Metal之旅

基本介绍

Metal是什么

大量的并行任务(heavy parallel)更适合放在GPU，而不是CPU。

• 在WWDC2014被引入

• 低阶（底层）访问GPU的接口。适合图形渲染、大量的并行计算

为何学习Metal

• metal 不是游戏引擎(Unity)，unity 和 cocos2d 是基于Open GL 的。

• 如何选择？ 2D用SpriteKit；3D用SceneKit、Unity、Unreal Engine

• 那拿Metal干啥呢？ 理解图形底层运作；用Metal的着色器函数做一些自定义操作；GPU编程

内容

• GPU & Pipeline GPU和管线

• Triangles 三角形

• Shader Functions 着色器函数(明暗处理)

• Textures 纹理

• Transforms, Matrices 形变和矩阵变换

• Model I/O 模型(图像)输入输出

• Lighting 亮度

GPU对比CPU

• 苹果A9芯片开始，苹果SOC系统芯片整合了双核CPU、多核GPU、运动协处理器

• CPU有少量强悍的处理器；GPU有多个不那么强悍的处理器。意味着CPU擅长在少数几个线程上做一件事，而GPU擅长同时做很多的小任务。例如要给一个数组中的每个数+1，CPU的套路是遍历挨个加1，而GPU是同时给数组中每个数同时执行加1操作。

Metal绘制概要

metal_绘制概要.jpeg

Metal Pipeline 管线

严格来说，管线就是一组GPU要执行的操作序列，告诉GPU使用哪个顶点函数(vertex functions)和片段函数(fragment functions)。

设置 → 顶点处理 → 简单组装 → rasterize栅格化(算出属于三角形的片段，屏幕上的每个像素使用这些片段数据来决定自己的颜色) → 片段处理(每个片段被传递到我们写的着色函数) → 呈现

• MTLRenderPipelineState 持有渲染器需要的着色器函数

• MTLRenderPipelineDescriptor 设置指令编码器(command encoder)以及其他metal对象，它就像是一个模板，对目标对象进行描述。如描述一个机器人：蓝色的脑袋、红色的鼻子。

创建PipelineState是个耗时的操作，所以初始化的时候就创建好。

Metal 中的三角形

metal只处理点、线、三角形。三角形是可绘制的最少顶点的面(图形)。

metal_顶点.png

Metal中的索引矩阵和常量

Raybreak项目

2个三角形拼接而成的矩形，会有重复顶点，如果数据量大了，这将涉及到很多重复性工作。可以减少传递给GPU的顶点数据，然后使用索引矩阵。

通过传入常量，给这个矩形添加sine动画。

着色器

Raybreak项目

• 着色函数(shader functions)在GPU中运行。着色器这个术语来源于OpenGL pipeline shaders，来控制着色明暗处理，如今不仅用来着色，还控制描述GPU程序

• 三类着色函数：

  • 顶点函数(vertex)，描述顶点数据，如Raybreak项目中的sine动画

  • 片段函数(fragment)，描述片段/像素的颜色

  • 内核函数(kernel)，用于大量数据操作，并行操作

• MTLVertexDescriptor用来配置渲染初期顶点数据的映射传送

• 先定义一个VertexDescriptor来描述顶点数据结构，然后发送顶点数据（含颜色信息）给片段函数

纹理

Raybreak项目

加载纹理，更新纹理坐标：

• Vertex Array

• Vertex Descriptor

• Vertex function

• Fragement function

纹理处理要点：

• MTLSamplerDescriptor。告诉GPU如何使用纹理，就像构建pipelineState一样。

• 过滤模式：linear 或 nearest。当改变图像size时，其他像素如何填充。前者是平滑过渡，后者是就近重复。

• 贴图质量（质量越差越模糊）。

---

参考资料：

Programming Metal in iOS