0021--OpenGL Metal初探

什么是metal?

Metal 是一个和OpenGL ES 类似的面向底层的图形编程接口,通过使用相关的API 可以直接操作 GPU

注意:Metal只针对苹果的平台系统使用,不像OpenGL ES那样可以进行跨平台使用但是它能最大的挖掘苹果移动设备的 GPU 能力,进行复杂的运算,像 Unity 等游戏引擎都通过 Metal3D 能力进行了优化。

  • Metal在苹果中的架构图
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UIKit -> Core Graphics -> Metal/OpenGL ES -> GPU Driver -> GPU

  • Metal的特点
  1. GPU 支持的 3D 渲染
  2. CPU 并行处理数据 (深度学习)
  3. 提供低功耗接口
  4. CPU 共享资源内存
  • Metal绘制流水线
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器件和命令

通常使用两个框架来显示呈现的内容:MetalMetalKit
Metal提供对GPU的访问,MetalKit提供了常用的实用程序,可以更轻松地开发Metal应用程序。 它们与OS和其他框架无缝集成,因此您可以专注于GPU编程.

MetalKit最有用的功能之一是MTKView类,它包装UIViewNSView对象并配置特定于MetalCore Animation功能。 特别是,MetalKit视图自动设置和管理连续渲染循环,为每个帧提供2D可显示资源,通常称为可绘制资源。

注意:您可以直接使用Core Animation开发Metal应用程序,但使用MetalKit更容易,更快捷,更方便

  • Separate Your Rendering Loop - 分离渲染循环

在我们开发Metal程序时,将渲染循环分离到自己创建的类中,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.


 _render =[[Renderer alloc]initWithMetalKitView:_view];
    
    //5.判断_render 是否创建成功
    if (!_render) {
        NSLog(@"Renderer failed initialization");
        return;
    }
  • Respond to View Events - 响应视图事件

MTKViewDelegate的代理对象实现mtkView:drawableSizeWillChange:drawInMTKView方法。 这些方法通知渲染器MetalKit视图的大小调整和绘图事件

每当窗口大小发生变化(macOS)或发生重新布局操作(例如设备方向更改)时,视图都会调用mtkView:drawableSizeWillChange:方法(iOS和tvOS)。 然后,您可以根据需要响应视图的新大小并更改渲染分辨率。

每当需要渲染新帧时,视图都会调用drawInMTKView:方法,这是由视图的preferredFramesPerSecond属性上设置的帧速率(例如,60 FPS)指定的。 此回调通常是开始执行渲染循环的主要事件。

  • Metal Command Objects - Metal命令对象

MTLDevice对象表示GPU。 通常,您调用MTLCreateSystemDefaultDevice()方法以获取表示设备的默认GPU的单个MTLDevice对象。 MTLDevice对象提供有关GPU的信息,但其主要目的是创建可与GPU交互的其他对象。

所有应用程序需要与GPU交互的第一个对象是MTLCommandQueue对象。

 _commandQueue = [_device newCommandQueue];

你使用MTLCommandQueue 去创建对象,并且加入MTLCommandBuffer 对象中.确保它们能够按照正确顺序发送到GPU.对于每一帧,一个新的MTLCommandBuffer 对象创建并且填满了由GPU执行的命令.

id commandBuffer = [_commandQueue commandBuffer];

有许多不同类型的GPU,每个GPU都以自己独特的方式接受和解释命令。 MTLCommandBuffer对象将这些命令合并为单个提交,但必须首先使用MTLCommandEncoder对象以与设备无关的方式对它们进行编码。有几种不同类型的MTLCommandEncoder类,每种类用于在GPU上执行不同类型的任务。此示例演示了如何使用MTLRenderCommandEncoder子类,该子类专门将渲染命令编码到命令缓冲区中。

此示例使用MTLRenderCommandEncoder对象对GPU命令进行编码,这些命令将像素渲染到MetalKit视图的drawable。为此,渲染命令编码器必须与此drawable特别关联。

要创建MTLRenderCommandEncoder对象,必须首先创建MTLRenderPassDescriptor对象。 MTLRenderPassDescriptor是一个轻量级临时对象,具有许多可配置属性,现有MTLCommandBuffer对象使用这些属性来创建新的MTLRenderCommandEncoder对象。之后,不再需要MTLRenderPassDescriptor对象。

下图说明了Metal的命令对象之间的关系。总结一下:

  • 命令缓冲区(Command buffers)是从命令队列(command queue)创建的
  • 命令编码器(Command encoders)将命令编码到命令缓冲区中
  • 然后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的
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  • Prepare a Frame - 准备一帧

MetalKit视图为每个帧创建一个新的MTLRenderPassDescriptor对象,通过currentRenderPassDescriptor属性提供。 此渲染过程描述符预先配置了特定于视图的属性,一些属性派生自视图的drawable,可用于轻松方便地创建新的MTLRenderCommandEncoder对象。

 MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
    

    if(renderPassDescriptor != nil)
    {
     
        id renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];
        renderEncoder.label = @"MyRenderEncoder";

        [renderEncoder endEncoding];
        
     
        [commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];
    }

编码到此MTLRenderCommandEncoder对象中的命令呈现给视图的drawable。 默认情况下,创建MTLRenderCommandEncoder对象会隐式编码GPU在任何其他渲染命令之前执行的清除clear命令。 clear命令将drawable的像素设置为在渲染循环开始时为clear color

//1. 获取颜色值
    Color color = [self makeFancyColor];
    //2. 设置view的clearColor
    view.clearColor = MTLClearColorMake(color.red, color.green, color.blue, color.alpha);

Finalize a Frame - 完成一帧

通常,Metal应用程序调用许多MTLRenderCommandEncoder方法,这些方法将显式渲染命令编码到命令缓冲区中。 为简单起见,此示例实际上不编码显式渲染命令,只有隐式清除命令被编码。 创建MTLRenderCommandEncoder对象后,该示例只调用endEncoding方法以指示编码器已完成。

编码器完成后,命令缓冲区(command buffer)接受两个最终命令:presentcommit

由于GPU不直接绘制到屏幕上,因此在完成执行命令之前无法绘制像素。 为避免因不完整的drawable导致的糟糕用户体验,请调用presentDrawable:方法。 此方法告诉Metal在屏幕上显示之前等待GPU完成渲染到drawable.

[commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];

GPU也不会立即执行命令。 只有在调用commit方法后才会执行对MTLRenderCommandEncoderMTLCommandBuffer对象的调用。 然后,Metal会调度命令缓冲区(command buffer)以供执行。 GPU开始执行时,将使用新颜色清除drawableGPU完成执行后,渲染的drawable将显示在屏幕上。

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