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Metal 大师课：绘制简单 2D 三角形

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在 Metal 的图形世界中，三角形是构建复杂场景的基本模块。掌握绘制三角形的能力对于任何 Metal 开发人员来说都是至关重要的。在本文中，我们将踏上 Metal 之旅的第三次旅程，深入探讨如何渲染一个简单的 2D 三角形。

Metal 渲染管道概览

要理解如何绘制三角形，首先必须熟悉 Metal 的渲染管道。渲染管道是一个多阶段过程，它处理绘制命令并将数据写入呈现通道的目标。以下是渲染管道的三大阶段：

  1. 顶点阶段： 此阶段将顶点数据（例如位置和法线）从 CPU 传递到 GPU。
  2. 光栅化阶段： 此阶段将顶点数据转换为片段，这些片段是屏幕上的像素。
  3. 片段阶段： 此阶段执行像素着色，计算每个像素的颜色和深度。

三角形绘制基础

为了绘制一个三角形，我们需要定义其三个顶点的坐标。可以使用以下 Metal 顶点结构：

struct Vertex {
    let position: SIMD2<Float>
}

其中 position 是顶点的 2D 位置。

有了顶点数据后，我们可以使用 Metal 着色器语言 (MSL) 编写顶点和片段着色器。顶点着色器将顶点数据转换为片段，而片段着色器将计算每个片段的颜色。

Metal 着色器代码

顶点着色器：

vertex VertexOut main(VertexIn input) {
    VertexOut output;
    output.position = input.position;
    return output;
}

片段着色器：

fragment float4 main() {
    return float4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 红色三角形
}

渲染三角形

现在我们有了着色器代码，就可以使用 Metal API 渲染三角形了。以下是主要步骤：

  1. 创建一个 Metal 设备和命令队列。
  2. 加载顶点和片段着色器。
  3. 创建一个包含三角形顶点数据的顶点缓冲区。
  4. 创建一个渲染管线状态对象 (PSO)，其中包含着色器和渲染状态信息。
  5. 创建一个命令缓冲区并开始记录命令。
  6. 将顶点缓冲区绑定到命令缓冲区。
  7. 设置渲染管线状态。
  8. 绘制三角形。
  9. 提交命令缓冲区以执行。

代码示例

以下代码示例展示了如何使用 Metal 绘制三角形：

import Metal

// 创建 Metal 设备和命令队列
let device = MTLCreateSystemDefaultDevice()!
let commandQueue = device.makeCommandQueue()!

// 加载顶点和片段着色器
let vertexShader = device.makeVertexShader(fromFile: "vertexShader.metal")!
let fragmentShader = device.makeFragmentShader(fromFile: "fragmentShader.metal")!

// 创建顶点缓冲区
let vertexData: [Vertex] = [
    Vertex(position: SIMD2<Float>(-0.5, -0.5)),
    Vertex(position: SIMD2<Float>( 0.5, -0.5)),
    Vertex(position: SIMD2<Float>( 0.0,  0.5))
]
let vertexBuffer = device.makeBuffer(bytes: vertexData, length: MemoryLayout<Vertex>.stride * vertexData.count, options: [])!

// 创建渲染管线状态
let pipelineStateDescriptor = MTLRenderPipelineDescriptor()
pipelineStateDescriptor.vertexFunction = vertexShader
pipelineStateDescriptor.fragmentFunction = fragmentShader
pipelineStateDescriptor.colorAttachments[0].pixelFormat = .bgra8Unorm
let pipelineState = device.makeRenderPipelineState(descriptor: pipelineStateDescriptor)!

// 创建命令缓冲区并开始记录命令
let commandBuffer = commandQueue.makeCommandBuffer()!
commandBuffer.label = "Draw Triangle"

// 将顶点缓冲区绑定到命令缓冲区
commandBuffer.setVertexBuffer(vertexBuffer, offset: 0, at: 0)

// 设置渲染管线状态
commandBuffer.setRenderPipelineState(pipelineState)

// 绘制三角形
commandBuffer.drawPrimitives(type: .triangle, vertexStart: 0, vertexCount: vertexData.count)

// 提交命令缓冲区以执行
commandBuffer.commit()

结论

绘制三角形是 Metal 图形编程的基础。通过理解 Metal 渲染管道和掌握 Metal 着色器语言，您可以绘制任意数量的复杂 2D 和 3D 图形。在下一篇文章中，我们将探索更高级的 Metal 概念，例如纹理和灯光。