的任务。 也可以想象为一个流水线，输入的是模型数据，输出的是图像。
固定渲染管线和可编程渲染管线是现代图形编程中两种根本不同的架构模式，它们在灵活性、控制粒度和工作流程上存在本质差异。
固定渲染管线
- 硬件固化：渲染流程由GPU硬件预先固化。
- 有限配置：通过API参数调整有限功能。
- 黑盒操作：开发者无法修改内部处理逻辑。
- 典型代表：OpenGL 1.x、DirectX 7。
可编程渲染管线
- 软件定义：关键阶段由开发者编写着色器程序控制。
- 完全可定制：可自由实现任意渲染算法。
- 透明控制：直接操作顶点/片元处理逻辑。
- 典型代表：OpenGL 2.0+ (GLSL)、DirectX 9+ (HLSL)、Vulkan/Metal
功能控制对比
顶点处理
| 能力 | 固定管线 | 可编程管线 |
|---|---|---|
| 坐标变换 | 固定矩阵堆栈 (glMatrix) | 自定义矩阵运算 |
| 光照计算 | 固定Gouraud/Phong模型 | 任意光照模型 (PBR等) |
| 骨骼动画 | 不支持 | 自由实现蒙皮权重 |
| 顶点数据 | 固定属性 (位置/法线/UV) | 任意自定义属性 |
片元处理
| 能力 | 固定管线 | 可编程管线 |
|---|---|---|
| 纹理混合 | 固定组合 (GL_COMBINE) | 任意数学运算 |
| 材质系统 | 简单材质参数 | 复杂PBR材质 (金属/粗糙度/环境反射等) |
| 后期效果 | 有限雾效/Alpha测试 | 全屏后处理 (SSR, HDR等) |
| 条件分支 | 不支持 | 完整流程控制 (if/else, switch等) |
工作流程
固定管线工作流：
可编程管线工作流：
性能特性对比
| 特性 | 固定管线 | 可编程管线 |
|---|---|---|
| 启动开销 | 极低 | 较高（需编译着色器） |
| 运行时效率 | 稳定但固定 | 依赖着色器优化程度 |
| 硬件利用率 | 中低（功能未完全利用） | 极高（可充分发挥GPU能力） |
| 并行处理 | 有限 | 大规模并行 (SIMT架构) |
| 内存带宽 | 需求较低 | 可能较高（大量纹理/缓冲区） |
典型场景
固定管线适用场景：
- 简单2D/UI渲染
- 老旧硬件支持
- 快速原型开发
- 教育演示基础
可编程管线适用场景：
- 现代3A游戏渲染
- 基于物理的渲染 (PBR)
- 复杂后期处理
- GPU计算 (GPUGPU)
- VR/AR实时渲染