Metal是苹果在2018年推出用于取代在苹果端的业务的图形编程接口，通过Metal相关API直接操作GPU，能最大限度的利用GPU能力，以后会慢慢的使用Metal取代OpenGL ES，因此有必要了解学习。
主要学习：
- Metal介绍
- 常用API
- Metal渲染流程
- Metal加载图片案例
1、Metal介绍
1.1 特点
- 低CPU开销
- 用来减少或消除许多CPU端性能瓶颈
- 使用Metal的API时，可以突破CPU的低性能瓶颈
- 最佳GPU性能
- Metal能在GPU上发挥最大的性能
- 比OpenGL ES有更高的性能
- 最大限度的提高CPU/GPU的并发性
- 有效的资源管理
- Metal使用简单而强大的与资源对象的接口
- 管理这些接口可以有效的减少内存消耗和增加访问速度
1.2 图形管道
图形管道与OpenGL ES中一样
示意图：
图形管道.png
过程：
- 在CPU程序将顶点数据传递到顶点着色器
- 在顶点着色器进行图形变换
- 进行图元装配
- 光栅化
- 片元着色器进行色值处理
- 存储到帧缓存区中
1.3 苹果给的开发建议
1. 分开渲染循环(Separate Your Rendering Loop)：
- 项目中对于Metal的处理放在额外的工具类，不要与项目中其他的代码混在一起
- 在我们开发Metal程序时，将渲染循环分为自己创建的类，是非常有用的一种方式，
- 使用单独的类，我们可以更好管理初始化Metal，以及Metal视图委托
- 也就是不要把渲染代码放在ViewConroller
2. 响应视图的事件(Respond to View Events)：
需要两个代理方法：
进行重绘：
- (void)mtkView:(nonnull MTKView *)view drawableSizeWillChange:(CGSize)size;
窗口大小变化或重新布局：
- (void)drawInMTKView:(nonnull MTKView *)view;
3. 创建命令对象(Metal Command Objects)：
图示：
创建命令对象.png
- 命令缓存区是通过命令队列创建的
- 命令编码器（command encoders)将命令编码到命令缓存区中
- 提交命令缓存区并将其发送到GPU
- GPU执行命令并将结果呈现为可绘制
2、常用API
3、渲染流程
流程：
- 获取驱动的Metal设备，也就是GPU
- 通过Metal设备创建命令队列
- 通过命令队列创建命令缓存区
- 通过视图创建渲染描述符
- 通过命令缓存区和渲染描述符创建命令编码器
- 通过命令编码对象进行绘制
- 编码结束后命令缓存区接收到present指令表示将缓存区内容渲染到屏幕上
- commit将命令缓存区提交到GPU,提交之后前面写的那些命令才可以真正执行
代码实现：
//1. 获取驱动的Metal设备，也就是GPU
_device = MTLCreateSystemDefaultDevice();
//2. 通过Metal设备创建命令队列
_commandQueue = [_device newCommandQueue];
//3. 通过命令队列创建命令缓存区
id<MTLCommandBuffer> commandBuffer = [_commandQueue commandBuffer];
//4.从视图绘制中,获得渲染描述符
MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
//6.通过渲染描述符renderPassDescriptor创建MTLRenderCommandEncoder 对象
id<MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];
[renderEncoder endEncoding];
//8.添加一个最后的命令来显示清除的可绘制的屏幕
[commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];
//9.在这里完成渲染并将命令缓冲区提交给GPU
[commandBuffer commit];
说明：
- 驱动Metal的设备，也就是GPU
- 所有应用程序需要与GPU交互的第一个对象就是命令队列MTLCommandQueue
- 对于每一次渲染，均使用MTLCommandQueue 创建命令缓存区，并且传给当前可绘制对象。
- 命令缓存区需要添加命令编码器，这样当命令缓存区传给可绘制对象时，就有命令可执行了。
- 命令编码器的创建需要通过命令缓存区和渲染描述符。
注：Metal的运行只能在真机上
4、加载图片案例
案例地址： Metal实现图片加载
效果：
4.1 简单介绍
实现功能：
显示三角形
学习：
- 渲染流程
- 图元绘制流程
- 着色器的使用流程
- .metal文件的认识
4.2 ViewController文件
过程：
- 初始化MTKView
- 初始化渲染对象
代码：
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
// Set the view to use the default device
_view = (MTKView *)self.view;
_view.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();
if(!_view.device)
{
NSLog(@"Metal is not supported on this device");
return;
}
_renderer = [[CCRenderer alloc] initWithMetalKitView:_view];
if(!_renderer)
{
NSLog(@"Renderer failed initialization");
return;
}
// Initialize our renderer with the view size
[_renderer mtkView:_view drawableSizeWillChange:_view.drawableSize];
_view.delegate = _renderer;
}
4.3 着色器CCShaders.metal
顶点函数和片元函数的实现
函数的语法这里暂不说明，详情可以看
// 顶点着色器输出和片段着色器输入
//结构体
typedef struct
{
//float4表示一个四维向量
//处理空间的顶点信息
float4 clipSpacePosition [[position]];//相当于GL_Position
//颜色
float4 color;//相当于GL_FragColor
} RasterizerData;
//顶点着色函数
/*
vertexID当前处理的顶点号，第几个顶点（不是按顺序处理的）
vertices，传入数据的入口
*/
vertex RasterizerData
vertexShader(uint vertexID [[vertex_id]],
constant CCVertex *vertices [[buffer(CCVertexInputIndexVertices)]],
constant vector_uint2 *viewportSizePointer [[buffer(CCVertexInputIndexViewportSize)]])
{
/*
处理顶点数据:
1) 执行坐标系转换,将生成的顶点剪辑空间写入到返回值中.
2) 将顶点颜色值传递给返回值
*/
//定义out
RasterizerData out;
// //初始化输出剪辑空间位置
// out.clipSpacePosition = vector_float4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
//
// // 索引到我们的数组位置以获得当前顶点
// // 我们的位置是在像素维度中指定的.
// float2 pixelSpacePosition = vertices[vertexID].position.xy;
//
// //将vierportSizePointer 从verctor_uint2 转换为vector_float2 类型
// vector_float2 viewportSize = vector_float2(*viewportSizePointer);
//
// //每个顶点着色器的输出位置在剪辑空间中(也称为归一化设备坐标空间,NDC),剪辑空间中的(-1,-1)表示视口的左下角,而(1,1)表示视口的右上角.
// //计算和写入 XY值到我们的剪辑空间的位置.为了从像素空间中的位置转换到剪辑空间的位置,我们将像素坐标除以视口的大小的一半.
// out.clipSpacePosition.xy = pixelSpacePosition / (viewportSize / 2.0);
out.clipSpacePosition = vertices[vertexID].position;
//把我们输入的颜色直接赋值给输出颜色. 这个值将于构成三角形的顶点的其他颜色值插值,从而为我们片段着色器中的每个片段生成颜色值.
out.color = vertices[vertexID].color;
//完成! 将结构体传递到管道中下一个阶段:
return out;
}
//当顶点函数执行3次,三角形的每个顶点执行一次后,则执行管道中的下一个阶段.栅格化/光栅化.
// 片元函数
//[[stage_in]],片元着色函数使用的单个片元输入数据是由顶点着色函数输出.然后经过光栅化生成的.单个片元输入函数数据可以使用"[[stage_in]]"属性修饰符.
//一个顶点着色函数可以读取单个顶点的输入数据,这些输入数据存储于参数传递的缓存中,使用顶点和实例ID在这些缓存中寻址.读取到单个顶点的数据.另外,单个顶点输入数据也可以通过使用"[[stage_in]]"属性修饰符的产生传递给顶点着色函数.
//被stage_in 修饰的结构体的成员不能是如下这些.Packed vectors 紧密填充类型向量,matrices 矩阵,structs 结构体,references or pointers to type 某类型的引用或指针. arrays,vectors,matrices 标量,向量,矩阵数组.
fragment float4 fragmentShader(RasterizerData in [[stage_in]])
{
//返回输入的片元颜色
return in.color;
}
4.4 CCRenderer
4.4.1 渲染类的认识
它是一个渲染类，可以对MTKView视图进行渲染。继承自NSObject，但是需要遵守MTKViewDelegate协议。
我们专门创建一个渲染类对MTKView视图进行渲染，而不是在viewController中直接渲染，这是遵守苹果的分离渲染循环的建议。
因此在我们开发Metal 程序时,将渲染循环分为自己创建的类,是非常有用的一种方式,使用单独的类,我们可以更好管理初始化Metal,以及Metal视图委托.
在MTKViewDelegate 协议中有2个方法.
-
(void)mtkView:(nonnull MTKView *)view drawableSizeWillChange:(CGSize)size;
1.每当窗口大小变化或者重新布局(设备方向更改)时,视图就会调用此方法.
2.视图可以根据视图属性上设置View.preferredFramesPerSecond帧速率(指定时间来调用drawInMTKView方法), -
(void)drawInMTKView:(nonnull MTKView *)view;
以上的方法,每当视图需要渲染时调用。
4.4.2 初始化MTKView
过程：
- 加载着色器文件
- 创建管道
- 创建命令队列
加载着色器文件：
代码：
//2.在项目中加载所有的(.metal)着色器文件
// 从bundle中获取.metal文件
id<MTLLibrary> defaultLibrary = [_device newDefaultLibrary];
//从库中加载顶点函数
id<MTLFunction> vertexFunction = [defaultLibrary newFunctionWithName:@"vertexShader"];
//从库中加载片元函数
id<MTLFunction> fragmentFunction = [defaultLibrary newFunctionWithName:@"fragmentShader"];
创建管道：
过程：
- 先创建渲染管道描述符
- 给管道描述符添加片元顶点函数
- 设置颜色格式
- 通过管道描述符创建管道
代码：
MTLRenderPipelineDescriptor *pipelineStateDescriptor = [[MTLRenderPipelineDescriptor alloc] init];
//管道名称
pipelineStateDescriptor.label = @"Simple Pipeline";
//可编程函数,用于处理渲染过程中的各个顶点
pipelineStateDescriptor.vertexFunction = vertexFunction;
//可编程函数,用于处理渲染过程中各个片段/片元
pipelineStateDescriptor.fragmentFunction = fragmentFunction;
//一组存储颜色数据的组件********************
pipelineStateDescriptor.colorAttachments[0].pixelFormat = mtkView.colorPixelFormat;
创建命令队列
代码：
//5.创建命令队列
_commandQueue = [_device newCommandQueue];
4.3 drawableSizeWillChange代理方法
每当视图调整大小或改变方向时，会自动调用该代理
代码：
//每当视图改变方向或调整大小时调用
- (void)mtkView:(nonnull MTKView *)view drawableSizeWillChange:(CGSize)size
{
// 保存可绘制的大小，因为当我们绘制时，我们将把这些值传递给顶点着色器
_viewportSize.x = size.width;
_viewportSize.y = size.height;
}
4.4 drawInMTKView渲染代理方法
每当视图需要渲染时系统会自动调用drawInMTKView方法
渲染过程与第三节的渲染流程一样在，只是渲染内容增加了图元绘制。
过程：
1、创建命令缓存区
2、创建命令编码器（通过命令描述符）并设置
3、命令编码器设置相应管道
4、传递参数
5、图元绘制
6、提交命令
渲染流程：
从创建命令缓存区开始，到添加命令到缓存区中，之后提交命令，这些上文已经详细说明过，这里只展示代码。
//1. 顶点数据/颜色数据
static const CCVertex triangleVertices[] =
{
//顶点, RGBA 颜色值
{ { 0.5, -0.25, 0.0, 1.0 }, { 1, 0, 0, 1 } },
{ { -0.5, -0.25, 0.0, 1.0 }, { 0, 1, 0, 1 } },
{ { -0.0f, 0.25, 0.0, 1.0 }, { 0, 0, 1, 1 } },
};
/*
1、命令缓存区
*/
//2.为当前渲染的每个渲染传递创建一个新的命令缓冲区
id<MTLCommandBuffer> commandBuffer = [_commandQueue commandBuffer];
//指定缓存区名称
commandBuffer.label = @"MyCommand";
/*
2、创建渲染编码器（通过渲染描述符）并设置
*/
// MTLRenderPassDescriptor:一组渲染目标，用作渲染通道生成的像素的输出目标。
MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
//判断渲染目标是否为空
if(renderPassDescriptor != nil)
{
//4.创建渲染命令编码器,这样我们才可以渲染到something
id<MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder =[commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];
//渲染器名称
renderEncoder.label = @"MyRenderEncoder";
/*
6、提交命令
*/
//9.表示已该编码器生成的命令都已完成,并且从NTLCommandBuffer中分离
[renderEncoder endEncoding];
//10.一旦框架缓冲区完成，使用当前可绘制的进度表
[commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];
}
//11.最后,在这里完成渲染并将命令缓冲区推送到GPU
[commandBuffer commit];
图元绘制：
将绘制内容都添加到渲染命令上
过程：
- 设置绘制区域
- 添加管道状态对象
- 传递数据
- 图元绘制
代码：
//5.设置我们绘制的可绘制区域
/*
typedef struct {
double originX, originY, width, height, znear, zfar;
} MTLViewport;
*/
//视口指定Metal渲染内容的drawable区域。 视口是具有x和y偏移，宽度和高度以及近和远平面的3D区域
//为管道分配自定义视口需要通过调用setViewport：方法将MTLViewport结构编码为渲染命令编码器。 如果未指定视口，Metal会设置一个默认视口，其大小与用于创建渲染命令编码器的drawable相同。
MTLViewport viewPort = {
0.0,0.0,_viewportSize.x,_viewportSize.y,-1.0,1.0
};
[renderEncoder setViewport:viewPort];
//[renderEncoder setViewport:(MTLViewport){0.0, 0.0, _viewportSize.x, _viewportSize.y, -1.0, 1.0 }];
/*
3、渲染编码器设置相应管道
*/
//6.设置当前渲染管道状态对象
[renderEncoder setRenderPipelineState:_pipelineState];
/*
4、传递数据（注意参数索引）
*/
//7.从应用程序OC 代码 中发送数据给Metal 顶点着色器 函数
//顶点数据+颜色数据
// 1) 指向要传递给着色器的内存的指针
// 2) 我们想要传递的数据的内存大小
// 3)一个整数索引，它对应于我们的“vertexShader”函数中的缓冲区属性限定符的索引。
[renderEncoder setVertexBytes:triangleVertices
length:sizeof(triangleVertices)
atIndex:CCVertexInputIndexVertices];
//viewPortSize 数据
//1) 发送到顶点着色函数中,视图大小
//2) 视图大小内存空间大小
//3) 对应的索引
[renderEncoder setVertexBytes:&_viewportSize
length:sizeof(_viewportSize)
atIndex:CCVertexInputIndexViewportSize];
/*
5、绘制顶点
*/
//8.画出三角形的3个顶点
// @method drawPrimitives:vertexStart:vertexCount:
//@brief 在不使用索引列表的情况下,绘制图元
//@param 绘制图形组装的基元类型
//@param 从哪个位置数据开始绘制,一般为0
//@param 每个图元的顶点个数,绘制的图型顶点数量
/*
MTLPrimitiveTypePoint = 0, 点
MTLPrimitiveTypeLine = 1, 线段
MTLPrimitiveTypeLineStrip = 2, 线环
MTLPrimitiveTypeTriangle = 3, 三角形
MTLPrimitiveTypeTriangleStrip = 4, 三角型扇
*/
[renderEncoder drawPrimitives:MTLPrimitiveTypeTriangle
vertexStart:0
vertexCount:3];
重要API：
1. 设置可绘制区域：
绘制区域使用MTLViewport来实现，
MTLViewport：
typedef struct {
double originX, originY, width, height, znear, zfar;
} MTLViewport;
[renderEncoder setViewport:viewPort];
视口指定Metal渲染内容的drawable区域。通过调用setViewport：方法将MTLViewport结构编码为渲染命令编码器。实现自定义视口大小。
2. 绑定管道
[renderEncoder setRenderPipelineState:_pipelineState];
通过绑定管道，就可以获取管道中的着色器了。以此来对片元函数、顶点函数进行交互，添加命令。
3、传递数据到片元函数/顶点函数
- (void)setVertexBytes:(const void * )bytes length:(NSUInteger)length atIndex:(NSUInteger)index;
参数1：指向要传递给着色器的内存的指针
参数2：我们想要传递的数据的内存大小
参数3：一个整数索引，它对应于我们的“vertexShader”函数中的缓冲区属性限定符的索引。
4、图元绘制
- (void)drawPrimitives:(MTLPrimitiveType)primitiveType vertexStart:(NSUInteger)vertexStart vertexCount:(NSUInteger)vertexCount;
参数1：绘制图形组装的基元类型
参数2：从哪个位置数据开始绘制,一般为0
参数3：每个图元的顶点个数,绘制的图型顶点数量
只是调用的方法不一样，所需参数和OpenGL ES一样。
网友评论