Metal入门

Metal简述

Metal是2018年苹果推出的用于取代在苹果端的业务的图形编程接口，在2018年之前使用的是基于OpenGL ES 封装的GLKit，通过Metal相关API直接操作GPU，能最大限度的利用GPU能力。因此使用Metal必须使用iPhone6s及以上机型且必须是真机（模拟器不支持GPU，模拟器使用的是CPU来模拟GPU）。

特点

• CPU低消耗性
• 更高效的GPU性能，Metal能更好的发挥GPU的性能
• 提高CPU与GPU的并发性
• 有效的资源管理

如下图介绍

图形管道

Metal的图形管道通OpenGL大体相同，如图所示

• CPU将顶点数据传到顶点着色器
• 顶点着色器将处理好的顶点进行图元装配
• 进行光栅化处理
• 将光栅化的数据传给片元着色器处理
• 渲染到屏幕显示

Metal 命令与对象之间的关系

• 命令缓存区(command buffer)：从命令队列（Command Queue)中创建

• 命令编码(Command encoder)：将命令编码到命令缓冲区中

• 提交命令缓冲区并将其发送到GPU

• GPU执行命令并将结果呈现为可绘制

Metal 部分API简介

MTKView

在Metal中操作的是GPU，因此必须达到GPU对象才可以操作。Metal提供了MTLDevice协议接口来操作GPU，创建MTLDevice，如下

view.device = ;MTLCreateSystemDefaultDevice();

其中view是MTKView类型

MTLCommandQueue

命令队列，与GPU交互的第一个对象，其保存了将要渲染的命令对象

MTLCommandBuffer

命令缓冲区，用来存储命令

MTLRenderCommandEncoder

表示单个渲染过程中相关联的渲染状态和渲染命令，有以下功能

• 指定图形资源：例如缓存区和纹理对象，其中包含顶点、片元、纹理图片数据

• 指定一个MTLRenderPipelineState对象，表示编译的渲染状态，包含顶点着色器和片元着色器的编译&链接情况

• 指定固定功能，包括视口、三角形填充模式、剪刀矩形、深度、模板测试以及其他值

• 绘制3D图元

Apple 建议

• Separate Your Rendering Loop：分开渲染循环，苹果希望渲染放在一个单独的类中处理

• Respond to View Events：即MTKDelegate，响应视图事件也要放在单独的类中处理 

• Metal Command Objects：创建一个命令对象，即创建执行命令的GPU、与GPU交互的MTLCommandQueue对象以及MTCommandBuffer渲染缓存区

案例分析

颜色渲染案例

• 创建MTKView

   self.mtkView = (MTKView *)self.view;
  

• 设置device

   self.mtkView.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();
  

• 设置metal代理

  self.renderView = [[SFxRender alloc] initWithMetalView:self.mtkView];
      if (!self.renderView) {
          NSLog(@"render 失败");
          return;
      }
      self.mtkView.delegate = self.renderView;
      self.mtkView.preferredFramesPerSecond = 60;
  

渲染分类

• 根据device创建命令队列

  -(instancetype)initWithMetalView:(MTKView *)mtkView {
      self = [super init];
      if (self) {
          self.device = mtkView.device;
          self.commandQueue = [self.device newCommandQueue];
      }
      return self;
  }
  

• 使用命名队列创建命令缓冲区

  //创建命令缓冲区
      id<MTLCommandBuffer> commandBuffer = [self.commandQueue commandBuffer];
      commandBuffer.label = @"myBuffer";
  

• 获得渲染描述符

  //从视图绘制中获得渲染描述符
      MTLRenderPassDescriptor *passDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
  

• 创建命令编码器

  //创建命令编码器
          id<MTLCommandEncoder> commanderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:passDescriptor];
          commanderEncoder.label = @"myEncoder";
          //本demo只是变换颜色，所以创建命令编码器即可
          //停止编码
          [commanderEncoder endEncoding];
  

• 显示清除的可绘制屏幕

   /*
           当编码器结束之后,命令缓存区就会接受到2个命令.
           1) present
           2) commit
           因为GPU是不会直接绘制到屏幕上,因此你不给出去指令.是不会有任何内容渲染到屏幕上.
          */
          //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];
  

• 提交绘制

  //提交绘制
      [commandBuffer commit];
  

• 动态色值计算

  -(Colors)getRandomColor {
      static BOOL  growing = YES;
      //设置颜色通道的值[0, 1]
      static NSUInteger primaryChannel = 0;
      //颜色通道数组
      static float colorsChannel[] = {1.0, 0.0, 0.0, 1.0};
      //颜色变化的步长
      const float dynamicColorRate = 0.015;
      if (growing) {
          //获取动态信道索引 (0,1,2,3)之间变换
          NSUInteger dynamicChannelIndex = (primaryChannel + 1) % 3;
          //对应色值自增
          colorsChannel[dynamicChannelIndex] += dynamicColorRate;
          if (colorsChannel[dynamicChannelIndex] >= 1.0) {//最大是1.0
              growing = NO;
              //将颜色通道改为动态颜色通道
              primaryChannel = dynamicChannelIndex;
          }
      }else{
          NSUInteger dynamicChannelIndex = (primaryChannel + 2) % 3;
          colorsChannel[dynamicChannelIndex] -= dynamicColorRate;
          if (colorsChannel[dynamicChannelIndex] <= 0.0) {
              growing = YES;
          }
      }
      Colors color;
      color.red = colorsChannel[0];
      color.green = colorsChannel[1];
      color.blue = colorsChannel[2];
      color.alpha = colorsChannel[3];
      return color;
  }