版本记录
| 版本号 | 时间 |
|---|---|
| V1.0 | 2018.10.10 星期三 |
前言
很多做视频和图像的，相信对这个框架都不是很陌生，它渲染高级3D图形，并使用GPU执行数据并行计算。接下来的几篇我们就详细的解析这个框架。感兴趣的看下面几篇文章。
1. Metal框架详细解析（一）—— 基本概览
2. Metal框架详细解析（二） —— 器件和命令（一）
3. Metal框架详细解析（三） —— 渲染简单的2D三角形（一）
4. Metal框架详细解析（四） —— 关于GPU Family 4（一）
5. Metal框架详细解析（五） —— 关于GPU Family 4之关于Imageblocks（二）
6. Metal框架详细解析（六） —— 关于GPU Family 4之关于Tile Shading（三）
7. Metal框架详细解析（七） —— 关于GPU Family 4之关于光栅顺序组（四）
8. Metal框架详细解析（八） —— 关于GPU Family 4之关于增强的MSAA和Imageblock采样覆盖控制（五）
9. Metal框架详细解析（九） —— 关于GPU Family 4之关于线程组共享（六）
10. Metal框架详细解析（十） —— 基本组件（一）
11. Metal框架详细解析（十一） —— 基本组件之器件选择 - 图形渲染的器件选择（二）
12. Metal框架详细解析（十二） —— 基本组件之器件选择 - 计算处理的设备选择（三）
13. Metal框架详细解析（十三） —— 计算处理（一）
14. Metal框架详细解析（十四） —— 计算处理之你好，计算（二）
15. Metal框架详细解析（十五） —— 计算处理之关于线程和线程组（三）
16. Metal框架详细解析（十六） —— 计算处理之计算线程组和网格大小（四）
17. Metal框架详细解析（十七） —— 工具、分析和调试（一）
18. Metal框架详细解析（十八） —— 工具、分析和调试之Metal GPU Capture（二）
19. Metal框架详细解析（十九） —— 工具、分析和调试之GPU活动监视器（三）
20. Metal框架详细解析（二十） —— 工具、分析和调试之关于Metal着色语言文件名扩展名、使用Metal的命令行工具构建库和标记Metal对象和命令（四）
21. Metal框架详细解析（二十一） —— 基本课程之基本缓冲区（一）
22. Metal框架详细解析（二十二） —— 基本课程之基本纹理（二）
23. Metal框架详细解析（二十三） —— 基本课程之CPU和GPU同步（三）
24. Metal框架详细解析（二十四） —— 基本课程之参数缓冲 - 基本参数缓冲（四）
25. Metal框架详细解析（二十五） —— 基本课程之参数缓冲 - 带有数组和资源堆的参数缓冲区（五）
26. Metal框架详细解析（二十六） —— 基本课程之参数缓冲 - 具有GPU编码的参数缓冲区（六）
27. Metal框架详细解析（二十七） —— 高级技术之图层选择的反射（一）
Overview - 概览
演示如何使用专用函数根据动态条件选择细节级别。
高品质的游戏体验必须在卓越的图形和卓越的性能之间进行权衡。 高质量的模型看起来很棒，但它们的复杂性需要大量的处理能力。 通过增加或减少模型的细节水平（level of detail - LOD），游戏可以选择性地管理图形和性能。
游戏可以在运行时基于某些模型视图条件在一系列LOD之间动态地选择，而不是在构建时选择固定LOD。 例如，焦点前景模型可以具有高LOD，而快速移动的背景模型可以具有低LOD。
此示例演示了消防车模型的动态LOD选择，基于其与场景摄像机的距离。 当模型离相机较近时，渲染器使用较高的LOD；当模型离相机较远时，渲染器使用较低的LOD。
GPU Branch Statements - GPU分支声明
与CPU代码不同，图形处理单元（GPU）分支语句（如if和else）非常昂贵。 GPU的大规模并行架构不是特别适合处理具有许多分支的GPU函数。更多分支导致更多的寄存器分配，从而减少可以并发执行的GPU线程的数量。然而，分支语句是有用的编程结构，特别是对于共享大量代码的函数。实际上，共享代码的图形函数的一个常见问题是如何处理仅在绘制调用之间而不是在单个绘制调用中执行的各个线程之间的分支条件。
传统上，绘制调用之间不同的分支可以通过以下方式之一进行缓解：
编写每个分支函数。每个分支都写为完整且独立的函数，渲染循环确定在运行时使用哪个函数。这种方法极大地增加了代码重复，因为每个分支条件的所有可能结果都需要它们自己的独立函数。例如，单个if语句需要一个函数用于
true结果，另一个函数用于false结果。使用预处理程序指令。函数可以使用#if预处理程序指令，而不是使用常规的if语句，该指令在评估其分支条件后有选择地编译函数。这种方法避免了代码重复，但降低了预编译的Metal着色语言代码的性能优势。由于分支条件只能在运行时进行评估，因此无法在构建时预编译这些函数。
Metal的函数专用功能可降低分支性能成本，避免代码重复，并利用构建时编译。 函数专业化允许您创建单个源函数的多个可执行版本。 您可以通过在Metal着色语言代码中声明函数常量并在运行时设置它们来创建专用函数。 这样做允许前端编译器在构建时预编译源函数，并允许后端编译器在创建管道时在运行时编译专用函数。
Define Your LOD Selection Criteria - 定义您的LOD选择标准
此示例通过为不同的LOD创建不同的渲染管道来演示函数特化。所有管道共享相同的源函数，但函数常量确定每个管道的LOD特定路径和输入。具体而言，该示例演示了消防车模型的动态LOD选择，基于其与场景摄像机的距离。当消防车靠近相机时，它在屏幕上占据更多像素；因此，该示例使用高质量的渲染管道。当消防车离相机很远时，它在屏幕上占用的像素较少；因此，该示例使用低质量的渲染管道。
此示例中的消防车模型使用多种类型的纹理，例如反照率，法线，金属，粗糙度，环境遮挡和辐照度（albedo, normal, metallic, roughness, ambient occlusion, and irradiance）。当模型远离相机时，从这些纹理中的每一个中采样都太浪费了，因为没有看到由完整纹理组合提供的细节。该示例使用各种函数常量值来创建从更多或更少纹理中采样的特殊函数，具体取决于所选的LOD。此外，从较少纹理中采样的专用函数也执行较不复杂的计算，从而产生更快的渲染管道。
isTexturedProperty：atQualityLevel：方法控制是通过从纹理采样还是通过读取常量值来设置材质属性。
+ (BOOL)isTexturedProperty:(AAPLFunctionConstant)propertyIndex atQualityLevel:(AAPLQualityLevel)quality
{
AAPLQualityLevel minLevelForProperty = AAPLQualityLevelHigh;
switch(propertyIndex)
{
case AAPLFunctionConstantBaseColorMapIndex:
case AAPLFunctionConstantIrradianceMapIndex:
minLevelForProperty = AAPLQualityLevelMedium;
break;
default:
break;
}
return quality <= minLevelForProperty;
}
Implement Specialized Functions - 实施专业函数
该示例使用六个函数常量来控制fragmentLighting片段函数可用的各种输入。
constant bool has_base_color_map [[ function_constant(AAPLFunctionConstantBaseColorMapIndex) ]];
constant bool has_normal_map [[ function_constant(AAPLFunctionConstantNormalMapIndex) ]];
constant bool has_metallic_map [[ function_constant(AAPLFunctionConstantMetallicMapIndex) ]];
constant bool has_roughness_map [[ function_constant(AAPLFunctionConstantRoughnessMapIndex) ]];
constant bool has_ambient_occlusion_map [[ function_constant(AAPLFunctionConstantAmbientOcclusionMapIndex) ]];
constant bool has_irradiance_map [[ function_constant(AAPLFunctionConstantIrradianceMapIndex) ]];
该示例还声明了一个派生函数常量has_any_map，它在vertexTransform顶点函数中使用。 此值确定渲染管道是否需要顶点函数将纹理坐标输出到ColorInOut.texCoord返回值。
constant bool has_any_map = (has_base_color_map ||
has_normal_map ||
has_metallic_map ||
has_roughness_map ||
has_ambient_occlusion_map ||
has_irradiance_map);
当has_any_map的值为false时，顶点函数不会将值写入texCoord成员。
if (has_any_map)
{
out.texCoord = in.texCoord;
}
函数常量控制参数的来源到calculateParameters（）函数中的光照计算。 使用[[function_constant（index）]]属性时，此函数可以确定是否应从纹理中进行采样。 如果属性指示存在纹理参数，则该函数仅从纹理中采样；否则，它从materialUniforms缓冲区读取一个统一值。
LightingParameters calculateParameters(ColorInOut in,
constant AAPLUniforms & uniforms,
constant AAPLMaterialUniforms & materialUniforms,
texture2d<float> baseColorMap [[ function_constant(has_base_color_map) ]],
texture2d<float> normalMap [[ function_constant(has_normal_map) ]],
texture2d<float> metallicMap [[ function_constant(has_metallic_map) ]],
texture2d<float> roughnessMap [[ function_constant(has_roughness_map) ]],
texture2d<float> ambientOcclusionMap [[ function_constant(has_ambient_occlusion_map) ]],
texturecube<float> irradianceMap [[ function_constant(has_irradiance_map) ]])
片段函数的相应输入也使用相同的函数常量。
fragment float4
fragmentLighting(ColorInOut in [[stage_in]],
constant AAPLUniforms & uniforms [[ buffer(AAPLBufferIndexUniforms) ]],
constant AAPLMaterialUniforms & materialUniforms [[ buffer(AAPLBufferIndexMaterialUniforms) ]],
texture2d<float> baseColorMap [[ texture(AAPLTextureIndexBaseColor), function_constant(has_base_color_map) ]],
texture2d<float> normalMap [[ texture(AAPLTextureIndexNormal), function_constant(has_normal_map) ]],
texture2d<float> metallicMap [[ texture(AAPLTextureIndexMetallic), function_constant(has_metallic_map) ]],
texture2d<float> roughnessMap [[ texture(AAPLTextureIndexRoughness), function_constant(has_roughness_map) ]],
texture2d<float> ambientOcclusionMap [[ texture(AAPLTextureIndexAmbientOcclusion), function_constant(has_ambient_occlusion_map) ]],
texturecube<float> irradianceMap [[ texture(AAPLTextureIndexIrradianceMap), function_constant(has_irradiance_map)]])
Create Different Pipelines - 创建不同的管道
此示例使用三个不同的MTLRenderPipelineState对象，每个对象代表不同的LOD。 专用函数和构建管道很昂贵，因此示例在启动渲染循环之前异步执行这些任务。 初始化AAPLRenderer对象时，将使用调度组，完成处理程序和通知块异步创建每个LOD管道。
该示例总共创建了六个专用函数：三个LOD中的每一个都有一个顶点和一个片段函数。 此任务由specializationGroup调度组监视，并且每个函数都通过调用newFunctionWithName：constantValues：completionHandler：方法来专门化。
for (uint qualityLevel = 0; qualityLevel < AAPLNumQualityLevels; qualityLevel++)
{
dispatch_group_enter(specializationGroup);
MTLFunctionConstantValues* constantValues = [self functionConstantsForQualityLevel:qualityLevel];
[defaultLibrary newFunctionWithName:@"fragmentLighting" constantValues:constantValues
completionHandler:^(id<MTLFunction> newFunction, NSError *error )
{
if (!newFunction)
{
NSLog(@"Failed to specialize function, error %@", error);
}
self->_fragmentFunctions[qualityLevel] = newFunction;
dispatch_group_leave(specializationGroup);
}];
dispatch_group_enter(specializationGroup);
[defaultLibrary newFunctionWithName:@"vertexTransform" constantValues:constantValues
completionHandler:^(id<MTLFunction> newFunction, NSError *error )
{
if (!newFunction)
{
NSLog(@"Failed to specialize function, error %@", error);
}
self->_vertexFunctions[qualityLevel] = newFunction;
dispatch_group_leave(specializationGroup);
}];
}
notifyBlock块构建三个渲染管道。 此任务由_pipelineCreationGroup调度组监视，并且每个管道都是通过调用newRenderPipelineStateWithDescriptor：completionHandler：方法构建的。
dispatch_group_enter(_pipelineCreationGroup);
void (^notifyBlock)(void) = ^void()
{
const id<MTLDevice> device = self->_device;
const dispatch_group_t pipelineCreationGroup = self->_pipelineCreationGroup;
MTLRenderPipelineDescriptor *pipelineStateDescriptors[AAPLNumQualityLevels];
dispatch_group_wait(specializationGroup, DISPATCH_TIME_FOREVER);
for (uint qualityLevel = 0; qualityLevel < AAPLNumQualityLevels; qualityLevel++)
{
dispatch_group_enter(pipelineCreationGroup);
pipelineStateDescriptors[qualityLevel] = [pipelineStateDescriptor copy];
pipelineStateDescriptors[qualityLevel].fragmentFunction = self->_fragmentFunctions[qualityLevel];
pipelineStateDescriptors[qualityLevel].vertexFunction = self->_vertexFunctions[qualityLevel];
[device newRenderPipelineStateWithDescriptor:pipelineStateDescriptors[qualityLevel]
completionHandler:^(id<MTLRenderPipelineState> newPipelineState, NSError *error )
{
if (!newPipelineState)
NSLog(@"Failed to create pipeline state, error %@", error);
self->_pipelineStates[qualityLevel] = newPipelineState;
dispatch_group_leave(pipelineCreationGroup);
}];
}
dispatch_group_leave(pipelineCreationGroup);
};
dispatch_group_notify(specializationGroup, pipelineQueue, notifyBlock);
使用特定LOD渲染
在渲染循环的开头，对于每个帧，该示例调用_calculateQualityAtDistance：方法来更新_currentQualityLevel值。 此值根据模型和相机之间的距离定义框架的LOD。 _calculateQualityAtDistance：方法还设置_globalMapWeight值，以在LOD边界之间创建平滑过渡。
- (void)calculateQualityAtDistance:(float)distance
{
static const float MediumQualityDepth = 150.f;
static const float LowQualityDepth = 650.f;
static const float TransitionDepthAmount = 50.f;
assert(distance >= 0.0f);
if (distance < MediumQualityDepth)
{
static const float TransitionDepth = MediumQualityDepth - TransitionDepthAmount;
if(distance > TransitionDepth)
{
_globalMapWeight = distance - TransitionDepth;
_globalMapWeight /= TransitionDepthAmount;
_globalMapWeight = 1.0 - _globalMapWeight;
}
else
{
_globalMapWeight = 1.0;
}
_currentQualityLevel = AAPLQualityLevelHigh;
}
else if (distance < LowQualityDepth)
{
static const float TransitionDepth = LowQualityDepth - TransitionDepthAmount;
if(distance > TransitionDepth)
{
_globalMapWeight = distance - (TransitionDepth);
_globalMapWeight /= TransitionDepthAmount;
_globalMapWeight = 1.0 - _globalMapWeight;
}
else
{
_globalMapWeight = 1.0;
}
_currentQualityLevel = AAPLQualityLevelMedium;
}
else
{
_currentQualityLevel = AAPLQualityLevelLow;
_globalMapWeight = 0.0;
}
}
更新的_currentQualityLevel值用于为帧设置相应的MTLRenderPipelineState对象。
[renderEncoder setRenderPipelineState:_pipelineStates[_currentQualityLevel]];
更新后的`_globalMapWeight值用于在质量级别之间进行插值，并防止突然的LOD转换。
[submesh computeTextureWeightsForQualityLevel:_currentQualityLevel
withGlobalMapWeight:_globalMapWeight];
最后，渲染循环使用特定的LOD管道绘制模型中的每个子网格。
[renderEncoder drawIndexedPrimitives:metalKitSubmesh.primitiveType
indexCount:metalKitSubmesh.indexCount
indexType:metalKitSubmesh.indexType
indexBuffer:metalKitSubmesh.indexBuffer.buffer
indexBufferOffset:metalKitSubmesh.indexBuffer.offset];
后记
本篇主要讲述了使用专用函数的LOD，感兴趣的给个赞或者关注~~~
