iOS开发——Metal教程

Metal Swift教程

 

 

 

学习使用苹果GPU加速3D绘图的新API:Metal！

 

在iOS 8里，苹果发布了一个新的接口叫做Metal，它是一个支持GPU加速3D绘图的API。

 

Metal和OpenGL ES相似，它也是一个底层API，负责和3D绘图硬件交互。它们之间的不同在于，Metal不是跨平台的。与之相反的，它设计的在苹果硬件上运行得极其高效，与OpenGL ES相比，它提供了更快的速度和更低的开销。

 

在这篇教程里，你将会获得亲身的经历，使用Metal和Swift来创建一个有基本脉络的应用：画一个简单的三角形。在这个过程中，你将会学习一些Metal里最重要的类，比如devices、command queues，等等。

 

这篇教程是设计为任何人可以阅读明白，无论你是否学习过3D绘图。但是，我们会过得很快。如果你之前有过3D编程或者是OpenGL编程的经历，你会发现它非常简单，因为里面的很多概念你已经很熟悉了。

 

这篇教程假设你已经熟悉Swift了。如果你还是个Swift新手，先学习这些教程吧，苹果Swift站点、一些Swift教程。

 

注意：Metal应用不能跑在iOS模拟器上，它们需要一个设备，设备上装载着苹果A7芯片或者更新的芯片。所以要学习这篇教程，你需要一台这样的设备(iPhone 5S,iPad Air,iPad mini2)来完成代码的测试。

 

Metal vs. Sprite Kit, Scene Kit, or Unity

在我们开始之前，我想要讨论怎样比较Metal和一些没那么底层的框架，比如：Sprite Kit，Scene Kit或者Unity。

 

Metal是一个底层3D绘图API，和OpenGL类似，但是它的开销更低。它是一个GPU上一个简单的封装，所以能够完成几乎所有事情，像 在屏幕上渲染一个精灵（sprite）或者是一个3D模型。但你要编写完成这些事情的所有代码。这样麻烦的代价是，你拥有了GPU的力量和控制。

 

没那么底层的游戏框架，像Sprite Kit、Scene Kit或者Unity都是在底层3D绘图API（像是Metal或是OpenGL ES）的基础上构建的。它们提供大部分你需要在游戏中编写的底层封装代码，比如在屏幕上渲染一个精灵(sprite)或者一个3D模型。

如果你所想要做的就是制作一个游戏，大多数情况下我会推荐你使用一个没那么底层的库，像Sprite Kit、Scene Kit或者Unity，因为它会让你的工作更轻松。如果你喜欢这样，我们有很多教程来帮助你学习这些框架。

 

但是，还是有两个很好的原因来学习Metal： 

1.使硬件达到运行效率的峰值：因为Metal非常底层，它允许你使硬件达到运行效率的峰值，对你的游戏如何运行有着完全的控制。

2.这是一个很好的学习经历：学习Metal教导你很多关于3D绘图编程的概念，编写你自己的游戏引擎，以及高层(higher level)游戏框架如何运作。

 

如果以上任何一点对你来说是个好的理由，继续读下去！

 

Metal vs OpenGL ES

下面让我们来对比一下Metal和OpenGL ES的不同之处。

 

OpenGL ES被设计成跨平台的。那意味着你可以用C++OpenGL ES的代码，在大部分情况下只要作少许改动就能让它在另一个平台上运行，比如Android。

 

苹果意识到尽管OpenGL ES对跨平台的支持很赞，但是它缺少了一些苹果设计产品的基本理念：苹果把操作系统、硬件、软件整合在了一起。

 

所以苹果认真考虑了如果他们设计一套特定基于他们硬件的绘图API，会是怎样呢？它的目标是极速运行、低开销以及支持最新最好的特性。

 

于是Metal诞生了。它对比OpenGL ES，能为你的应用单位时间内提高最高10倍的绘图调用次数。这能够产生超赞的特效，就像 WWDC 2014 keynote上zen花园样例。

 

让我们开始看看一些Metal代码吧！

 

开头

Xcode的iOS游戏模板有一个Metal选项，但是你不要在这里选择。这是因为我想要向你一步步展示如何编写一个Metal应用，所以你能够理解这过程中的每一步骤。

 

打开Xcode 6通过iOS\Application\Single View Application template创建一个新的项目。使用HelloMetal作为项目名称，设置开发语言为Swift，设置设备为通用设备(Universal)。点击 Next，选择一个目录，点击Create。

 

有七个步骤来设置metal：

1.创建一个MTLDevice

2.创建一个CAMetalLayer

3.创建一个Vertex Buffer

4.创建一个Vertex Shader

5.创建一个Fragment Shader

6.创建一个Render Pipeline

7.创建一个Command Queue

 

让我们一个个看它们。

 

1)创建一个MTLDevice 

使用Metal你要做的第一件事就是获取一个MTLDevice的引用。

 

你可以把一个MTLDevice想象成是你和CPU的直接连接。你将通过使用MTLDevice创建所有其他你需要的Metal对象（像是command queues，buffers，textures）。

 

为了完成这点，打开ViewController.swift 并添加下面的import语句到文件最上方：

import Metal

 

这导入了Metal框架，所以你能够使用Metal的类（像这文件中的MTLDevice）。接着，在ViewController类中添加以下属性：

var device: MTLDevice! = nil

 

你将要在viewDidLoad函数内初始化这个属性，而不是在一个init函数里，所以它不得不是一个optional。既然你知道你一定会 在使用它前初始化它，你为了方便，把它标记为一个隐式不包裹的optional。最后，添加这一行到viewDidLoad函数的最后。

device = MTLCreateSystemDefaultDevice()

这个函数返回一个默认MTLDevice引用，你的代码将会用到它。

 

2）创建一个CAMetalLayer

在iOS里，你在屏幕上看见的所有东西，被一个CALayer所承载。存在不同特效的CALayer的子类，比如：渐变层(gradient layers)、形状层（shape layers）、重复层(replicator layers) 等等。

 

好的，如果你想要用Metal在屏幕上画一些东西，你需要使用一个特别的CALayer子类，CAMetalLayer。所以在你的viewcontroller中添加一个。

 

首先在这个文件的上方添加import语句。

import QuartzCore

你需要它因为CAMetalLayer是QuartzCore框架的部分，而不是Metal框架里的。

 

然后把新属性添加到类中：

var metalLayer: CAMetalLayer! = nil

这将会存储你新layer的引用。

 

最后，把这行代码添加到viewDidLoad方法最后。

metalLayer = CAMetalLayer()          // 1
metalLayer.device = device           // 2
metalLayer.pixelFormat = .BGRA8Unorm // 3
metalLayer.framebufferOnly = true    // 4
metalLayer.frame = view.layer.frame  // 5
view.layer.addSublayer(metalLayer)   // 6

让我们一行行来看：

 

a.你创建了一个CAMetalLayer

b.你必须明确layer使用的MTLDevice，你简单地设置你早前获取的device。

c.你把像素格式（pixel format）设置为BGRA8Unorm，它代表”8字节代表蓝色、绿色、红色和透明度，通过在0到1之间单位化的值来表示”。这次两种用在CAMetalLayer的像素格式之一，一般情况下你这样写就可以了。

d.苹果鼓励你设置framebufferOnly为true，来增强表现效率。除非你需要对从layer生成的纹理（textures）取 样，或者你需要在layer绘图纹理(drawable textures)激活一些计算内核，否则你不需要设置。（大部分情况下你不用设置）

e.你把layer的frame设置为view的frame。

f.你把layer作为view.layer下的子layer添加。

 

3）创建一个Vertex Buffer

在Metal里每一个东西都是三角形。在这个应用里，你只需要画一个三角形，不过即使是极其复杂的3D形状也能被解构为一系列的三角形。

 

在Metal里，默认的坐标系是向量坐标系，这意味着默认的时候，一个2x2x1的立方体，中心点是(0,0,0.5)。

 

如果你认为z=0是平面，那么(-1,-1,0)就是左下角，(0,0,0)就是中心，(1,1,0)是右上角。在这篇教程中，你想要在这些点上画三角形：

 

让我们创建一个缓冲区。在你的类中添加下列的常量属性：

let vertexData:[Float] = [
  0.0, 1.0, 0.0,
  -1.0, -1.0, 0.0,
  1.0, -1.0, 0.0]

这在CPU创建一个浮点数数组——你需要通过把它移动到一个叫MTLBuffer的东西，来发送这些数据到GPU。

 

添加另一个新的属性：

var vertexBuffer: MTLBuffer! = nil

然后在 viewDidLoad 方法的最后添加以下代码：

let dataSize = vertexData.count * sizeofValue(vertexData[0]) // 1
vertexBuffer = device.newBufferWithBytes(vertexData, length: dataSize, options: nil) // 2

让我们一行行来看：

a.你需要获取vertex data的字节大小。你通过把第一个元素的大小和数组元素个数相乘来得到。

b.你在MTLDevice上调用newBufferWithBytes(length:options:) ，在GPU创建一个新的buffer，从CPU里输送data。你传递nil来接受默认的选项。

 

4）创建一个Vertex Shader

你之前创建的顶点将成为你接下来写的一个叫vertext shader的小程序的输入。

 

一个vertex shader 是一个在GPU上运行的小程序，它由像c++的一门语言编写，那门语言叫做 Metal Shading Language。

 

一个vertex shader被每个顶点调用，它的工作是接受顶点的信息（如：位置和颜色、纹理坐标），返回一个潜在的修正位置（可能还有别的相关信息）。

 

为了把事情保持简单，你的vertex shader将会返回一个和传递位置相同的位置。

最简单的了解 vertex shader 的方法是，自己体验。点击File\New\File，选择iOS\Source\Metal File，然后点击Next。输入Shader.metal作为文件名上按回车，然后点击Create。

 

注意：在Metal里，你能够在一个Metal文件里包含多个shaders。你也能把你的shader 分散在多个Metal文件中。Metal会从任意Metal文件中加载你项目包含的shaders。

在Shaders.metal底部添加下列代码：

vertex float4 basic_vertex(                           // 1
  const device packed_float3* vertex_array [[ buffer(0) ]], // 2
  unsigned int vid [[ vertex_id ]]) {                 // 3
  return float4(vertex_array[vid], 1.0);              // 4
}

让我们一行行来看：

a.所有的vertex shaders必须以关键字vertex开头。函数必须至少返回顶点的最终位置——你通过指定float4（一个元素为4个浮点数的向量）。然后你给一个名字给vetex shader，以后你将用这个名字来访问这个vertex shader。

b.第一个参数是一个指向一个元素为packed_float3(一个向量包含3个浮点数)的数组的指针，如：每个顶点的位置。这个 [[ ... ]] 语法被用在声明那些能被用作特定额外信息的属性，像是资源位置，shader输入，内建变量。这里你把这个参数用 [[ buffer(0) ]] 标记，来指明这个参数将会被在你代码中你发送到你的vertex shader的第一块buffer data所遍历。

c.vertex shader会接受一个名叫vertex_id的属性的特定参数，它意味着它会被vertex数组里特定的顶点所装入。

d.现在你基于vertex id来检索vertex数组中对应位置的vertex并把它返回。同时你把这个向量转换为一个float4类型，最后的value设置为1.0（简单的来说，这是3D数学要求的）。

 

5）创建一个Fragment Shader

完成我们的vertex shader后，另一个shader，它被每个在屏幕上的fragment(think pixel)调用，它就是fragment shader。

 

fragment shader通过内插(interpolating)vertex shader的输出还获得自己的输入。比如：思考在三角形两个底顶点之间的fragment：

 

fragment的输入值将会由50%的左下角顶点和50%的右下角顶点组成。

 

fragment shader的工作是给每个fragment返回最后的颜色。为了简便，你将会把每个fragment返回白色。

 

在Shader.metal的底部添加下列代码：

fragment half4 basic_fragment() { // 1
  return half4(1.0);              // 2
}

让我们一行行来看：

a. 所有fragment shaders必须以fragment关键字开始。这个函数必须至少返回fragment的最终颜色——你通过指定half4（一个颜色的RGBA值）来 完成这个任务。注意，half4比float4在内存上更有效率，因为，你写入了更少的GPU内存。

b. 这里你返回(1,1,1,1)的颜色，也就是白色。

 

6）创建一个Render Pipeline

现在你已经创建了一个vertex shader和一个fragment shader，你需要组合它们（加上一些配置数据）到一个特殊的对象，它名叫render pipeline。Metal一个很酷的地方是，渲染器（shaders）是预编译的，render pipeline 配置会在你第一次设置它的时候被编译，所以所有事情都极其高效。

 

首先在ViewController.swift里添加一个属性：

var pipelineState: MTLRenderPipelineState! = nil

这会对你即将要创建的render pipeline ，在它被编译后进行跟踪。

 

接着，在 viewDidLoad 方法最后添加如下代码：

// 1
let defaultLibrary = device.newDefaultLibrary()
let fragmentProgram = defaultLibrary.newFunctionWithName("basic_fragment")
let vertexProgram = defaultLibrary.newFunctionWithName("basic_vertex")

// 2
let pipelineStateDescriptor = MTLRenderPipelineDescriptor()
pipelineStateDescriptor.vertexFunction = vertexProgram
pipelineStateDescriptor.fragmentFunction = fragmentProgram
pipelineStateDescriptor.colorAttachments[0].pixelFormat = .BGRA8Unorm

// 3
var pipelineError : NSError?
pipelineState = device.newRenderPipelineStateWithDescriptor(pipelineStateDescriptor, error: &pipelineError)
if !pipelineState {
  println("Failed to create pipeline state, error \(pipelineError)")
}

让我们分部分看这些代码：

a.你可以通过调用device.newDefaultLibrary方法获得的MTLibrary对象访问到你项目中的预编译shaders。然后你能够通过名字检索每个shader。

b.你在这里设置你的render pipeline。它包含你想要使用的shaders、颜色附件（color attachment）的像素格式(pixel format)。（例如：你渲染到的输入缓冲区，也就是CAMetalLayer）。

c.最后，你把这个pipeline 配置编译到一个pipeline 状态(state)中，让它使用起来有效率。

 

7）创建一个Command Queue

你需要做的最终的一次性设置步骤，是创建一个MTLCommandQueue。

 

把这个想象成是一个列表装载着你告诉GPU一次要执行的命令。

 

要创建一个command queue，简单地添加一个属性：

var commandQueue: MTLCommandQueue! = nil

 

把下面这行添加到 viewDidLoad 的最后：

commandQueue = device.newCommandQueue()

恭喜，你的预设置的代码完成了。

 

渲染三角形

现在，是时候学习每帧执行的代码，来渲染这个三角形！

 

它将在五个步骤中被完成：

1.创建一个Display link。

2.创建一个Render Pass Descriptor

3.创建一个Command Buffer

4.创建一个Render Command Encoder

5.提交你Command Buffer的内容。

 

让我们深入来看！

 

注意：理论上这个应用实际上不需要每帧渲染，因为三角形被绘制之后不会动。但是，大部分应用会有物体的移动，所以我们会那样做。同时也为将来的教程打下基础。

 

1）创建一个Display Link

你想要一个函数，在每次设备屏幕刷新的时候被调用，这样你就可以重绘屏幕。

 

在iOS平台上，你通过CADisplayLink 类来实现。

 

为了使用它，在类里添加一个新的属性：

var timer: CADisplayLink! = nil

然后在 viewDidLoad 方法的末尾像这样初始化它：

timer = CADisplayLink(target: self, selector: Selector("gameloop"))
timer.addToRunLoop(NSRunLoop.mainRunLoop(), forMode: NSDefaultRunLoopMode)

这会设置你的代码，让它每次刷新屏幕的时候调用一个名叫gameloop的方法。

func render() {
  // TODO
}

func gameloop() {
  autoreleasepool {
    self.render()
  }
}

这里 gameloop 函数简单地调用 render 函数，这时 render 函数只有一个空实现。让我们来实现它！

 

2）创建一个Render Pass Descriptor

下一步是创建一个MTLRenderPassDescriptor，它能配置什么纹理会被渲染到、什么是clear color，以及其他的配置。

 

简单地在 render 函数里添加以下行：

var drawable = metalLayer.nextDrawable()

let renderPassDescriptor = MTLRenderPassDescriptor()
renderPassDescriptor.colorAttachments[0].texture = drawable.texture
renderPassDescriptor.colorAttachments[0].loadAction = .Clear
renderPassDescriptor.colorAttachments[0].clearColor = MTLClearColor(red: 0.0, green: 104.0/255.0, blue: 5.0/255.0, alpha: 1.0)

首先你在之前的metal layer上调用nextDrawable() ，它会返回你需要绘制到屏幕上的纹理(texture)。接下来，你配置你的render pass descriptor 来使用它。你设置load action为clear，也就是说在绘制之前，把纹理清空。然后你把绘制的背景颜色设置为绿色。

 

3）创建一个Command Buffer

下一步是创建一个command buffer。你可以把它想象为一系列这一帧想要执行的渲染命令。酷的是在你提交command buffer之前，没有事情会真正发生，这样给你对事物在何时发生有一个很好的控制。创建一个command buffer很简单，只要在render函数末尾加上这行代码：

let commandBuffer = commandQueue.commandBuffer()

一个command buffer包含一个或多个渲染指令（render commands）。让我们下面创建一个。

 

4）创建一个渲染命令编码器(Render Command Encoder)

为了创建一个渲染命令（render command），你使用一个名叫render command encoder的对象。在render函数的最后添加以下代码：

let renderEncoder = commandBuffer.renderCommandEncoderWithDescriptor(renderPassDescriptor)
renderEncoder.setRenderPipelineState(pipelineState)
renderEncoder.setVertexBuffer(vertexBuffer, offset: 0, atIndex: 0)
renderEncoder.drawPrimitives(.Triangle, vertexStart: 0, vertexCount: 3, instanceCount: 1)
renderEncoder.endEncoding()

这里你创建一个command encoder，并指定你之前创建的pipeline和顶点。最重要的部分是，调用drawPrimitives(vertexStart:vertexCount:instanceCount:)。

 

这里你你告诉GPU，让它基于vertex buffer画一系列的三角形。每个三角形由三个顶点组成，从vertex buffer 下标为0的顶点开始，总共有一个三角形。

 

当你完成后，你只要调用 endEncoding()。

 

5）提交你的Command Buffer

最后一步是提交command buffer。在render函数最后添加这些代码：

commandBuffer.presentDrawable(drawable)
commandBuffer.commit()

第一行需要保证新纹理会在绘制完成后立即出现。然后你把事务(transaction)提交，把任务交给GPU。过去我们敲了不少代码，不过现在终于结束了。编译并运行这个应用：

我见过最赞的三角形！

 

注意：如果你的应用崩溃了，请确定你在一台拥有A7芯片真机（iPhone 5S,iPad Air,iPad mini2 ,非模拟器）运行。

最后

这是我们教程 最终的项目 。

 

恭喜你，你学到了很多关于Metal API的知识！你现在对Metal的一些重要的概念有了了解，比如：shaders、devices、command buffers，pipeline等等。

 

我可能会写更多这系列的教程，覆盖uniforms，3D，纹理，光照，以及导入模型。如果你感到有兴趣、并想看到更多教程的话，请留下你的评论。同时，确定查看苹果一些很好的资源：

 

苹果 Metal开发者文档，有很多文档、录像、样例代码的链接。

苹果的 Metal编程指导

苹果的 Metal Shading Language 指导

WWDC2014 Metal录像