边沁主义渲染管线：用尽量小的成本为尽量多的用户提供尽量好的视觉效果。
概况
渲染管线是游戏引擎中生成图像效果的子系统，而图像效果的表现力是决定游戏体验的重要因素。因此渲染管线可能是游戏引擎最重要的子系统。渲染管线相当复杂，在设计中需要做出不同的取舍。Unreal引擎的渲染管线采用最新的技术，适配最新的硬件，最求最真实的图像效果。Unity引擎的渲染管线像一个大杂烩，包含了过去十多年遗留下来的几套完全不同的方案。
Godot渲染管线的设计基于非常独特的考虑，可以总结为：用尽量小的成本为尽量多的用户提供尽量好的视觉效果。首先Godot作为依靠贡献者的开源项目，开发者时间有限，没有能力维持几套平行的管线。其次Godot需要适配大多数用户，很多任然在使用手机、笔记本、浏览器等图形性能很弱的平台。因此Godot的渲染管线设计的首要目标是用一套管线适配各种平台，然后才是在条件允许时尽量提高画质。
Godot的渲染管线分为2D和3D两部分。理论上2D渲染是3D渲染的子集，可以用3D管线实现2D游戏，例如Unity的做法。但是2D渲染作为单独的管线有独特的优势。首先在实现像素风2D游戏时更容易做到像素对齐（Pixel Perfect）；其次单独的2D管线可以方便GUI的渲染；然后2D管线可以针对2D图像元素进行特殊的优化实现更高性能；最后对纯2D游戏可以剔除3D管线，缩小程序体积，方便浏览器部署。
总体架构
渲染管线是一个三层结构，分为RenderingServer、RenderingDevice、RenderingDeviceDriver。上层抽象，下层具体，上层依赖下层实现。
Server层
渲染管线的总入口是RenderingServer，上面的API分别提供了2D和3D渲染管线的功能。这个层次的API提供了高层次图像元素抽象，不用考虑具体的图形编程接口和硬件实现。
其中2D管线最重要的概念是Canvas和CanvasItem。Canvas可以想象成平面空白画布，CanvasItem是画布上的贴花。2D管线允许多个Canvas存在，构成“图层”效果，每个Canvas可以有不同的Transform决定相对位置和Z-order决定重叠顺序。每个Canvas上的CanvasItem组织成树状结构，树中的父子关系决定了相对变换和重叠顺序。
3D管线最重要的概念是Scene和GeometryInstance。Scene可以想象为空白的世界，GeometryInstance是世界中的物体。3D管线也允许多个Scene，但不同的Scene可以看作互不关联的平行世界。GeometryInstance同样组成树状结构，父子关系也决定相对变换。
2D管线和3D管线的结合点是Framebuffer，两者的渲染结果都要写入某个Framebuffer。然后用Compositor组合不同的Framebuffer形成最终画面。
Device层和Driver层
RenderingDevice的API面向现代硬件，最常见的概念是Buffer、Shader、Pipeline等。RenderingDevice和RenderingDeviceDriver为不同的硬件和图形编程接口提供统一的抽象。其中RenderingDevice与具体的图形编程接口无关，提供共性的功能，比如参数合理性检查。RenderingDeviceDriver直接与图形编程接口相关，提供最小化的统一API，当前已经有了Vulkan和DX12的实现。Metal实现在开发中，未来有计划开发OpenGL和WebGPU的实现。
本质上Device层和Driver层的功能和WebGPU类似，都是提供硬件无关的图形编程接口。Godot开发者不直接使用WebGPU的原因是认为WebGPU针对浏览器设计，为了网络安全牺牲了太多的性能和功能，不适合游戏开发场景。
Server层逻辑
Server层提供硬件无关的高层渲染逻辑，可以总结成三个部分：Storage、Instance和Culling、Shading。Storage中存储的共享数据块，典型的数据块类型有Mesh、Texture、Material、Sekleton、Particle Setting、Camera Setting、Environment Setting等。Instance代表独一无二的实例，例如2D管线中的CanvasItem，3D管线中的GeometryInstance。多个实例可以直接、间接共享一个数据块。游戏中的典型场景是某个实例一般会引用一个Mesh，而Mesh又会引用Materia、Skeleton；Material又会引用Texture、Shader。
每个实例会占据空间中的一定范围，用坐标轴对齐方块（简称AABB）表示。Culling是根据摄像机的视野快速剔除AABB不可见的实例，避免大量无效的Shading计算。Shading是将视野中的Instance实际画到FrameBuffer上的过程。2D管线渲染相对简单，基本上就是按照Z顺序渲染CanvasItem，这样Z顺序小的先画，Z顺序大的后画。这样Z顺序大的CanvasItem覆盖Z顺序小的CanvasItem，实现正确的图层遮盖效果。
局部光照模型
3D渲染比较复杂，有不同类型的方法适合不同情况。最粗略的分类是Forward Shading和Deffered Shading。其中Forward Shading依次完成各个实例的渲染，通过Z Buffer实现正确的遮挡，缺点是实例中被遮挡的部分也做了昂贵的光照计算，浪费算力。Deffered Shading是将渲染拆成两个Pass，第一个Pass只考虑遮挡，不进行光照计算，而是将光照计算需要的材质数据写入G Buffer；第二个Pass根据G Buffer中的数据进行光照计算。这样的好处是只对可见像素进行昂贵的光照计算，避免算力浪费；缺点则是G Buffer需要占用更大的现存和带宽，不适合手机和较旧的硬件。
Godot虽然传统上为了照顾弱鸡硬件只支持Foward Shading，但进行了两种特殊优化。一种称为Forward+，实质是对光源和实例进行了Clustering，省略了计算遥远光源对某个实例的影响，一定程度上节省了算力。另外一种称为Mobile Foward，实质是将Framebuffer划分成Tile，依次渲染每个Tile，这种方式节省GPU-CPU带宽，适合手机。添加Deffered Shading的计划已经提上了日程。
全局光照模型
上节中的光照计算只正对光源对物体的直射，称为局部关照模型。要实现真实的图像效果还需要考虑物体之间光线的相互反射，称为全局光照模型。传统上Godot支持三种全局光照技术：Lightmap、Voxel Probe、SDFGI。其中Lightmap是将全局光照预烘培到贴图上，优点是对硬件要求低，缺点是不支持运动物体的光照。Voxel Probe也是预烘培，但保存的结果是空间中的光场，支持运动物体光照但不支持光源运动。
SDFGI是一种全动态的全局光照方法，支持运动物体、运动光源、甚至是镜面反射。基本思路是将Mesh场景动态转化为低分辨率的又向距离函数（简称SDF）表示，然后在SDF上进行光锥跟踪计算（Cone Tracing）。SDF的的场景表示有一些缺陷，4.3版本的Godot准备替换为一种基于层次化体素（简称HDD）的表示方法，新的全局光照系统代号HDDGI。
总结
本文对Godot的渲染架构进行了粗略的计算。当前Godot的渲染架构由其是3D管线部分处于一个快速开发期，马上会合并的重要功能还有新的Compositor架构，定制化的渲染管线、基于有向无环图（DAG）的渲染资源依赖管理等等。