Metal入门教程（二）三维变换

前言

Metal入门教程（一）图片绘制

上一篇的教程详情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，你的意见可以让我走得更远。

正文

核心思路

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

效果展现

具体细节

1、新建MTKView、设置渲染管道、设置纹理数据

同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；
索引缓存的创立和顶点缓存的创立一样，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，为了方便了解，把绕x、y、z轴旋转使用三次GLKMatrix4Rotate实现。
没有找到Metal和MetalKit快捷创立矩阵的方法，于是使用了GLKit的方法进行创立，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或者者simd相关的接口能快捷创立矩阵的，于是只可以从GLKit里面借力 @param matrix GLKit的矩阵 @return metal使用的矩阵 */- (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参数用了枚举变量LYVertexInputIndexVertices，这样能保证和shader里面的索引对齐；
在设置完顶点数据后，还添加CullMode（剔除模式），MTLWindingCounterClockwise表示对顺时针顺序的三角形进行剔除。

5、Shader解决

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LYVertexInputIndexVertices和LYVertexInputIndexMatrix，与业务层的枚举变量一致；
在计算顶点坐标的时候，添加了projectionMatrix 和 modelViewMatrix的解决；

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，用上面的代码，能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，用枚举变量可以在编译阶段就定位到问题。

这里能下载demo代码。