Metal学习笔记七：片元函数

知道如何通过将顶点数据发送到 vertex 函数来渲染三角形、线条和点是一项非常巧妙的技能 — 尤其是因为您能够使用简单的单行片段函数为形状着色。但是，片段着色器能够执行更多操作。

➤ 打开网站 https://shadertoy.com，在那里您会发现大量令人眼花缭乱的社区创建的出色着色器。

这些示例可能看起来像复杂 3D 模型的渲染图，但外观具有欺骗性！您在此处看到的每个 “模型” 都是完全使用数学生成的，用 GLSL 片段着色器编写。GLSL 是 OpenGL 的图形库着色语言 — 在本章中，您将开始了解所有着色高手使用的原理。

注意：每个图形API都使用自己的着色器语言。原理是相同的，因此，如果您找到喜欢的GLSL着色器，则可以使用Metal MSL重新创建它。

起始项目

Starter 项目展示了一个示例，该示例将多个管线状态与不同的顶点函数结合使用，具体取决于您渲染的是旋转的火车还是全屏四边形。
➤ 打开本章的入门项目。
➤ 构建并运行项目。（您可以选择渲染火车或四边形。您将先从四边形开始。）
让我们仔细看看代码。
➤ 打开 Shaders 组中的 Vertex.metal，您将看到两个顶点函数：
• vertex_main：此函数将呈现火车，就像在上一章中所做的那样。
• vertex_quad：此函数使用着色器中定义的数组渲染全屏四边形。

这两个函数都输出一个 VertexOut结构体，其中仅包含顶点的位置。

➤ 打开 Renderer.swift。
在 init(metalView:options:) 中，您将看到两个管线状态对象（PSO）。两个 PSO 之间的唯一区别是 GPU 在绘制时将调用的顶点函数。
根据 options.renderChoice 的值，draw(in:) 渲染火车模型或四边形，并换入正确的管线状态。SwiftUI 视图处理 Options 的更新，而 MetalViewRepresentable 将当前选项传递给 Renderer。
➤ 在继续之前，请确保您了解此项目的运作方式。

屏幕空间

片段函数可以执行的许多操作之一是创建复杂的模式，这些模式用来填充呈现的四边形上的屏幕像素。目前，片段函数只有 vertex 函数的插值position输出可供其使用。因此，首先，您将了解您可以利用此position做什么以及它的局限性是什么。
➤ 打开 Fragment.metal，将 fragment 函数内容改为：

float color;
in.position.x < 200 ? color = 0 : color = 1;
return float4(color, color, color, 1);

当光栅器处理顶点位置时，它会将它们从 NDC（标准化设备坐标）转换为屏幕空间。您在 ContentView.swift 中将 Metal 视图的宽度定义为 400点。使用新添加的代码，您说如果 x 位置小于 200，则将颜色设为黑色。否则，将颜色设为白色。

注意：虽然您可以使用 if 语句，但编译器可以更好地优化三元语句，因此使用它更有意义。

➤ 在您的 Mac 和 iPhone 15 Pro Max 模拟器上构建并运行该应用程序。

您是否预料到一半的屏幕是黑色的？视图的宽是 400 点，所以这是合理的。但是您可能没有考虑到一些事情：Apple Retina 显示屏具有不同的像素分辨率或像素密度。例如，MacBook Pro 配备 2 倍 Retina 显示屏，而 iPhone 15 Pro Max 配备 3 倍 Retina 显示屏。这些不同的显示屏意味着 MacBook Pro 上的 400 点， Metal 视图可创建 800x800 像素的可绘制纹理，而 iPhone 视图可创建 1200x1200 像素的可绘制纹理。

您的四边形填满了屏幕，您正在写入视图的可绘制渲染目标纹理（其大小与设备的显示屏相匹配），但没有简单的方法可以在 fragment 函数中找出当前渲染目标纹理的大小。
➤ 打开 Common.h，并添加新的结构体：

typedef struct {
  uint width;
  uint height;
} Params;

此代码包含可发送到 fragment 函数的参数。您可以根据需要向此结构体添加参数。
➤ 打开 Renderer.swift，并向 Renderer 添加一个新属性：

var params = Params()

您将把当前渲染目标大小存储在新属性中。
➤ 将以下代码添加到 mtkView（_：drawableSizeWillChange：）的末尾：

 params.width = UInt32(size.width)
params.height = UInt32(size.height)

size 包含视图的可绘制纹理大小。换句话说，也就是视图的bounds按设备的比例因子进行缩放后的尺寸。
➤ 在 draw(in:)中调用渲染模型或四边形的方法之前，将参数发送到 fragment 函数：

renderEncoder.setFragmentBytes(
  &params,
  length: MemoryLayout<Params>.stride,
  index: 12)

请注意，您使用 setFragmentBytes(_:length:index:)将数据发送到片段函数的方式与之前使用 setVertexBytes(_:length:index:)的方式相同。
➤ 打开 Fragment.metal，将 fragment_main 的签名更改为：

 fragment float4 fragment_main(
  constant Params &params [[buffer(12)]],
  VertexOut in [[stage_in]])

具有目标绘图纹理大小的参数现在可用于 fragment 函数。
➤ 将设置 color 值的代码（基于 in.position.x 的值）更改为：

   in.position.x < params.width * 0.5 ? color = 0 : color = 1;

在这里，您将使用目标渲染大小进行计算。
➤ 在 macOS 和 iPhone 15 Pro Max 模拟器中运行该应用程序。

太棒了，现在两种设备的渲染看起来都一样。

Metal标准库函数

除了标准的数学函数（如 sin、abs 和 length）之外，还有一些其他有用的函数。让我们来看看：

step

如果 x 小于 edge，则 step(edge, x) 返回 0。否则，它将返回 1。此评估正是您对当前 fragment 函数执行的操作。

➤ 将 fragment 函数的内容替换为：

 float color = step(params.width * 0.5, in.position.x);
return float4(color, color, color, 1);

此代码生成的结果与以前相同，但代码略少。

➤ 构建并运行。

结果是，左侧为黑色，因为左侧 step 的结果为 0。而右侧为白色，因为右侧step 的结果为 1 。

让我们用棋盘格模式更进一步。
➤ 将 fragment 函数的内容替换为：

uint checks = 8;
// 1
float2 uv = in.position.xy / params.width;
// 2
uv = fract(uv * checks * 0.5) - 0.5;
// 3
float3 color = step(uv.x * uv.y, 0.0);
return float4(color, 1.0);

以下是正在发生的事情：
1. UV 坐标形成一个值介于 0 和 1 之间的网格。因此，中点位于 [0.5， 0.5]，左上角位于 [0.0， 0.0]。UV 坐标通常与将顶点映射到纹理相关联，如第 8 章 “纹理”所示。
2. fract(x)返回 x 的小数部分。将 UV 的小数值乘以checks值的一半，得到一个介于 0 和 1 之间的值。然后减去 0.5，使一半的值小于零。
3. 如果 xy 乘法的结果小于零，则结果为 1 或白色。否则，它是 0 或黑色。
例如：

float2 uv = (550, 50) / 800;     // uv = (0.6875, 0.0625)
uv = fract(uv * checks * 0.5);   // uv = (0.75, 0.25)
uv -= 0.5; // uv = (0.25, -0.25)
float3 color = step(uv.x * uv.y, 0.0); // x > -0.0625, so color
is 1

➤ 构建并运行应用程序。

length

创建正方形很有趣，但让我们使用 length 函数创建一些圆。

➤ 将 fragment 函数替换为：

float center = 0.5;
float radius = 0.2;
float2 uv = in.position.xy / params.width - center;
float3 color = step(length(uv), radius);
return float4(color, 1.0);

➤ 构建并运行应用程序。

要调整形状大小并在屏幕上移动形状，请更改圆的中心和半径。

smoothstep

smoothstep(edge0, edge1, x)返回介于 0 和 1 之间的平滑艾米插值。
注意：edge1 必须大于 edge0，x 应该是 edge0 <= x <= edge1。

➤ 将片段函数改为：

 float color = smoothstep(0, params.width, in.position.x);
return float4(color, color, color, 1);

color 包含介于 0 和 1 之间的值。当位置与屏幕宽度相同时，颜色为 0 或白色。当位置位于屏幕的最左侧时，颜色为 0 或黑色。
➤ 构建并运行应用程序。

在两种边缘情况之间，颜色是在黑色和白色之间插值的渐变。在这里，您使用 smoothstep 来计算颜色，但您也可以使用它在任意两个值之间进行插值。例如，您可以使用 smoothstep 为 vertex 函数中的位置设置动画。

mix

mix(x, y, a)产生与 x + （y - x） * a 相同的结果。

➤ 将片段函数更改为：

float3 red = float3(1, 0, 0);
float3 blue = float3(0, 0, 1);
float3 color = mix(red, blue, 0.6);
return float4(color, 1);

混合 0 将产生全红色。混合 1 产生全蓝色。这些颜色共同产生 60% 的红色和蓝色混合。

➤ 构建并运行应用程序。

您可以将混合与 smoothstep 结合使用以产生颜色渐变。

➤ 将 fragment 函数替换为：

float3 red = float3(1, 0, 0);
float3 blue = float3(0, 0, 1);
float result = smoothstep(0, params.width, in.position.x);
float3 color = mix(red, blue, result);
return float4(color, 1);

此代码使用result的插值，将其用作红色和蓝色的混合比例。

➤ 构建并运行应用程序。

normalize

规范化过程是指重新调整数据比例以使用标准范围。例如，向量同时具有 direction 和 magnitude。在下图中，向量 A 的长度为 2.12132，方向为 45 度。向量 B 的长度相同，但方向不同。向量 C 的长度不同，但方向相同。

如果两个向量的大小相同，则更容易比较它们的方向，因此可以将向量标准化为单位长度。normalize(x)返回方向相同但长度为 1 的向量 x。
让我们看看另一个规范化的例子。假设您希望使用颜色可视化顶点位置，以便更好地调试某些代码。
➤ 将片段函数改为：

return in.position;

➤ 构建并运行应用程序。

片段函数应返回每个元素介于 0 和 1 之间的 RGBA 颜色。但是，由于位置位于屏幕空间中，因此每个位置在 [0， 0， 0] 和 [800， 800， 0] 之间变化，这就是四边形呈现黄色的原因（它仅在左上角位于 0 和 1 之间）。
➤ 现在，将代码更改为：

 float3 color = normalize(in.position.xyz);
return float4(color, 1);

在这里，您将向量 in.position.xyz 标准化为长度为 1。现在，所有颜色都保证介于 0 和 1 之间。归一化后，最右上角的位置（800， 0， 0）包含红色的 1， 0， 0。
➤ 构建并运行应用程序以查看结果。

法线

尽管可视化位置有助于调试，但通常对创建 3D 渲染没有帮助。但是，找到三角形的朝向对于着色很有用，而着色器正是法线发挥作用的地方。法线是表示顶点或表面朝向的向量。在下一章中，您将学习如何为模型增加光照。但首先，您需要了解法线。

从 Blender 捕获的以下图像显示了指向的顶点法线。球体的每个顶点都指向不同的方向。

球体的着色取决于这些法线。如果法线指向光源，则 Blender 将更亮。
四边形对于着色目的不是很有趣，因此请将默认渲染切换到火车。
➤ 打开 Options.swift，并将 renderChoice 的初始化更改为：

var renderChoice = RenderChoice.train

➤ 运行应用程序以检查您的火车渲染。

与全屏四边形不同，只有火车覆盖的片段才会显示。但是，每个片段的颜色仍然取决于片元的屏幕位置，而不是火车顶点的位置。

加载带法线的火车模型

3D模型文件通常包含表面法线值，您可以和模型一起加载这些值。如果您的文件不包含Surface Formals，则Model I/O可以使用MDLMesh的addNormals(withAttributeNamed:creaseThreshold:)，在导入时生成它们。

为顶点描述器增加法线

➤ 打开 VertexDescriptor.swift。
目前，您只加载 position 属性。是时候将 normal 添加到顶点描述符。
➤ 在设置 offset 的代码之后，在设置 layouts[0] 的代码之前，将以下代码添加到 MDLVertexDescriptor 的 defaultLayout：

vertexDescriptor.attributes[1] = MDLVertexAttribute(
  name: MDLVertexAttributeNormal,
  format: .float3,
  offset: offset,
  bufferIndex: 0)
offset += MemoryLayout<float3>.stride

这里，法线类型是 float3，并在缓冲区 0 中和position交错放置。float3 是在 MathLibrary.swift 中定义的 SIMD3<Float> 类型的别名。每个顶点在索引0缓冲区中占用两个 float3，即 32 字节。layouts[0] 描述带有 stride 的索引0缓冲区。

更新 Shader 函数

➤ 打开 Vertex.metal。
火车模型的管线状态使用此顶点描述符，以便顶点函数可以处理属性，并将这些属性与 VertexIn中的属性匹配。
➤ 构建并运行应用程序，您会发现一切仍然按预期工作。即使您向顶点缓冲区添加了新属性，管线也会忽略它。
因为您尚未将其作为attribute(n)包含在 VertexIn 中。是时候解决这个问题了。

➤ 在 VertexIn 中添加以下代码：

float3 normal [[attribute(1)]];

在这里，您将 attribute（1）与顶点描述符的属性 1 匹配。现在你将能够访问 vertex 函数中的 normal 属性。
➤ 接下来，将以下代码添加到 VertexOut 中：

float3 normal;

通过在此处包含 normal，您现在可以将数据传递给 fragment 函数。
➤ 在 vertex_main 中，将赋值更改为 out：

VertexOut out {
  .position = position,
  .normal = in.normal
};

完美！通过该更改，您现在可以从 vertex 函数返回位置和法线。
➤ 打开 Fragment.metal，将 fragment_main 的内容替换为：

return float4(in.normal, 1);

别担心，编译错误是意料之中的。即使您在 Vertex.metal 中更新了 VertexOut，该结构体的作用域也仅在该文件中。

添加头文件

在多个着色器文件中需要结构体和函数是很常见的。因此，就像您对 Swift 和 Metal 之间的桥接头文件 Common.h 所做的那样，您可以添加其他头文件并将它们导入到着色器文件中。
➤ 使用 macOS 头文件模板在 Shaders 组中创建一个新文件，并将其命名为 ShaderDefs.h。
➤ 将代码替换为：

#include <metal_stdlib>
using namespace metal;
struct VertexOut {
  float4 position [[position]];
  float3 normal;
};

在这里，您可以在 metal 命名空间中定义 VertexOut。

➤ 打开 Vertex.metal，并删除 VertexOut 结构。

➤ 导入 Common.h 后，添加：

   #import "ShaderDefs.h"

➤ 打开 Fragment.metal，并删除 VertexOut 结构。

➤ 同样，在导入 Common.h 后，添加：

#import "ShaderDefs.h"

➤ 构建并运行应用程序。
哦，现在看起来有点奇怪！

您的法线看起来好像显示正确 — 红色法线位于火车的右侧，绿色法线向上，蓝色位于后面 — 但随着火车旋转，它的某些部分看起来几乎是透明的。
这里的问题是光栅器会混淆顶点的深度顺序。当你从前面看火车时，你不应该能看到火车的后面;它应该被遮挡。

深度

光栅器默认情况下不会处理深度顺序，因此您需要以深度模板状态为光栅器提供所需的信息。
您可能还记得第3章“渲染管道”，模板测试单元检查渲染管道期间片段是否可见。如果确定片段在另一个片段后面，则将其丢弃。
让我们给渲染编码器一个MTLDepthStencilState属性，以描述如何进行此测试。
➤打开Renderer.swift。
➤在init(metalView:options:)结束之前，设置metalView.clearColor之后，添加：

metalView.depthStencilPixelFormat = .depth32Float

该代码告诉Metal View，您需要保留深度信息。默认的像素格式为.invalid，它告知视图不需要创建深度和模板纹理。
渲染命令编码器使用的管线状态必须具有相同的深度像素格式。
➤在init(metalView:options:)设置PipelinedEscriptor.colorattachments [0] .pixelformat之后，在do {之前添加：

   pipelineDescriptor.depthAttachmentPixelFormat = .depth32Float

如果您现在要构建并运行该应用程序，那么您将获得与以前相同的结果。但是，在幕后，视图创建了纹理，光栅器可以在该纹理上写入深度值。
接下来，您需要设置希望光栅器计算深度值的方式。

➤向渲染器添加新属性：

let depthStencilState: MTLDepthStencilState?

该属性具有正确的渲染设置，使其具有深度模板状态。

➤ 在 Renderer 中创建此方法以实例化深度模板状态：

static func buildDepthStencilState() -> MTLDepthStencilState? {
// 1
  let descriptor = MTLDepthStencilDescriptor()
// 2
  descriptor.depthCompareFunction = .less
// 3
  descriptor.isDepthWriteEnabled = true
  return Renderer.device.makeDepthStencilState(
    descriptor: descriptor)
}

浏览这段代码：
1. 创建一个描述符，用于初始化深度模板状态，就像您对管道状态对象所做的那样。
2. 指定如何比较当前和已处理的片段。使用 compare 函数 less 时，如果当前片段深度小于帧缓冲区中前一个片段的深度，则当前片段将替换前一个片段。
3. 说明是否写入深度值。如果您有多个通道，如第 12 章 “渲染通道”中所述，有时您需要读取已绘制的片段。在这种情况下，请将 isDepthWriteEnabled 设置为 false。请注意，当您绘制需要深度的对象时，isDepthWriteEnabled 始终为 true。
➤ 在 super.init（）之前从 init（metalView：options：）调用方法：

depthStencilState = Renderer.buildDepthStencilState()

➤ 在 draw（in：）中，将以下内容添加到方法顶部的 guard { } 之后：

renderEncoder.setDepthStencilState(depthStencilState)

➤ 构建并运行应用程序，以光彩夺目的 3D 形式查看您的火车。

当火车旋转时，它会以红色、绿色、蓝色和黑色的阴影出现。

考虑一下你在这个渲染中看到的内容。法线当前位于对象空间中。因此，即使火车在世界空间中旋转，颜色/法线也不会随着模型旋转的改变而改变。

当法线沿模型的 x 轴指向右侧时，值为 [1， 0， 0]。这与 RGB 值中的红色相同，因此对于指向右侧的法线，片段为红色。
指向上方的法线在 y 轴上为 1，因此颜色为绿色。

指向摄像机的法线为负数。当颜色为 [0， 0， 0] 或更小时，它们为黑色。当你看到火车旋转的后部时，你可以看出指向 z 方向的车轮后部是蓝色的 [0， 0， 1]。
现在，您在 fragment 函数中拥有了法线，您可以根据颜色的朝向开始操作颜色。当您开始使用光照时，操纵颜色非常重要。

半球光照

半球照明使用环境光。使用这种类型的照明，场景的一半使用一种颜色照明，另一半使用另一种颜色照明。例如，下图中的球体使用半球照明。

请注意球体如何呈现从天空反射的颜色（顶部）和从地面反射的颜色（底部）。要查看这种类型的光照效果，您需要更改 fragment 函数，以便：
• 朝上的法线为蓝色。
• 朝下的法线为绿色。
• 过渡值为蓝色和绿色混合。

➤ 打开 Fragment.metal，并将 fragment_main 的内容替换为：

float4 sky = float4(0.34, 0.9, 1.0, 1.0);
float4 earth = float4(0.29, 0.58, 0.2, 1.0);
float intensity = in.normal.y * 0.5 + 0.5;
return mix(earth, sky, intensity);

mix（x， y， z）根据第三个值在前两个值之间进行插值，第三个值必须介于 0 和 1 之间。您的正常值介于 -1 和 1 之间，因此您可以在 0 和 1 之间转换强度。
➤ 构建并运行应用程序以查看您闪亮的火车。请注意，火车的顶部是蓝色的，而它的底部是绿色的。

片段着色器非常强大，允许您精确地为对象着色。在第 10 章 “光照基础知识”中，您将使用法线的力量为场景提供更逼真的光照着色。在第19章“镶嵌与地形”中，你将创建一个与此类似的效果，学习如何根据坡度在地形上放置雪。

挑战

目前，您正在对所有缓冲区索引和属性使用硬编码的魔数。随着应用程序的增长，跟踪这些数字将变得越来越困难。所以，你在本章中的挑战是寻找所有这些神奇的数字，并为它们起一个令人难忘的名字。对于此挑战，您将在 Common.h 中创建一个枚举。
以下是一些可帮助您入门的代码：

typedef enum {
  VertexBuffer = 0,
  UniformsBuffer = 11,
  ParamsBuffer = 12
} BufferIndices;

现在，您可以在 Swift 和 C++ 着色器函数中使用这些常量：

//Swift
encoder.setVertexBytes(
  &uniforms,
  length: MemoryLayout<Uniforms>.stride,
  index: Int(UniformsBuffer.rawValue))

// Shader Function
vertex VertexOut vertex_main(
  const VertexIn in [[stage_in]],
  constant Uniforms &uniforms [[buffer(UniformsBuffer)]])

您甚至可以在 VertexDescriptor.swift 中添加扩展来美化代码：

extension BufferIndices {
  var index: Int {
    return Int(self.rawValue)
  }
}

使用此代码，您可以使用 UniformsBuffer.index 而不是 Int（UniformsBuffer.rawValue）。
您可以在本章的 challenge 文件夹中找到完整的解决方案。