Metal -- 初识Metal

Metal

     在 WWDC 2014 上，Apple为游戏开发者推出了新的平台技术 Metal，该技术能够为 3D 图像提高 10 倍的渲染性能，并支持大家熟悉的游戏引擎及公司。
     Metal 是一种低层次的渲染应用程序编程接口，提供了软件所需的最低层，保证软件可以运行在不同的图形芯片上。Metal 提升了 A7 与 A8 处理器效能，让其性能完全发挥。

Metal命令对象之间的关系

• 命令缓存区(command buffer) 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存区中
• 提交命令缓存区并将其发送到GPU
• GPU执⾏命令并将结果呈现为可绘制

Comman对象关系.png

MetalKit

我们今天用MetalKit来编写一个小Demo，MetalKit类似于GLKit，是对Metal的一个封装，方便我们快速、简单地使用Metal。Demo是这样的，我们在屏幕上定时修改屏幕的颜色，是屏幕呈现颜色的变化。
具体效果图如下：

Metail.gif

首先我们创建一个LeoRenderer

在我们开发Metal 程序时,将渲染循环分为自己创建的类,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.

LeoRenderer.h代码如下:

//
//  LeoRender.h
//  OpenGL_ES_Test
//
//  Created by leosun on 2020/8/20.
//  Copyright © 2020 leosun. All rights reserved.
//

/*
 分开渲染循环:
    在我们开发Metal 程序时,将渲染循环分为自己创建的类,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.
 
 在MTKViewDelegate 协议中有2个方法.
 - (void)mtkView:(nonnull MTKView *)view drawableSizeWillChange:(CGSize)size;
 
    1.每当窗口大小变化或者重新布局(设备方向更改)时,视图就会调用此方法.
    2.视图可以根据视图属性上设置View.preferredFramesPerSecond帧速率(指定时间来调用drawInMTKView方法),
 
- (void)drawInMTKView:(nonnull MTKView *)view;
    以上的方法,每当视图需要渲染时调用
 */
#import <Foundation/Foundation.h>
@import MetalKit;
NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN
//LeoRenderer需要遵循MTKViewDelegate
@interface LeoRenderer : NSObject<MTKViewDelegate>
//初始化方法
-(id)initWithMetalKitView:(MTKView *)view;
@end
NS_ASSUME_NONNULL_END

LeoRenderer.m代码如下:

• 定义变量

@implementation LeoRenderer{
    //设备
    id<MTLDevice> _deveice;
    //命令缓存区(command buffer) 是从命令队列(command queue) 创建的
    id<MTLCommandQueue> _commandQueue;
}
//存放颜色
typedef struct{
    float red,green,blue,alpha;
} Color;

• 初始化LeoRenderer

-(id)initWithMetalKitView:(MTKView *)view{
    self = [super init];
    if (self) {
         //将MTKView的device赋值给我们
        _deveice = view.device;

        //所有应用程序需要与GPU交互的第一个对象是一个对象。MTLCommandQueue.
        //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.
        _commandQueue = [_deveice newCommandQueue];
    }
    return self;
}

• 修改颜色的方法

-(Color)makeFancyColor{
    //1. 增加颜色/减小颜色的 标记
    static BOOL       growing = YES;
    //2.颜色通道值(0~3)
    static NSUInteger primaryChannel = 0;
    //3.颜色通道数组colorChannels(颜色值)
    static float colorChannels[] = {1.0, 0.0, 0.0, 1.0};
    //4.颜色调整步长
    const float DynamicColorRate = 0.015;
    
    //5.判断
    if(growing)
    {
        //动态信道索引 (1,2,3,0)通道间切换
        NSUInteger dynamicChannelIndex = (primaryChannel+1)%3;
        //修改对应通道的颜色值 调整0.015
        colorChannels[dynamicChannelIndex] += DynamicColorRate;
        
        //当颜色通道对应的颜色值 = 1.0
        if(colorChannels[dynamicChannelIndex] >= 1.0)
        {
            //设置为NO
            growing = NO;
            
            //将颜色通道修改为动态颜色通道
            primaryChannel = dynamicChannelIndex;
        }
    }
    else
    {
        //获取动态颜色通道
        NSUInteger dynamicChannelIndex = (primaryChannel+2)%3;
        
        //将当前颜色的值 减去0.015
        colorChannels[dynamicChannelIndex] -= DynamicColorRate;
        
        //当颜色值小于等于0.0
        if(colorChannels[dynamicChannelIndex] <= 0.0)
        {
            //又调整为颜色增加
            growing = YES;
        }
    }
    
    //创建颜色
    Color color;
    color.red = colorChannels[0];
    color.green = colorChannels[1];
    color.blue = colorChannels[2];
    color.alpha = colorChannels[3];
    
    //返回颜色
    return color;
}

• 执行代理方法
  把颜色值赋值给屏幕，类似于OpenGL中的glClearColor

    //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);

创建MTLCommandBuffer

    //3. Create a new command buffer for each render pass to the current drawable
    //使用MTLCommandQueue 创建对象并且加入到MTCommandBuffer对象中去.
    //为当前渲染的每个渲染传递创建一个新的命令缓冲区
    id <MTLCommandBuffer> commandBuffer = [_commandQueue commandBuffer];
    commandBuffer.label = @"MyCommandBuffer";

创建MTLRenderCommandEncoder

    //4.从视图绘制中,获得渲染描述符
    MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
    //5.判断renderPassDescriptor 渲染描述符是否创建成功,否则则跳过任何渲染.
    if (renderPassDescriptor != nil) {
        //6.通过渲染描述符renderPassDescriptor创建MTLRenderCommandEncoder 对象
        id <MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];
        renderEncoder.label = @"MyRenderEncoder";
        
        //7.我们可以使用MTLRenderCommandEncoder 来绘制对象,但是这个demo我们仅仅创建编码器就可以了,我们并没有让Metal去执行我们绘制的东西,这个时候表示我们的任务已经完成.
        //即可结束MTLRenderCommandEncoder 工作
        [renderEncoder endEncoding];  
     }

当编码器结束之后,命令缓存区就会接受到2个命令.

• 添加一个最后的命令来显示清除的可绘制的屏幕

        //显示到屏幕上
        [commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];

• 完成渲染并将命令缓冲区提交给GPU

         //完成渲染并将命令缓冲区提交给GPU
        [commandBuffer commit]; 

• 完整代码如下

//
//  LeoRender.m
//  OpenGL_ES_Test
//
//  Created by leosun on 2020/8/20.
//  Copyright © 2020 leosun. All rights reserved.
//

#import "LeoRenderer.h"

@implementation LeoRenderer{
    id<MTLDevice> _deveice;
    id<MTLCommandQueue> _commandQueue;
}

typedef struct{
    float red,green,blue,alpha;
} Color;

-(id)initWithMetalKitView:(MTKView *)view{
    self = [super init];
    if (self) {
        _deveice = view.device;

        //所有应用程序需要与GPU交互的第一个对象是一个对象。MTLCommandQueue.
        //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.
        _commandQueue = [_deveice newCommandQueue];
    }
    return self;
}

-(Color)makeFancyColor{
    //1. 增加颜色/减小颜色的 标记
    static BOOL       growing = YES;
    //2.颜色通道值(0~3)
    static NSUInteger primaryChannel = 0;
    //3.颜色通道数组colorChannels(颜色值)
    static float colorChannels[] = {1.0, 0.0, 0.0, 1.0};
    //4.颜色调整步长
    const float DynamicColorRate = 0.015;
    
    //5.判断
    if(growing)
    {
        //动态信道索引 (1,2,3,0)通道间切换
        NSUInteger dynamicChannelIndex = (primaryChannel+1)%3;
        //修改对应通道的颜色值 调整0.015
        colorChannels[dynamicChannelIndex] += DynamicColorRate;
        
        //当颜色通道对应的颜色值 = 1.0
        if(colorChannels[dynamicChannelIndex] >= 1.0)
        {
            //设置为NO
            growing = NO;
            
            //将颜色通道修改为动态颜色通道
            primaryChannel = dynamicChannelIndex;
        }
    }
    else
    {
        //获取动态颜色通道
        NSUInteger dynamicChannelIndex = (primaryChannel+2)%3;
        
        //将当前颜色的值 减去0.015
        colorChannels[dynamicChannelIndex] -= DynamicColorRate;
        
        //当颜色值小于等于0.0
        if(colorChannels[dynamicChannelIndex] <= 0.0)
        {
            //又调整为颜色增加
            growing = YES;
        }
    }
    
    //创建颜色
    Color color;
    color.red = colorChannels[0];
    color.green = colorChannels[1];
    color.blue = colorChannels[2];
    color.alpha = colorChannels[3];
    
    //返回颜色
    return color;
}

#pragma -mark MTKViewDelegate
- (void)drawInMTKView:(nonnull MTKView *)view {
    //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);
    
    //3. Create a new command buffer for each render pass to the current drawable
    //使用MTLCommandQueue 创建对象并且加入到MTCommandBuffer对象中去.
    //为当前渲染的每个渲染传递创建一个新的命令缓冲区
    id <MTLCommandBuffer> commandBuffer = [_commandQueue commandBuffer];
    commandBuffer.label = @"MyCommandBuffer";
 
    //4.从视图绘制中,获得渲染描述符
    MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
    
    //5.判断renderPassDescriptor 渲染描述符是否创建成功,否则则跳过任何渲染.
    if (renderPassDescriptor != nil) {
        //6.通过渲染描述符renderPassDescriptor创建MTLRenderCommandEncoder 对象
        id <MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];
        renderEncoder.label = @"MyRenderEncoder";
        
        //7.我们可以使用MTLRenderCommandEncoder 来绘制对象,但是这个demo我们仅仅创建编码器就可以了,我们并没有让Metal去执行我们绘制的东西,这个时候表示我们的任务已经完成.
        //即可结束MTLRenderCommandEncoder 工作
        [renderEncoder endEncoding];
        
        /*
         当编码器结束之后,命令缓存区就会接受到2个命令.
         1) present
         2) commit
         因为GPU是不会直接绘制到屏幕上,因此你不给出去指令.是不会有任何内容渲染到屏幕上.
        */
        //8.添加一个最后的命令来显示清除的可绘制的屏幕
        [commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];
    }
    
    //9.在这里完成渲染并将命令缓冲区提交给GPU
    [commandBuffer commit];    
}

- (void)mtkView:(nonnull MTKView *)view drawableSizeWillChange:(CGSize)size {

}
@end

在ViewController中调用LeoRenderer

• 首先在Main.storyboard将view设置为MTKView
  MTKView.png
• 定义MTKView和LeoRenderer

@interface ViewController (){
    MTKView *_view;
    LeoRenderer *_render;
}

• 设置view

    //1. 获取_view
    _view = (MTKView *)self.view;
    
    //2.为_view 设置MTLDevice(必须)
    //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();
    
    //3.判断是否设置成功
    if (!_view.device) {
        NSLog(@"Metal is not supported on this device");
        return;
    }

• 设置LeoRenderer

//4. 创建LeoRenderer
    //分开你的渲染循环:
    //在我们开发Metal 程序时,将渲染循环分为自己创建的类,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 = [[LeoRenderer alloc] initWithMetalKitView:_view];

    //5.判断_render 是否创建成功
    if (!_render) {
        NSLog(@"Renderer failed initialization");
        return;
    }
    
    //6.设置MTKView 的代理(由CCRender来实现MTKView 的代理方法)
    _view.delegate = _render;
    
    //7.视图可以根据视图属性上设置帧速率(指定时间来调用drawInMTKView方法--视图需要渲染时调用)
    _view.preferredFramesPerSecond = 60;

• preferredFramesPerSecond指的是刷新率，即多少秒调用一次代理方法

it might choose 30, 20, 15 or some other factor to be the actual frame rate

• 最后执行

由于一个MTLDevice 对象就代表这着一个GPU，而模拟器是调用的CPU,所以运行Metal代码尽量在真机上运行。