Metal之基本简介及常用组件说明

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Serendipity·y 发表于 2022/02/17 01:22:42 2022/02/17
【摘要】 简介 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...

简介

  • 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,充分利用GPU的运算能力,在现阶段,AVFoundation ⼈脸识别等大量需要显示计算的时候,苹果采用了硬件加速器驱动GPU工作,在音视频方面,⾳频编码/解码/视频编码/解码 ->压缩任务 ->都与硬件加速器分不开,苹果提供的Metal,能发挥GPU/CPu的最大性能,并且管理我们的资源。
  • Metal优点:
    低CPU开销;
    最佳GPU性能,即metal 能在GPU上发挥最大的性能;
    最大限度的提高CPU/GPU 的并发性;
    有效的资源管理;
    在这里插入图片描述

Metal的渲染流程

  • Metal的渲染流程借鉴了OpenGL ES的流程,它通过控制顶点着色器/片元着色器(Metal里面叫顶点函数/片元函数),交给帧缓冲区,最后显示到屏幕上;
  • 具体流程
    通过CPU将顶点数据传递到顶点着色器;
    顶点着色器将处理好的顶点进行图元装配;
    然后进行光栅化,得到每个像素点的颜色值;
    然后将颜色传入片元着色器进行处理;
    最后将数据存储到帧缓存区,并显示到屏幕上;
    在这里插入图片描述
  • 注意:在OpenGL ES中,图元装配有9种,在Metal中,图元装配只有5种,它们分别是:
    MTLPrimitiveTypePoint = 0, 点
    MTLPrimitiveTypeLine = 1, 线段
    MTLPrimitiveTypeLineStrip = 2, 线环
    MTLPrimitiveTypeTriangle = 3, 三角形
    MTLPrimitiveTypeTriangleStrip = 4, 三角型扇

Metal使用注意

一、Separate Your Rendering Loop

Apple建议我们Separate Your Rendering Loop,即分离渲染,Metal给我们提供了一个View,叫MTKView,它继承自UiView,它主要的渲染是通过MTKViewDelegate协议回调实现,两个重要的协议方法是:

  • 当MTKView视图发生大小改变时调用
 	/*
    @method mtkView:drawableSizeWillChange:
    @abstract Called whenever the drawableSize of the view will chang
    @discussion Delegate can recompute view and projection matricies or regenerate any buffers to be compatible with the new view size or resolution
    @paramviewMTKView which called this method
    @paramsizeNew drawable size in pixels
    */
	- (void)mtkView:(nonnull MTKView *)view drawableSizeWillChange:(CGSize)size;

  
 
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  • 每当视图需要渲染时调用
 	/*
    @method drawInMTKView:
    @abstract Called on the delegate when it is asked to render into the view
    @discussion Called on the delegate when it is asked to render into the view
    */

    - (void)drawInMTKView:(nonnullMTKView*)view;

  
 
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二、Metal驱动GPU工作在这里插入图片描述
  • 命令缓存区(command buffer)是从命令队列(command queue)创建的
  • 命令编码器(command encoder)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

Metal API

一、MTKView
  • 在MetalKit中提供了一个视图类MTKView,类似于GLKit中GLKView,它是NSView(macOS中的视图类)或者UIView(iOS、tvOS中的视图类)的子类。用于处理metal绘制并显示到屏幕过程中的细节。
  • 使用metal时,需要先创建MTKView对象,有两种创建方式:
    直接修改storyboard中view的类;
    使用init创建;
二、MTLDevice
  • 由于metal是操作GPU的,所以需要获取GPU使用权限,即拿到GPU对象,Metal中提供了MTLDevice协议表示GPU接口,在iOS中一般是通过默认的方式MTLCreateSystemDefaultDevice()获取GPU
self.view.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();

  
 
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  • metal的使用必须使用真机,且必须是6s及以上的机型,如果设备不支持mental,将会返回空; 如果想使用多个MTLDevice实例,或者从一个MTLDevice切换到另一个,则需要为每个MTLDevice创建单独的一组对象。
  • MTLDevice协议表示可以执行命令的GPU,提供了如下功能:
    创建新的命令队列;
    从内存分配缓冲区;
    创建纹理;
    查询设备功能;
三、MTLCommandQueue
  • 在获取了GPU后,还需要一个渲染队列,即命令队列Command Queue类型是MTLCommandQueue,该队列是与GPU交互的第一个对象,队列中存储的是将要渲染的命令MTLCommandBuffer。
  • 队列的获取需要通过MTLDevice对象获取,且每个命令队列的生命周期很长,因此commandQueue可以重复使用,而不是频繁创建和销毁。
_commandQueue = [_device newCommandQueue];

  
 
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  • 在绘制之前,首先需要配置好MTKView、MTLDevice以及MTLCommandQueue后,其次是准备渲染到屏幕上的数据,即准备缓存数据MTLCommandBuffer,例如顶点数据等。
  • 基本流程
    先通过MTLCommandBuffer创建渲染缓存区;
    其次通过MTLRenderPassDescriptor创建渲染描述符;
    然后再通过创建的渲染缓存区和渲染描述符创建命令编辑器MTLRenderCommandEncoder 进行编码;
    最后是结束编码,提交渲染命令,在完成渲染后,将命令缓存区提交至GPU;
四、MTLCommandBuffer
  • 命令缓存区 Command Buffer主要是用于存储编码的命令,其生命周期是知道缓存区被提交到GPU执行为止,单个的命令缓存区可以包含不同的编码命令,主要取决于用于构建它的编码器的类型和数量。
  • 命令缓存区的创建可以通过调用MTLCommandQueue的commandBuffer方法,且command buffer对象的提交只能提交至创建它的MTLCommandQueue对象中。
  • commandBuffer在未提交命令缓存区之前,是不会开始执行的,提交后,命令缓存区将按其入队的顺序执行,commandBuffer的提交方式有以下两种,不同的提交方式表示不同的执行顺序:
    ① enqueue:顺序执行,enqueue方法在命令队列中为命令缓存区保留一个位置,此时并未提交命令缓存区,当最终提交命令缓存区后,按照命令队列的顺序依次执行;
    ② commit:插队尽快执行,如果前面有commit还是需要排队等待;
五、MTLRenderCommandEncoder

① MTLRenderCommandEncoder表示单个渲染过程中相关联的渲染状态和渲染命令,主要功能如下:

  • 指定图形资源,例如缓存区和纹理对象,其中包含顶点、片元、纹理图片数据;
  • 指定一个MTLRenderPipelineState对象,表示编译的渲染状态,包含顶点着色器和片元着色器的编译&链接情况;
  • 指定固定功能,包括视口、三角形填充模式、剪刀矩形、深度、模板测试以及其它值
    绘制3D图元;

② 在创建commandEncoder之前,需要先创建渲染描述符MTLRenderPassDescriptor,渲染描述符通过MTKView的currentRenderPassDescriptor获取

MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;

  
 
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③ 然后通过commandBuffer结合渲染描述符创建命令编辑器

id<MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];

  
 
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④ 使用渲染命令编码器执行渲染的过程

  • 通过调用MTLCommandBuffer对象的makeRenderCommandEncoder(descriptor :)方法来创建MTLRenderCommandEncoder对象。
  • 调用setRenderPipelineState(_ :)方法以指定MTLRenderPipelineState,该状态定义图形渲染管道的状态,包括顶点和片段函数。
  • 指定用于顶点和片元函数输入和输出的资源,并在对应的参数中设置每个资源的位置(即索引),即将顶点数据等通过commandEncoder调用setVertexBytes:length:atIndex:函数传递到metal文件的顶点着色器和片元着色器函数
  • 指定其他的固定功能状态,例如通过commandEncoder调用setViewport:函数设置视口大小等。
  • 绘制图形。
  • 调用endEncoding()方法以终止渲染命令编码器。

文章来源: blog.csdn.net,作者:Serendipity·y,版权归原作者所有,如需转载,请联系作者。

原文链接:blog.csdn.net/Forever_wj/article/details/108151930

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