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前言
setVertexBytes(_:length:index:)方法加载数据最多为4KB也就是4096字节,一个扇区大小,当时数量超过了,就要使用setVertexBuffer(_:offset:index:),并创建一个MTLBuffer对象.
官方文档解释:
image.png
案例
通过
MTLBuffer,在屏幕中渲染如下有n多正方形,每个由2个三角形组成.
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流程图
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具体实现
进行
MTKView的初始化,创建渲染循环类等.
1. viewDidLoad
//1.获取MTKView
_view = (MTKView *)self.view;
//一个MTLDevice 对象就代表这着一个GPU,通常我们可以调用方法MTLCreateSystemDefaultDevice()来获取代表默认的GPU单个对象.
_view.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();
if(!_view.device)
{
NSLog(@"Metal is not supported on this device");
return;
}
//2.创建CCRender
_renderer = [[CCRenderer alloc] initWithMetalKitView:_view];
if(!_renderer)
{
NSLog(@"Renderer failed initialization");
return;
}
//用视图大小初始化渲染器
[_renderer mtkView:_view drawableSizeWillChange:_view.drawableSize];
//设置MTKView代理
_view.delegate = _renderer;
2. Renderer
1.初始化函数
- (void)loadMetal:(nonnull MTKView *)mtkView
{
//1.设置绘制纹理的像素格式
mtkView.colorPixelFormat = MTLPixelFormatBGRA8Unorm_sRGB;
//2.从项目中加载所以的.metal着色器文件
id defaultLibrary = [_device newDefaultLibrary];
//从库中加载顶点函数
id vertexFunction = [defaultLibrary newFunctionWithName:@"vertexShader"];
//从库中加载片元函数
id fragmentFunction = [defaultLibrary newFunctionWithName:@"fragmentShader"];
//3.配置用于创建管道状态的管道
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,用于处理渲染过程总的各个片段/片元
pipelineStateDescriptor.fragmentFunction = fragmentFunction;
//设置管道中存储颜色数据的组件格式
pipelineStateDescriptor.colorAttachments[0].pixelFormat = mtkView.colorPixelFormat;
//4.同步创建并返回渲染管线对象
NSError *error = NULL;
_pipelineState = [_device newRenderPipelineStateWithDescriptor:pipelineStateDescriptor
error:&error];
//判断是否创建成功
if (!_pipelineState)
{
NSLog(@"Failed to created pipeline state, error %@", error);
}
//5.获取顶点数据
NSData *vertexData = [CCRenderer generateVertexData];
//创建一个vertex buffer,可以由GPU来读取
_vertexBuffer = [_device newBufferWithLength:vertexData.length
options:MTLResourceStorageModeShared];
//复制vertex data 到vertex buffer 通过缓存区的"content"内容属性访问指针
/*
memcpy(void *dst, const void *src, size_t n);
dst:目的地
src:源内容
n: 长度
*/
memcpy(_vertexBuffer.contents, vertexData.bytes, vertexData.length);
//计算顶点个数 = 顶点数据长度 / 单个顶点大小
_numVertices = vertexData.length / sizeof(CCVertex);
//6.创建命令队列
_commandQueue = [_device newCommandQueue];
}
colorPixelFormat这个根据自己需求来设置不同的枚举值
渲染管道修饰符
MTLRenderPipelineDescriptor包含了顶点,偏移,颜色组件等,最后经过MTLDevice处理,的到渲染管道对象
memcpy(void *dst, const void *src, size_t n);
dst:目的地
src:源内容
n: 长度
创建命令队列,这个是与GPU交互的第一个对象,后面要加入到MTLCommandBuffer中
2.generateVertexData
通过
generateVertexData函数生成大批量的顶点数据
- 初始化
MTLBuffer对象，该buffer存储的数据，可以由GPU直接读取 - 使用
buffer的原因是顶点数据的大小超过了4KB，如果再用数组存储，从CPU传递到GPU，性能开销会非常大，所以苹果官方文档建议，当有大批量顶点数据时，需要创建MTLBuffer对象来存储数据 - 将顶点数据复制到顶点缓存区，通过缓存区的
content内容属性访问指针 - 计算顶点个数
- 通过顶点数据的长度 除以 单个顶点的大小 得到顶点的总个数
+ (nonnull NSData *)generateVertexData
{
//1.正方形 = 三角形+三角形
const CCVertex quadVertices[] =
{
// Pixel 位置, RGBA 颜色
{ { -20, 20 }, { 1, 0, 0, 1 } },
{ { 20, 20 }, { 1, 0, 0, 1 } },
{ { -20, -20 }, { 1, 0, 0, 1 } },
{ { 20, -20 }, { 0, 0, 1, 1 } },
{ { -20, -20 }, { 0, 0, 1, 1 } },
{ { 20, 20 }, { 0, 0, 1, 1 } },
};
//行/列 数量
const NSUInteger NUM_COLUMNS = 25;
const NSUInteger NUM_ROWS = 15;
//顶点个数
const NSUInteger NUM_VERTICES_PER_QUAD = sizeof(quadVertices) / sizeof(CCVertex);
//四边形间距
const float QUAD_SPACING = 50.0;
//数据大小 = 单个四边形大小 * 行 * 列
NSUInteger dataSize = sizeof(quadVertices) * NUM_COLUMNS * NUM_ROWS;
//2. 开辟空间
NSMutableData *vertexData = [[NSMutableData alloc] initWithLength:dataSize];
//当前四边形
CCVertex * currentQuad = vertexData.mutableBytes;
//3.获取顶点坐标(循环计算)
//行
for(NSUInteger row = 0; row < NUM_ROWS; row++)
{
//列
for(NSUInteger column = 0; column < NUM_COLUMNS; column++)
{
//A.左上角的位置
vector_float2 upperLeftPosition;
//B.计算X,Y 位置.注意坐标系基于2D笛卡尔坐标系,中心点(0,0),所以会出现负数位置
upperLeftPosition.x = ((-((float)NUM_COLUMNS) / 2.0) + column) * QUAD_SPACING + QUAD_SPACING/2.0;
upperLeftPosition.y = ((-((float)NUM_ROWS) / 2.0) + row) * QUAD_SPACING + QUAD_SPACING/2.0;
//C.将quadVertices数据复制到currentQuad
memcpy(currentQuad, &quadVertices, sizeof(quadVertices));
//D.遍历currentQuad中的数据
for (NSUInteger vertexInQuad = 0; vertexInQuad < NUM_VERTICES_PER_QUAD; vertexInQuad++)
{
//修改vertexInQuad中的position
currentQuad[vertexInQuad].position += upperLeftPosition;
}
//E.更新索引
currentQuad += 6;
}
}
return vertexData;
}
3.drawInMTKView代理方法
主要分为以下几部分
- 创建命令缓存区 & 命名
- 创建renderPassDescriptor渲染描述 & 判断渲染描述是否为空
- 当渲染描述符不为空时，继续往下执行
- 当渲染描述符为空时，直接跳转至commit提交
- 创建commandEncoder命令编码器
- 设置视口
- 设置渲染管线状态
- 传递数据
setVertexBuffer - 绘制图形
图元装配
- 结束commandEncoder工作
- 通过presentDrawable渲染到屏幕上
- 将commandBuffer提交至GPU
以上几步，除了传递数据部分，其他都是图形渲染的必须步骤，在文章开头提及的案例中均有说明，下面着重说下传递数据部分
每当视图需要渲染帧时调用
- (void)drawInMTKView:(nonnull MTKView *)view
{
//1.为当前渲染的每个渲染传递创建一个新的命令缓冲区
id commandBuffer = [_commandQueue commandBuffer];
//指定缓存区名称
commandBuffer.label = @"MyCommand";
//2. MTLRenderPassDescriptor:一组渲染目标，用作渲染通道生成的像素的输出目标。
//currentRenderPassDescriptor 从currentDrawable's texture,view's depth, stencil, and sample buffers and clear values.
MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
//判断渲染目标是否为空
if(renderPassDescriptor != nil)
{
//创建渲染命令编码器,这样我们才可以渲染到something
id renderEncoder =
[commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];
//渲染器名称
renderEncoder.label = @"MyRenderEncoder";
//3.设置我们绘制的可绘制区域
/*
typedef struct {
double originX, originY, width, height, znear, zfar;
} MTLViewport;
*/
[renderEncoder setViewport:(MTLViewport){0.0, 0.0, _viewportSize.x, _viewportSize.y, -1.0, 1.0 }];
//4. 设置渲染管道
[renderEncoder setRenderPipelineState:_pipelineState];
//5.我们调用-[MTLRenderCommandEncoder setVertexBuffer:offset:atIndex:] 为了从我们的OC代码找发送数据预加载的MTLBuffer 到我们的Metal 顶点着色函数中
/* 这个调用有3个参数
1) buffer - 包含需要传递数据的缓冲对象
2) offset - 它们从缓冲器的开头字节偏移，指示“顶点指针”指向什么。在这种情况下，我们通过0，所以数据一开始就被传递下来.偏移量
3) index - 一个整数索引，对应于我们的“vertexShader”函数中的缓冲区属性限定符的索引。注意，此参数与 -[MTLRenderCommandEncoder setVertexBytes:length:atIndex:] “索引”参数相同。
*/
//将_vertexBuffer 设置到顶点缓存区中
[renderEncoder setVertexBuffer:_vertexBuffer
offset:0
atIndex:CCVertexInputIndexVertices];
//将 _viewportSize 设置到顶点缓存区绑定点设置数据
[renderEncoder setVertexBytes:&_viewportSize
length:sizeof(_viewportSize)
atIndex:CCVertexInputIndexViewportSize];
//6.开始绘图
// @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:_numVertices];
//7/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];
//8.一旦框架缓冲区完成，使用当前可绘制的进度表
[commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];
}
//9.最后,在这里完成渲染并将命令缓冲区推送到GPU
[commandBuffer commit];
}
我们调用
-[MTLRenderCommandEncoder setVertexBuffer:offset:atIndex:]为了从我们的OC代码找发送数据预加载的MTLBuffer到我们的Metal顶点着色函数中
这个调用有3个参数
1)buffer- 包含需要传递数据的缓冲对象
2)offset- 它们从缓冲器的开头字节偏移，指示“顶点指针”指向什么。在这种情况下，我们通过0，所以数据一开始就被传递下来.偏移量
3)index- 一个整数索引，对应于我们的“vertexShader”函数中的缓冲区属性限定符的索引。注意，此参数与-[MTLRenderCommandEncoder setVertexBytes:length:atIndex:]“索引”参数相同。
加载顶点数据两种方法
-
newBufferWithLength数据较大
-
加载
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-
设置到顶点缓冲区
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-
newBufferWithBytes通过数组
-
加载
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- 设置的缓冲区
-
方式一
image.png -
方式二
image.png
-
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3. Metal文件
.metal文件中，在顶点着色函数需要对顶点坐标进行归一化处理，因为顶点数据初始化时使用的是物体坐标。
vertexShader
- 执行坐标系转换,将生成的顶点剪辑空间写入到返回值中.
- 将顶点颜色值传递给返回值
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.
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.
当顶点函数所有顶点执行完,则执行管道中的下一个阶段.栅格化/光栅化.
fragmentShader
[[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.
// 顶点着色器输出和片段着色器输入
//结构体
typedef struct
{
//处理空间的顶点信息
float4 clipSpacePosition [[position]];
//颜色
float4 color;
} RasterizerData;
//顶点着色函数
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);
//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.
fragment float4 fragmentShader(RasterizerData in [[stage_in]])
{
//返回输入的片元颜色
return in.color;
}