Metal API的使用流程

metal是什么，这边我就不在解释了，作为一个iOS开发者，都应该知道metal的概念，用于处理图形和视频的应用程序接口。

metal和OpenGL ES很像，下面我们来介绍一下使用metal的一些步骤：

在使用metal时，我们尽量将metalAPI单独写在一个类里面，然后在viewController中调用。

下面我们通过绘制一个有多种颜色三角形来实现整个流程:
绘制一个三角形，我们需要创建两个结构体，一个结构体为存储顶点和视图大小，另一个结构体存储顶点位置和顶点颜色。由于在使用过程中，我们不仅需要在renderView中使用，还要在metal文件中使用；因此，我们将这两个结构体写在一个头文件中：

代码:

typedef enum VertexInputIndex
{
    //顶点
    VertexInputIndexVertices     = 0,
    //视图大小
    VertexInputIndexViewportSize = 1,
} VertexInputIndex;


//结构体: 顶点/颜色值
typedef struct
{
    // 像素空间的位置
    // 像素中心点(100,100)
    vector_float4 position;

    // RGBA颜色
    vector_float4 color;
} Vertex;

接下来我们实现Metal文件的编写，首先创建一个Metal文件，在文件中编写顶点着色器函数和片元函数：

//顶点着色器和片段着色器输入
typedef struct {
    //处理顶点信息
    float4 clipSpacePosition [[position]];
    
    float4 color;
}RasterizerData;


//顶点着色器函数
vertex RasterizerData vertesShader(uint vertexID [[vertex_id]],constant Vertex *vertics [[buffer(VertexInputIndexVertices)]],constant vector_uint2 *viewportSizePointer [[buffer(VertexInputIndexViewportSize)]]){
    
    /*
     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 = vertics[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 = vertics[vertexID].color;
    //完成! 将结构体传递到管道中下一个阶段:
    return out;
}

//Metal
//处理完顶点着色器，将加载图元装配和光栅化，再处理片元着色器


// 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]]){
    
    return in.color;
}

接下来可以创建一个继承于NSObject类的对象renderView，在.h中导入MetalKit模块，使用MTKViewDelegate代理，并创建一个初始化方法:

代码：

#import 
@import MetalKit;
NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface renderView : NSObject
//初始化一个MTKView
- (nonnull instancetype)initWithMetalKitView:(nonnull MTKView *)mtkView;
@end

在.m文件中，我们需要创建使用Metal的一些属性

id_device;   //我们用来渲染的设备(又名GPU)
id _pipelineState;  // 我们的渲染管道有顶点着色器和片元着色器 它们存储在.metal shader 文件中
id _commandQueue;  //命令队列,从命令缓存区获取
vector_uint2 _viewportSize; //当前视图大小,这样我们才可以在渲染通道使用这个视图

在我们创建的初始化程序中，设置各个属性：

- (nonnull instancetype)initWithMetalKitView:(nonnull MTKView *)mtkView{
    self = [super init];
    if(self){
        NSError *error = NULL;
        //1.获取GPU 设备
        _device = mtkView.device;
        //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 defaultLibrary = [_device newDefaultLibrary];
        //从库中加载顶点函数
        id vertexFunction = [defaultLibrary newFunctionWithName:@"vertesShader"];
        //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 *pipelineDescriptor = [[MTLRenderPipelineDescriptor alloc]init];
        //管道名称
        pipelineDescriptor.label = @"Simple Pipeline";
        //可编程函数,用于处理渲染过程中的各个顶点
        pipelineDescriptor.vertexFunction = vertexFunction;
        //可编程函数,用于处理渲染过程中各个片段/片元
        pipelineDescriptor.fragmentFunction = fragmentFunction;
        //一组存储颜色数据的组件
        pipelineDescriptor.colorAttachments[0].pixelFormat = mtkView.colorPixelFormat;
        //4.同步创建并返回渲染管线状态对象
        _pipelineState = [_device newRenderPipelineStateWithDescriptor:pipelineDescriptor error:&error];
        //判断是否返回了管线状态对象
        if(!_pipelineState){
            NSLog(@"创建失败");
            return nil;
        }
        //5.创建命令队列
        _commandQueue = [_device newCommandQueue];
        
    }
    return self;
}

接下来，实现MTKViewDelegate两个代理方法

//每当视图需要渲染帧时调用
- (void)drawInMTKView:(nonnull MTKView *)view {
    //1. 顶点数据/颜色数据
    static const Vertex 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 } },
    };
    //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 commandBuffer = [_commandQueue commandBuffer];
    //指定缓存区名称
    commandBuffer.label = @"MyCommand";
    //3.
    // MTLRenderPassDescriptor:一组渲染目标，用作渲染通道生成的像素的输出目标。
    MTLRenderPassDescriptor *renderPaddDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
    //判断渲染目标是否为空
    if(renderPaddDescriptor != nil){
        //4.创建渲染命令编码器,这样我们才可以渲染到something
        id renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPaddDescriptor];
        //渲染器名称
        renderEncoder.label = @"MyRenderEncoder";
        
        
        //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];
        //6.设置当前渲染管道状态对象
        [renderEncoder setRenderPipelineState:_pipelineState];
        
        //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:VertexInputIndexVertices];
        //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:VertexInputIndexViewportSize];
        //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];
        //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];
}
//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;
}

整个过程完成了，就可以运行程序，最终效果：

IMG_84921B377347-1.jpeg

在效果实现后，我们来梳理一下Metal的固定的流程，在renderView中的drawInMTKView代理方法中：

1、首先需要创建一个新的命令缓冲区对象commandBuffer
2、获取渲染描述符MTLRenderPassDescriptor
3、通过描述符创建MTLRenderCommandEncoder
4、实现Metal文件的使用和设置
5、编码器生成命令结束endEncoding
6、缓冲区完成，绘制进度表presentDrawable
7、最后将完成的命令commit推送到GPU

整个流程大致的过程就是这样。感谢观看

Metal API的使用流程

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