簡介

• 在 WWDC 2014 上，Apple為游戲開發(fā)者推出了新的平臺技術(shù) Metal，該技術(shù)能夠?yàn)?3D 圖像提高 10 倍的渲染性能，并支持大家熟悉的游戲引擎及公司。
• Metal 是一種低層次的渲染應(yīng)用程序編程接口，提供了軟件所需的最低層，保證軟件可以運(yùn)行在不同的圖形芯片上。Metal 提升了 A7 與 A8 處理器效能，讓其性能完全發(fā)揮。
• Metal，充分利用GPU的運(yùn)算能力，在現(xiàn)階段，AVFoundation ?臉識別等大量需要顯示計(jì)算的時(shí)候，蘋果采用了硬件加速器驅(qū)動GPU工作，在音視頻方面，?頻編碼/解碼/視頻編碼/解碼 ->壓縮任務(wù) ->都與硬件加速器分不開，蘋果提供的Metal，能發(fā)揮GPU/CPu的最大性能，并且管理我們的資源。
• Metal優(yōu)點(diǎn):
  低CPU開銷;
  最佳GPU性能，即metal 能在GPU上發(fā)揮最大的性能;
  最大限度的提高CPU/GPU 的并發(fā)性;
  有效的資源管理;
  

Metal的渲染流程

• Metal的渲染流程借鑒了OpenGL ES的流程，它通過控制頂點(diǎn)著色器/片元著色器（Metal里面叫頂點(diǎn)函數(shù)/片元函數(shù)），交給幀緩沖區(qū)，最后顯示到屏幕上;
• 具體流程
  通過CPU將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)傳遞到頂點(diǎn)著色器;
  頂點(diǎn)著色器將處理好的頂點(diǎn)進(jìn)行圖元裝配;
  然后進(jìn)行光柵化，得到每個(gè)像素點(diǎn)的顏色值;
  然后將顏色傳入片元著色器進(jìn)行處理;
  最后將數(shù)據(jù)存儲到幀緩存區(qū)，并顯示到屏幕上;
  
• 注意:在OpenGL ES中，圖元裝配有9種，在Metal中，圖元裝配只有5種，它們分別是:
  MTLPrimitiveTypePoint = 0, 點(diǎn)
  MTLPrimitiveTypeLine = 1, 線段
  MTLPrimitiveTypeLineStrip = 2, 線環(huán)
  MTLPrimitiveTypeTriangle = 3, 三角形
  MTLPrimitiveTypeTriangleStrip = 4, 三角型扇

Metal使用注意

一、Separate Your Rendering Loop

Apple建議我們Separate Your Rendering Loop，即分離渲染，Metal給我們提供了一個(gè)View，叫MTKView，它繼承自UiView，它主要的渲染是通過MTKViewDelegate協(xié)議回調(diào)實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)重要的協(xié)議方法是：

• 當(dāng)MTKView視圖發(fā)生大小改變時(shí)調(diào)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;

• 每當(dāng)視圖需要渲染時(shí)調(diào)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;

二、Metal驅(qū)動GPU工作

• 命令緩存區(qū)（command buffer）是從命令隊(duì)列（command queue）創(chuàng)建的
• 命令編碼器（command encoder）將命令編碼到命令緩存區(qū)中
• 提交命令緩存區(qū)并將其發(fā)送到GPU
• GPU執(zhí)行命令并將結(jié)果呈現(xiàn)為可繪制

Metal API

一、MTKView

• 在MetalKit中提供了一個(gè)視圖類MTKView，類似于GLKit中GLKView，它是NSView（macOS中的視圖類）或者UIView（iOS、tvOS中的視圖類）的子類。用于處理metal繪制并顯示到屏幕過程中的細(xì)節(jié)。
• 使用metal時(shí)，需要先創(chuàng)建MTKView對象，有兩種創(chuàng)建方式:
  直接修改storyboard中view的類;
  使用init創(chuàng)建;

二、MTLDevice

• 由于metal是操作GPU的，所以需要獲取GPU使用權(quán)限，即拿到GPU對象，Metal中提供了MTLDevice協(xié)議表示GPU接口，在iOS中一般是通過默認(rèn)的方式MTLCreateSystemDefaultDevice()獲取GPU

self.view.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();

• metal的使用必須使用真機(jī)，且必須是6s及以上的機(jī)型，如果設(shè)備不支持mental，將會返回空; 如果想使用多個(gè)MTLDevice實(shí)例，或者從一個(gè)MTLDevice切換到另一個(gè)，則需要為每個(gè)MTLDevice創(chuàng)建單獨(dú)的一組對象。
• MTLDevice協(xié)議表示可以執(zhí)行命令的GPU，提供了如下功能:
  創(chuàng)建新的命令隊(duì)列;
  從內(nèi)存分配緩沖區(qū);
  創(chuàng)建紋理;
  查詢設(shè)備功能;

三、MTLCommandQueue

• 在獲取了GPU后，還需要一個(gè)渲染隊(duì)列，即命令隊(duì)列Command Queue類型是MTLCommandQueue，該隊(duì)列是與GPU交互的第一個(gè)對象，隊(duì)列中存儲的是將要渲染的命令MTLCommandBuffer。
• 隊(duì)列的獲取需要通過MTLDevice對象獲取，且每個(gè)命令隊(duì)列的生命周期很長，因此commandQueue可以重復(fù)使用，而不是頻繁創(chuàng)建和銷毀。

_commandQueue = [_device newCommandQueue];

• 在繪制之前，首先需要配置好MTKView、MTLDevice以及MTLCommandQueue后，其次是準(zhǔn)備渲染到屏幕上的數(shù)據(jù)，即準(zhǔn)備緩存數(shù)據(jù)MTLCommandBuffer，例如頂點(diǎn)數(shù)據(jù)等。
• 基本流程
  先通過MTLCommandBuffer創(chuàng)建渲染緩存區(qū);
  其次通過MTLRenderPassDescriptor創(chuàng)建渲染描述符;
  然后再通過創(chuàng)建的渲染緩存區(qū)和渲染描述符創(chuàng)建命令編輯器MTLRenderCommandEncoder 進(jìn)行編碼;
  最后是結(jié)束編碼，提交渲染命令，在完成渲染后，將命令緩存區(qū)提交至GPU;

四、MTLCommandBuffer

• 命令緩存區(qū) Command Buffer主要是用于存儲編碼的命令，其生命周期是知道緩存區(qū)被提交到GPU執(zhí)行為止，單個(gè)的命令緩存區(qū)可以包含不同的編碼命令，主要取決于用于構(gòu)建它的編碼器的類型和數(shù)量。
• 命令緩存區(qū)的創(chuàng)建可以通過調(diào)用MTLCommandQueue的commandBuffer方法，且command buffer對象的提交只能提交至創(chuàng)建它的MTLCommandQueue對象中。
• commandBuffer在未提交命令緩存區(qū)之前，是不會開始執(zhí)行的，提交后，命令緩存區(qū)將按其入隊(duì)的順序執(zhí)行，commandBuffer的提交方式有以下兩種，不同的提交方式表示不同的執(zhí)行順序:
  ① enqueue：順序執(zhí)行，enqueue方法在命令隊(duì)列中為命令緩存區(qū)保留一個(gè)位置，此時(shí)并未提交命令緩存區(qū)，當(dāng)最終提交命令緩存區(qū)后，按照命令隊(duì)列的順序依次執(zhí)行;
  ② commit：插隊(duì)盡快執(zhí)行，如果前面有commit還是需要排隊(duì)等待;

五、MTLRenderCommandEncoder

① MTLRenderCommandEncoder表示單個(gè)渲染過程中相關(guān)聯(lián)的渲染狀態(tài)和渲染命令，主要功能如下：

• 指定圖形資源，例如緩存區(qū)和紋理對象，其中包含頂點(diǎn)、片元、紋理圖片數(shù)據(jù);
• 指定一個(gè)MTLRenderPipelineState對象，表示編譯的渲染狀態(tài)，包含頂點(diǎn)著色器和片元著色器的編譯&鏈接情況;
• 指定固定功能，包括視口、三角形填充模式、剪刀矩形、深度、模板測試以及其它值
  繪制3D圖元;

② 在創(chuàng)建commandEncoder之前，需要先創(chuàng)建渲染描述符MTLRenderPassDescriptor，渲染描述符通過MTKView的currentRenderPassDescriptor獲取

MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;

③ 然后通過commandBuffer結(jié)合渲染描述符創(chuàng)建命令編輯器

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

④ 使用渲染命令編碼器執(zhí)行渲染的過程

• 通過調(diào)用MTLCommandBuffer對象的makeRenderCommandEncoder（descriptor :)方法來創(chuàng)建MTLRenderCommandEncoder對象。
• 調(diào)用setRenderPipelineState（_ :)方法以指定MTLRenderPipelineState，該狀態(tài)定義圖形渲染管道的狀態(tài)，包括頂點(diǎn)和片段函數(shù)。
• 指定用于頂點(diǎn)和片元函數(shù)輸入和輸出的資源，并在對應(yīng)的參數(shù)中設(shè)置每個(gè)資源的位置（即索引），即將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)等通過commandEncoder調(diào)用setVertexBytes:length:atIndex:函數(shù)傳遞到metal文件的頂點(diǎn)著色器和片元著色器函數(shù)
• 指定其他的固定功能狀態(tài)，例如通過commandEncoder調(diào)用setViewport:函數(shù)設(shè)置視口大小等。
• 繪制圖形。
• 調(diào)用endEncoding（）方法以終止渲染命令編碼器。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Metal之基本简介及常用组件说明的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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