Metal 案例04:加载图片

本案例的目的在于理解如何加载TGA图片,以及加载PNG/JPG图片

加载TGA图片

加载TGA图片的效果如图所示

整体案例流程图如下所示

准备工作

在加载图片之前,需要作以下准备工作:

  • UI视图控制器类
  • OC与OC的.h桥接文件
  • CJLImage类
  • 创建metal文件
  • 创建自定义render渲染循环类

UI视图控制器类

在viewDidLoad函数中创建MTKView对象、自定义render对象,并设置view的代理为render,其流程与Metal 案例02:绘制三角形中是一致的,不再过多说明

OC与C的桥接文件

创建metal文件与OC通用的索引枚举(包括顶点数据索引、纹理索引) 和 顶点数据的结构体

typedef enum CJLVertexInputIndex
{
//    顶点
    CJLVertexInputIndexVertices = 0,

//    视图大小
    CJLVertexInputIndexViewportSize = 1,

}CJLVertexInputIndex;

//纹理索引:用于往片元着色器传递纹理数据的索引
typedef enum CJLTextureIndex
{
    CJLTextureIndexBaseColor = 0

}CJLTextureIndex;

//顶点数据结构体:顶点/颜色值
typedef struct
{
//    像素空间的位置
//    像素中心点(100,100)
//    顶点坐标
    vector_float2 position;

//    2D 纹理
//    纹理坐标
    vector_float2 textureCoordinate;

}CJLVertex;

CJLImage类

该类是将TGA转换为位图的工具类。由于平常的开发中很少去加载TGA文件,一般都是PNG/JPG文件,所以TGA文件转换成位图,其本质是将TGA文件的数据复制到BGRA图像数据指针指向的内存中,有兴趣的可以在文末的完整代码中去深入研究。

创建metal文件

主要是1个结构体+两个函数,结构体中包含顶点坐标 和纹理坐标,作为定点着色器的输出以及片元着色器的输入

//返回值结构体:顶点着色器输出和片元着色器输入(相当于OpenGL ES中的varying修饰的变量,即桥接)
typedef struct
{
//    顶点坐标
    float4 clipSpacePosition [[position]];

//    纹理坐标
    float2 textureCoordinate;

}RasterizerData;

下面说说两个着色函数的执行流程

  • 顶点着色函数
    主要是将顶点坐标归一化处理,并将处理后的顶点坐标和纹理坐标输出,经过metal的图元装配和光栅化处理,将顶点数据传入片元着色器,其流程图如下

vertex RasterizerData
vertexShader(uint vertexID [[vertex_id]],
             constant CJLVertex *vertexArray [[buffer(CJLVertexInputIndexVertices)]],
             constant vector_uint2 *viewportSizePointer [[buffer(CJLVertexInputIndexViewportSize)]])
{
        /*
        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
        */

//    1、定义out
    RasterizerData out;

//    2、初始化输出剪辑空间位置,将w改为2.0,实际运行结果比1.0小一倍
    out.clipSpacePosition = vector_float4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

//    3、获取当前顶点坐标的xy,因为是2D图形
    // 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 = vertexArray[vertexID].position.xy;

    //将vierportSizePointer 从verctor_uint2 转换为vector_float2 类型
    vector_float2 viewportSize = vector_float2(*viewportSizePointer);

//    4、顶点坐标归一化处理
    //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.
    //可以使用一行代码同时分割两个通道。执行除法,然后将结果放入输出位置的x和y通道中
    out.clipSpacePosition.xy = pixelSpacePosition / (viewportSize / 2.0);

    out.clipSpacePosition.z = 0.0f;
    out.clipSpacePosition.w = 1.0f;

    //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.
//    纹理坐标桥接
    out.textureCoordinate = vertexArray[vertexID].textureCoordinate;

    //完成! 将结构体传递到管道中下一个阶段:
    return out;

}
  • 片元着色函数
    主要是通过采样器获取纹素,相当于GLSL中内建函数texture2D,在metal中是通过纹理的sample函数获取,主要流程图如下

fragment float4 fragmentShader(RasterizerData in [[stage_in]],
                               texture2d colorTexture [[texture(CJLTextureIndexBaseColor)]])
{

//    当texture2d没有写access时,默认是sampler,
//    设置采样器:过滤方式
    constexpr sampler textureSampler(mag_filter::linear, min_filter::linear);

//    读取纹素(即纹理对应像素点的颜色值),相当于GLSL中的内建函数texture2D
//      half4取决于 texture2d中的half ,由于颜色是RGBA,所以是half4
//    GLSL中属性的设置都是通过状态机,
//    而metal中属性的设置是一个对象的思维,都是纹理采样的属性设置
    const half4 colorSampler = colorTexture.sample(textureSampler, in.textureCoordinate);

//    进行灰度/...

//    将half4 类型转换为 float4类型,如果不想这么麻烦,也可以将texture2d中的half改为float,这样颜色的类型就是float4了
    return float4(colorSampler);

}

创建自定义render渲染循环类

苹果建议将渲染循环单独写成一个类,处理metal的渲染及委托事件,其中TGA文件的加载也是在render中处理的,它会将处理好的顶点数据及纹理图片传入着色器,着色器处理完成后会绘制并显示到屏幕上

下面着重说明render中TGA文件的加载

渲染循环类

从整体的流程图中得知,render类中的函数主要分为两大类

  • initWithMetalKitView函数:初始化
  • MTKViewDelegate代理方法:处理view的委托事件

initWithMetalKitView函数

该函数的流程图如下

主要分为以下四步:

  • 初始化GPU设备:通过传入的view获取获取GPU的使用权限
  • setupVertex函数:设置顶点相关操作
  • setupPipeLine函数:设置渲染管道相关操作
  • setupTexture函数:加载TGA文件

setupVertex函数
主要是出初始化顶点数据,包括顶点坐标和纹理坐标,当顶点坐标的范围不是-1~1时,是位于物体坐标系,需要在metal文件的顶点着色器中作归一化处理,并且将顶点数据存储到MTLBuffer对象中,GPU函数流程如下

对应的代码如下

//设置顶点相关操作
- (void) setupVertex{

//    1、根据顶点/纹理坐标建立一个MTLBuffer
    static const CJLVertex quadVertices[] = {
//       不是-1~1的都是物体坐标系
        //像素坐标,纹理坐标
        { {  250,  -250 },  { 1.f, 0.f } },
        { { -250,  -250 },  { 0.f, 0.f } },
        { { -250,   250 },  { 0.f, 1.f } },

        { {  250,  -250 },  { 1.f, 0.f } },
        { { -250,   250 },  { 0.f, 1.f } },
        { {  250,   250 },  { 1.f, 1.f } },
    };

//    2、创建我们的顶点缓冲区,并用我们的Qualsits数组初始化它
    _vertexBuffer = [_device newBufferWithBytes:quadVertices length:sizeof(quadVertices) options:MTLResourceStorageModeShared];

//    3、通过将字节长度除以每个顶点的大小来计算顶点的数目
    _numVertices = sizeof(quadVertices) / sizeof(CJLVertex);

}

setupPipeLine函数
主要是渲染管道相关的初始化工作,对应的流程图如下

渲染管道的初始化分为以下几部分

  • 加载metal文件
  • 配置渲染管道
  • 创建渲染管线对象
  • 设置commandQueue命令对象

这几个步骤在之前的案例中均有所说明,这里只是将相关的操作提取出来单独封装成一个方法,不再详细说明,代码如下

//设置渲染管道相关操作
- (void)setupPipeLine{

//    1、创建渲染管道
    //从项目中加载.metal文件,创建一个library
    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"];

//    2、配置用于创建渲染管道状态的管道
    MTLRenderPipelineDescriptor *renderPipelineDescriptor = [[MTLRenderPipelineDescriptor alloc] init];
    //管道名称
    renderPipelineDescriptor.label = @"Texturing Pipeline";
    //可编程函数,用于处理渲染过程中的各个顶点
    renderPipelineDescriptor.vertexFunction = vertexFunction;
    //可编程函数,用于处理渲染过程总的各个片段/片元
    renderPipelineDescriptor.fragmentFunction = fragmentFunction;
    //设置管道中存储颜色数据的组件格式
    renderPipelineDescriptor.colorAttachments[0].pixelFormat = cjlMTKView.colorPixelFormat;

//    3、创建并返回渲染管线对象 & 判断是否创建成功
    NSError *error;
    _pipelineState = [_device newRenderPipelineStateWithDescriptor:renderPipelineDescriptor error:&error];
    if (!_pipelineState) {
       NSLog(@"Failed to created pipeline state, error %@", error);
    }

//    4、使用device创建commandQueue
    _commandQueue = [_device newCommandQueue];
}

setupTexture函数
这个方案才是本案例的重点,其功能是加载TGA图片,流程如下

TGA图片的加载分为以下几步

  • 获取TGA文件
    主要是TGA文件通过转换为CJLImage对象,即纹理图片转换为位图
//    1、获取TGA文件路径 --- TGA文件解压
    NSURL *imageFileLocation = [[NSBundle mainBundle] URLForResource:@"circle" withExtension:@"tga"];
    //将tag文件->CJLImage对象
    CJLImage *image = [[CJLImage alloc] initWithTGAFileAtLocation:imageFileLocation];
    //判断图片是否转换成功
    if (!image) {
        NSLog(@"Failed to create the image from:%@",imageFileLocation.absoluteString);
        return;
    }

  • 创建纹理描述对象 & 纹理对象
    纹理对象通过创建的纹理描述对象以及解压的位图生成,其中需要设置纹理描述对象的相关属性
//    2、创建纹理描述对象 & 设置属性 --- CJLImage --> 纹理(即位图变成纹理对象)
    MTLTextureDescriptor *textureDescriptor = [[MTLTextureDescriptor alloc] init];
    //表示每个像素有蓝色,绿色,红色和alpha通道.其中每个通道都是8位无符号归一化的值.(即0映射成0,255映射成1);
    //位图信息
    textureDescriptor.pixelFormat = MTLPixelFormatBGRA8Unorm;
    //设置纹理的像素尺寸,即纹理的分辨率
    textureDescriptor.width = image.width;
    textureDescriptor.height = image.height;

//    3、创建纹理对象:使用描述符从设备中创建纹理
    _texture = [_device newTextureWithDescriptor:textureDescriptor];

  • 将纹理图片复制到texture对象中
    在复制纹理图片之前,首先需要计算图像每行的字节数,以及设置纹理对应的像素区域region,region的定义如下,其中包含两个结构体对象origin和size,其中origin表示开始的顶点坐标(x,y,z),size表示尺寸(宽度、高度、深度)
typedef struct
     {
     MTLOrigin origin; //开始位置x,y,z
     MTLSize   size; //尺寸width,height,depth
     } MTLRegion;

然后通过replaceRegion: mipmapLevel: withBytes: bytesPerRow:函数将图片复制到纹理对象中

//计算图像每行的字节数
    NSUInteger bytesPerRow = 4 * image.width;

//    4、创建MTLRegion结构体
    /*
     typedef struct
     {
     MTLOrigin origin; //开始位置x,y,z
     MTLSize   size; //尺寸width,height,depth
     } MTLRegion;
     */
    //MLRegion结构用于标识纹理的特定区域。 demo使用图像数据填充整个纹理;因此,覆盖整个纹理的像素区域等于纹理的尺寸。
    MTLRegion region = {
        {0,0,0},
        {image.width, image.height, 1},
    };

//    5、复制图片数据到texture
    /*
     将图片复制到纹理0中(即用纹理替换region表示的区域)
     - (void)replaceRegion:(MTLRegion)region mipmapLevel:(NSUInteger)level withBytes:(const void *)pixelBytes bytesPerRow:(NSUInteger)bytesPerRow;
     参数1-region:像素区域在纹理中的位置
     参数2-level:从零开始的值,指定哪个mipmap级别是目标。如果纹理没有mipmap,请使用0。
     参数3-pixelBytes:指向要复制图片的字节数
     参数4-bytesPerRow:对于普通或压缩像素格式,源数据行之间的跨度(以字节为单位)。对于压缩像素格式,跨度是从一排块的开头到下一行的开始的字节数。
     */
   [_texture replaceRegion:region mipmapLevel:0 withBytes:image.data.bytes bytesPerRow:bytesPerRow];****

MTKViewDelegate代理方法

delegate的代理方法有两种,这里主要是说明绘制drawInMTKView代理方法,其流程图如下

流程图中除了传递数据以外,其他的步骤与Metal 案例03:大批量顶点数据的图形渲染案例中是一模一样的,这里不做介绍,着重说明下传递数据这部分

向着色器中传递的数据有三种
1)顶点数据:包含顶点坐标和纹理坐标,由于顶点数据是存储在缓存区中的,所以需要通过setVertexBuffer函数传递到顶点着色函数中
2)视图大小数据:需要通过setVertexBytes函数传递到顶点着色器中
3)纹理图片:将纹理对象加载到GPU中,需要通过setFragmentTexture函数传递到片元着色函数,通过采样器读物纹素,加载TGA图片

传递数据对应的代码如下

/*
 需要传递的数据有以下三种:
 1)顶点数据、纹理坐标,
 2)viewportSize视图大小
 3)纹理图片
 */
//将数据加载到MTLBuffer (即metal文件中的顶点着色函数)--> 顶点函数
[commandEncoder setVertexBuffer:_vertexBuffer offset:0 atIndex:CJLVertexInputIndexVertices];
//将数据加载到GPU(即metal文件中的顶点着色函数) --> 视图大小
[commandEncoder setVertexBytes:&_viewportSize length:sizeof(_viewportSize) atIndex:CJLVertexInputIndexViewportSize];

//将纹理对象传递到片元着色器(即metal中的片元着色函数) -- 纹理图片
[commandEncoder setFragmentTexture:_texture atIndex:CJLTextureIndexBaseColor];

加载PNG/JPG图片

加载PNG/JPG图片的效果如图所示

整体案例流程图如下所示

与加载TGA图片相比,在原代码基础上,需要将setupTexture函数修改为setupTexturePNG函数,下面着重说明下setupTexturePNG函数

setupTexturePNG函数
该函数的功能是加载PNG/JPG图片,其加载的流程如图所示

除了获取图片以及loadImage函数,其他步骤与加载TGA图片时,步骤是一致的,而loadImage函数也不是新的新的内容,在OpenGL ES的案例OpenGL ES 案例04:GLSL加载图片中的setupTexture函数中就已经讲解过是如何将PNG/JPG图片加载成位图的,主要是通过CGContextRef对象将图片进行重绘,解压成位图数据的,图片解压为位图的流程如图所示

//加载纹理TGA文件
- (void)setupTexturePNG{

//    1、获取图片
    UIImage *image = [UIImage imageNamed:@"mouse.jpg"];

//    2、创建纹理描述符
    MTLTextureDescriptor *textureDescriptor = [[MTLTextureDescriptor alloc] init];
    //表示每个像素有蓝色,绿色,红色和alpha通道.其中每个通道都是8位无符号归一化的值.(即0映射成0,255映射成1);
    textureDescriptor.pixelFormat = MTLPixelFormatRGBA8Unorm;
    //设置纹理的像素尺寸
    textureDescriptor.width = image.size.width;
    textureDescriptor.height = image.size.height;

//    3、使用纹理描述符创建纹理
    _texture = [_device newTextureWithDescriptor:textureDescriptor];

//    4、创建MTLRegion对象
     //MLRegion结构用于标识纹理的特定区域。 demo使用图像数据填充整个纹理;因此,覆盖整个纹理的像素区域等于纹理的尺寸。
    /*
    typedef struct
    {
    MTLOrigin origin; //开始位置x,y,z
    MTLSize   size; //尺寸width,height,depth (即宽、高、深度)
    } MTLRegion;
    */
    MTLRegion region = {
        {0, 0, 0},
        {image.size.width, image.size.height, 1},
    };

//    5、获取纹理图片:通过context重绘获取纹理图片
    Byte *imageBytes = [self loadImage:image];

//    6、UIImage的数据需要转成二进制才能上传,且不用jpg、png的NSData
    if (imageBytes) {
        //将纹理图片复制到texture
        [_texture replaceRegion:region mipmapLevel:0 withBytes:imageBytes bytesPerRow:4 * image.size.width];
        //释放
        free(imageBytes);
        imageBytes = NULL;
    }
}

//从UIImage 中读取Byte 数据返回 -- png/jpg 都是通过context重绘 解压成位图
- (Byte *)loadImage:(UIImage *)image{
//    1、将UIImage转换为CGImageRef
    CGImageRef spriteImage = image.CGImage;

//    2、读取图片的大小
    size_t width = CGImageGetWidth(spriteImage);
    size_t height = CGImageGetHeight(spriteImage);

//    3、计算图片字节数
    Byte *spriteData = (Byte *)calloc(width * height * 4, sizeof(Byte));

//    4、创建context
    CGContextRef spriteContext = CGBitmapContextCreate(spriteData, width, height, 8, width*4, CGImageGetColorSpace(spriteImage), kCGImageAlphaPremultipliedLast);

//    5、在context上绘图
    CGContextDrawImage(spriteContext, CGRectMake(0, 0, width, height), spriteImage);

//    6、图片翻转过来
    CGRect rect = CGRectMake(0, 0, width, height);
    CGContextTranslateCTM(spriteContext, 0, rect.size.height);
    CGContextScaleCTM(spriteContext, 1.0, -1.0);
    CGContextDrawImage(spriteContext, rect, spriteImage);

//    7、释放context
    CGContextRelease(spriteContext);

    return spriteData;;

}

总结

根据TGA图片加载以及PNG/JPG图片加载过程的分析,我们可以简单的将图片加载的过程分为以下几步

  • 1、将纹理图片解压成位图
  • 2、创建MTLTextureDescriptor对象,即纹理描述对象,并设置pixelFormat像素信息、width以及height尺寸信息
  • 3、使用纹理描述对象创建MTLTexture对象,即纹理对象
  • 4、创建MTLRegion对象,用于标识纹理的像素区域
  • 5、通过texture的replaceRegion:mipmapLevel:withBytes:bytesPerRow:函数将纹理图片解压的位图数据复制到纹理对象中
  • 6、绘制回调函数drawInMTKView中,通过MTLrenderCommandEncoder对象的setFragmentTexture:atIndex:函数,将纹理传递到片元着色函数

完整的代码见Github :

  • 20_1_Metal_加载TGA图片_OC
  • 20_2_Metal_加载PNG图片_OC

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