Metal入门教程(二)三维变换

前言

Metal入门教程(一)图片绘制

上一篇的教程介绍了如何绘制一张图片,这次的目标是把图片显示到3D物体上,并进行三维变换。

Metal系列教程的代码地址; OpenGL ES系列教程在这里

你的star和fork是我的源动力,你的意见能让我走得更远

正文

核心思路

图片绘制的基础上,给顶点数据增加z坐标,并使用顶点的索引缓存;为了实现三维变换,给顶点shader增加投影矩阵和模型变换矩阵

效果展示

三维变换

具体细节

1、新建MTKView、设置渲染管道、设置纹理数据

Metal入门教程(一)图片绘制

2、设置顶点数据
- (void)setupVertex {
    static const LYVertex quadVertices[] =
    {  // 顶点坐标                          顶点颜色                    纹理坐标
        {{-0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f},      {0.0f, 0.0f, 0.5f},       {0.0f, 1.0f}},//左上
        {{0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f},       {0.0f, 0.5f, 0.0f},       {1.0f, 1.0f}},//右上
        {{-0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f},     {0.5f, 0.0f, 1.0f},       {0.0f, 0.0f}},//左下
        {{0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f},      {0.0f, 0.0f, 0.5f},       {1.0f, 0.0f}},//右下
        {{0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f},       {1.0f, 1.0f, 1.0f},       {0.5f, 0.5f}},//顶点
    };
    self.vertices = [self.mtkView.device newBufferWithBytes:quadVertices
                                                 length:sizeof(quadVertices)
                                                options:MTLResourceStorageModeShared];
    static int indices[] =
    { // 索引
        0, 3, 2,
        0, 1, 3,
        0, 2, 4,
        0, 4, 1,
        2, 3, 4,
        1, 4, 3,
    };
    self.indexs = [self.mtkView.device newBufferWithBytes:indices
                                                     length:sizeof(indices)
                                                    options:MTLResourceStorageModeShared];
    self.indexCount = sizeof(indices) / sizeof(int);
}

LYVertex由顶点坐标、顶点颜色、纹理坐标组成; 索引缓存的创建和顶点缓存的创建一样,本质都是存放数据的缓存;

3、设置投影变换和模型变换矩阵
- (void)setupMatrixWithEncoder:(id<MTLRenderCommandEncoder>)renderEncoder {
    CGSize size = self.view.bounds.size;
    float aspect = fabs(size.width / size.height);
    GLKMatrix4 projectionMatrix = GLKMatrix4MakePerspective(GLKMathDegreesToRadians(90.0), aspect, 0.1f, 10.f);
    GLKMatrix4 modelViewMatrix = GLKMatrix4Translate(GLKMatrix4Identity, 0.0f, 0.0f, -2.0f);
    static float x = 0.0, y = 0.0, z = M_PI;
    if (self.rotationX.on) {
        x += self.slider.value;
    }
    if (self.rotationY.on) {
        y += self.slider.value;
    }
    if (self.rotationZ.on) {
        z += self.slider.value;
    }
    modelViewMatrix = GLKMatrix4Rotate(modelViewMatrix, x, 1, 0, 0);
    modelViewMatrix = GLKMatrix4Rotate(modelViewMatrix, y, 0, 1, 0);
    modelViewMatrix = GLKMatrix4Rotate(modelViewMatrix, z, 0, 0, 1);
    
    LYMatrix matrix = {[self getMetalMatrixFromGLKMatrix:projectionMatrix], [self getMetalMatrixFromGLKMatrix:modelViewMatrix]};
    
    [renderEncoder setVertexBytes:&matrix
                           length:sizeof(matrix)
                          atIndex:LYVertexInputIndexMatrix];
}

projectionMatrix 是投影变换矩阵,modelViewMatrix是模型变换矩阵,为了方便理解,把绕x、y、z轴旋转用三次GLKMatrix4Rotate实现。 没有找到Metal和MetalKit快捷创建矩阵的方法,于是用了GLKit的方法进行创建,再通过getMetalMatrixFromGLKMatrix:方法进行转换,方法如下:

/**
 找了很多文档,都没有发现metalKit或者simd相关的接口可以快捷创建矩阵的,于是只能从GLKit里面借力

 @param matrix GLKit的矩阵
 @return metal用的矩阵
 */
- (matrix_float4x4)getMetalMatrixFromGLKMatrix:(GLKMatrix4)matrix {
    matrix_float4x4 ret = (matrix_float4x4){
        simd_make_float4(matrix.m00, matrix.m01, matrix.m02, matrix.m03),
        simd_make_float4(matrix.m10, matrix.m11, matrix.m12, matrix.m13),
        simd_make_float4(matrix.m20, matrix.m21, matrix.m22, matrix.m23),
        simd_make_float4(matrix.m30, matrix.m31, matrix.m32, matrix.m33),
    };
    return ret;
}
4、具体渲染过程
        id<MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];

        [renderEncoder setViewport:(MTLViewport){0.0, 0.0, self.viewportSize.x, self.viewportSize.y, -1.0, 1.0 }];
        [renderEncoder setRenderPipelineState:self.pipelineState];
        [self setupMatrixWithEncoder:renderEncoder];
        
        [renderEncoder setVertexBuffer:self.vertices
                                offset:0
                               atIndex:LYVertexInputIndexVertices];
        [renderEncoder setFrontFacingWinding:MTLWindingCounterClockwise];
        [renderEncoder setCullMode:MTLCullModeBack];

顶点数据设置的index参数使用了枚举变量LYVertexInputIndexVertices,这样可以保证和shader里面的索引对齐; 在设置完顶点数据后,还增加CullMode(剔除模式),MTLWindingCounterClockwise表示对顺时针顺序的三角形进行剔除。

5、Shader处理
vertex RasterizerData // 顶点
vertexShader(uint vertexID [[ vertex_id ]],
             constant LYVertex *vertexArray [[ buffer(LYVertexInputIndexVertices) ]],
             constant LYMatrix *matrix [[ buffer(LYVertexInputIndexMatrix) ]]) {
    RasterizerData out;
    out.clipSpacePosition = matrix->projectionMatrix * matrix->modelViewMatrix * vertexArray[vertexID].position;
    out.textureCoordinate = vertexArray[vertexID].textureCoordinate;
    out.pixelColor = vertexArray[vertexID].color;
    
    return out;
}

fragment float4 // 片元
samplingShader(RasterizerData input [[stage_in]],
               texture2d<half> textureColor [[ texture(LYFragmentInputIndexTexture) ]])
{
    constexpr sampler textureSampler (mag_filter::linear,
                                      min_filter::linear);
    
//    half4 colorTex = textureColor.sample(textureSampler, input.textureCoordinate);
    half4 colorTex = half4(input.pixelColor.x, input.pixelColor.y, input.pixelColor.z, 1);
    return float4(colorTex);
}

顶点shader的buffer的修饰符有LYVertexInputIndexVerticesLYVertexInputIndexMatrix,与业务层的枚举变量一致; 在计算顶点坐标的时候,增加了projectionMatrixmodelViewMatrix的处理;

片元shader的texture的修饰符是LYFragmentInputIndexTexture; 尝试把从图片读取颜色的代码屏蔽,使用上面的代码,可以得到顶点颜色的显示结果;

总结

Metal的三维变换与OpenGL ES一样,重点是如何初始化矩阵,并且把矩阵传递给顶点shader;同时Metal的Shader有语法检测,使用枚举变量能在编译阶段就定位到问题。

这里可以下载demo代码。

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