Metal 中的多个模型。如何？答案

【问题标题】：Multiple models in Metal. How?Metal 中的多个模型。如何？
【发布时间】：2016-04-01 19:33:49
【问题描述】：

这是一个绝对的初学者问题。

背景：我并不是真正的游戏开发者，但我正在努力学习底层 3D 编程的基础知识，因为这是一个有趣且有趣的话题。我选择了 Apple 的 Metal 作为图形框架。我知道 SceneKit 和其他更高级别的框架，但我有意尝试学习低级位。不幸的是，我的深度不够，而且网上似乎很少有面向初学者的 Metal 资源。

通过阅读 Apple 文档并遵循我能找到的教程，我成功地实现了一个简单的顶点着色器和一个片段着色器，并在屏幕上绘制了一个实际的 3D 模型。现在我正在尝试绘制第二个模型，但我有点卡住了，因为我不确定真正的最佳方法是什么。

我……

为我的所有模型使用单个顶点缓冲区和索引缓冲区，并在渲染单个模型时告诉 MTLRenderCommandEncoder 偏移量？
每个模型都有单独的顶点缓冲区/索引缓冲区吗？这样的方法会扩展吗？
还有别的吗？

TL;DR：在 Metal（或任何其他 3D 框架）中存储多个模型的顶点数据的推荐方法是什么？

【问题讨论】：

标签： metal

【解决方案1】：

没有一种推荐的方法。当您在 Metal 这么低的级别上工作时，有很多可能性，您选择的可能性在很大程度上取决于情况以及您想要/需要优化的性能特征。如果您只是在玩介绍项目，那么这些决定中的大多数都是无关紧要的，因为在您扩大到“真正的”项目之前，性能问题不会受到影响。

通常，游戏引擎为每个模型使用一个缓冲区（或一组顶点/索引缓冲区），尤其是在每个模型需要不同的渲染状态（例如着色器、绑定纹理）时。这意味着当场景中引入新模型或不再需要旧模型时，可以将必要的资源加载到 GPU 内存中/从 GPU 内存中移除（通过创建/销毁 MTL 对象的方式）。

从同一个缓冲区（不同部分）进行多次绘制的主要用例是当您对缓冲区进行变异时。例如，在帧 n 上，您正在使用缓冲区的前 1KB 进行绘制，同时您正在计算/流式传输新的顶点数据并将其写入第二个 1KB缓冲区...然后对于帧 n + 1 您切换缓冲区的哪些部分用于什么。

【讨论】：

【解决方案2】：

为了增加 rickster 的回答，我会将您的模型封装在一个类中，该类包含每个模型一个缓冲区（或两个，如果您计算索引缓冲区），并传递一个带有该模型实例数的可选参数你想创建。

然后，保留一个额外的缓冲区，用于存储您想要为每个实例引入的任何变化。通常，它只是变换和不同的材质。例如，

struct PerInstanceUniforms {
  var transform : Transform
  var material : Material
}

在我的例子中，材质包含 UV 变换，但所有实例的纹理必须相同。

那么你的模型类会是这个样子，

class Model {
  fileprivate var indexBuffer : MTLBuffer!
  fileprivate var vertexBuffer : MTLBuffer!
  var perInstanceUniforms : [PerInstanceUniforms]
  let uniformBuffer : MTLBuffer!

  // ... constructors, etc.

  func draw(_ encoder: MTLRenderCommandEncoder) {
    encoder.setVertexBuffer(vertexBuffer, offset: 0, at: 0)
    RenderManager.sharedInstance.setUniformBuffer(encoder, atIndex: 1)
    encoder.setVertexBuffer(self.uniformBuffer, offset: 0, at: 2)
    encoder.drawIndexedPrimitives(type: .triangle, indexCount: numIndices, indexType: .uint16, indexBuffer: indexBuffer, indexBufferOffset: 0, instanceCount: self.numInstances)
  }

  // this gets called when we need to update the buffers used by the GPU
  func updateBuffers(_ syncBufferIndex: Int) {
    let uniformB = uniformBuffer.contents()
    let uniformData = uniformB.advanced(by: MemoryLayout<PerInstanceUniforms>.size * perInstanceUniforms.count * syncBufferIndex).assumingMemoryBound(to: Float.self)
    memcpy(uniformData, &perInstanceUniforms, MemoryLayout<PerInstanceUniforms>.size * perInstanceUniforms.count)
  }
}

带有实例的顶点着色器看起来像这样，

vertex VertexInOut passGeometry(uint vid [[ vertex_id ]],
                            uint iid [[ instance_id ]],
                            constant TexturedVertex* vdata [[ buffer(0) ]],
                            constant Uniforms& uniforms  [[ buffer(1) ]],
                            constant Transform* perInstanceUniforms [[ buffer(2) ]])
{
  VertexInOut outVertex;
  Transform t = perInstanceUniforms[iid];
  float4x4 m = uniforms.projectionMatrix * uniforms.viewMatrix;
  TexturedVertex v = vdata[vid];
  outVertex.position = m * float4(t * v.position, 1.0);
  outVertex.uv = float2(0,0);
  outVertex.color = float4(0.5 * v.normal + 0.5, 1);
  return outVertex;
}

这是我写的一个使用实例化的例子，并进行了性能分析：http://tech.metail.com/performance-quaternions-gpu/

您可以在此处找到完整代码以供参考：https://github.com/endavid/VidEngine

希望对你有帮助。

【讨论】：