資源對(duì)象：緩沖和紋理

這一章節(jié)將討論 Metal 中存儲(chǔ)未格式化數(shù)據(jù)和格式化圖片數(shù)據(jù)的資源對(duì)象 MTLResource，它主要分為兩類

• MTLBuffer 代表一個(gè)未格式化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間者疤，能夠保存保存任意類型數(shù)據(jù)福澡，緩沖經(jīng)常用于頂點(diǎn)、著色器以及計(jì)算狀態(tài)數(shù)據(jù)
• MTLTexture 代表一個(gè)有確定類型和像素格式的格式化圖片數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間宛渐，常作為頂點(diǎn)竞漾、片段和計(jì)算函數(shù)的源紋理，或者存儲(chǔ)圖形渲染的輸出（即作為附件）

本章也會(huì)討論 MTLSamplerState窥翩。盡管采樣器本身并不是資源业岁，但它們常被用于對(duì)一個(gè)紋理對(duì)象執(zhí)行查找計(jì)算。

緩沖是內(nèi)存的無類型分配

一個(gè) MTLBuffer 對(duì)象代表著一個(gè)能裝載任意類型數(shù)據(jù)的內(nèi)存分配空間寇蚊。

創(chuàng)建一個(gè)緩沖對(duì)象

下面這些 MTLDevice 方法可以創(chuàng)建并返回一個(gè) MTLBuffer 對(duì)象

• newBufferWithLength:options: 使用新的存儲(chǔ)分配空間創(chuàng)建一個(gè) MTLBuffer 對(duì)象
• newBufferWithBytes:length:options: 從一片已知的內(nèi)存空間（通過 CPU 地址指針尋址）中拷貝數(shù)據(jù)到新的存儲(chǔ)分配空間并創(chuàng)建一個(gè) MTLBuffer 對(duì)象
• newBufferWithBytesNoCopy:length:options:deallocator: 不創(chuàng)建新的存儲(chǔ)空間笔时，直接將現(xiàn)有的存儲(chǔ)空間創(chuàng)建為一個(gè) MTLBuffer 對(duì)象

所有緩沖創(chuàng)建方法都需要一個(gè)表示存儲(chǔ)空間大小的 length 參數(shù)，它的單位是字節(jié)，同時(shí)所有創(chuàng)建方法還接受一個(gè) MTLResourceOptions 對(duì)象作為 options，從而可以修改創(chuàng)建出來的緩沖的特性奕坟。如果 options 傳 0，則采用默認(rèn)值较锡。

緩沖方法

MTLBuffer 協(xié)議有以下方法

• contents 方法返回緩沖的存儲(chǔ)空間的 CPU 地址
• newTextureWithDescriptor:offset:bytesPerRow: 方法返回一個(gè)特定類型的紋理對(duì)象，這個(gè)紋理對(duì)象指向緩沖內(nèi)的數(shù)據(jù)盗痒。更多信息請(qǐng)查閱 創(chuàng)建一個(gè)紋理對(duì)象

紋理是格式化的圖像數(shù)據(jù)

一個(gè) MTLTexture 對(duì)象代表了一個(gè)格式化后的圖像數(shù)據(jù)的內(nèi)存空間蚂蕴，它可以被用于頂點(diǎn)著色器、片段著色器和計(jì)算函數(shù)的資源，或者作為一個(gè)渲染目標(biāo)附件骡楼。MTLTexture 支持以下幾種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

• 1D熔号，2D，3D 圖像
• 1D鸟整，2D引镊，3D 圖像數(shù)組
• 六個(gè) 2D 圖像的立方體

MTLPixelFormat 確定了紋理對(duì)象中單個(gè)像素的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)的像素格式請(qǐng)查閱 紋理中的像素格式

創(chuàng)建一個(gè)紋理對(duì)象

下面這些方法可以創(chuàng)建并返回一個(gè)紋理對(duì)象：

• MTLDevice 類的 newTextureWithDescriptor: 方法為紋理圖像數(shù)據(jù)開辟一個(gè)新的內(nèi)存空間并創(chuàng)建一個(gè) MTLTexture 對(duì)象篮条，它將根據(jù)傳入的 MTLTextureDescriptor 對(duì)象設(shè)置此紋理的屬性
• MTLTexture 類的 newTextureViewWithPixelFormat: 方法創(chuàng)建一個(gè)與調(diào)用者共享內(nèi)存空間的 MTLTexture 對(duì)象弟头，由于它們共享相同的內(nèi)存空間，所有在新紋理對(duì)象上的改動(dòng)都會(huì)反映到調(diào)用對(duì)象上兑燥，反之亦然亮瓷。對(duì)于新創(chuàng)建的紋理琴拧，newTextureViewWithPixelFormat: 將會(huì)重新按照傳入的像素格式詮釋調(diào)用對(duì)象內(nèi)存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)降瞳。傳入的 MTLPixelFormat 必須與原調(diào)用對(duì)象的 MTLPixelFormat 兼容（查閱 紋理像素格式 了解 ordinary， packed 和 compressed 格式）
• MTLBuffer 類的 newTextureWithDescriptor:offset:bytesPerRow: 方法創(chuàng)建一個(gè)與調(diào)用者共享內(nèi)存空間的 MTLTexture 對(duì)象蚓胸，由于它們共享相同的內(nèi)存空間挣饥，所有在新紋理對(duì)象上的改動(dòng)都會(huì)反映到調(diào)用對(duì)象上，反之亦然沛膳。在紋理和緩沖之間共享存儲(chǔ)空間會(huì)防止使用某些紋理優(yōu)化扔枫，如像素調(diào)整或平鋪。

利用紋理描述符創(chuàng)建一個(gè)紋理對(duì)象

MTLTextureDescriptor 類定義了創(chuàng)建一個(gè)紋理對(duì)象所需要的屬性锹安，包括圖片尺寸（寬短荐、高、深度）叹哭、像素格式忍宋、布局格式（數(shù)組或立方體）以及 mipmap 的個(gè)數(shù)。MTLTextureDescriptor 僅用于創(chuàng)建 MTLTexture 對(duì)象的過程中风罩，一旦創(chuàng)建完成糠排，對(duì) MTLTextureDescriptor 的屬性修改將不再對(duì) MTLTexture 生效。

利用描述符創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)紋理對(duì)象的方法如下：

1 創(chuàng)建一個(gè) MTLTextureDescriptor 對(duì)象超升，包含描述紋理數(shù)據(jù)的紋理屬性：

• textureType 確定紋理的維度和布局
• width入宦、height、depth 確定基級(jí)紋理 mipmap 的每一個(gè)維度的像素尺寸
• pixelFormat 確定紋理如何存儲(chǔ)一個(gè)像素
• arrayLength 確定 MTLTextureType1DArray 或 MTLTextureType2DArray 類型的紋理對(duì)象中室琢，數(shù)組元素的個(gè)數(shù)
• mipmapLevelCount 確定 mipmap 層級(jí)的個(gè)數(shù)
• sampleCount 確定每一個(gè)像素的樣本個(gè)數(shù)

2 調(diào)用 MTLDevice 類的 newTextureWithDescriptor: 方法乾闰，利用 MTLTextureDescriptor 描述符創(chuàng)建一個(gè)紋理對(duì)象。創(chuàng)建完紋理后盈滴，調(diào)用 replaceRegion:mipmapLevel:slice:withBytes:bytesPerRow:bytesPerImage: 方法加載紋理圖片數(shù)據(jù)涯肩，詳細(xì)查閱 復(fù)制圖片數(shù)據(jù)到紋理以及從紋理復(fù)制出圖片數(shù)據(jù)

3 可以復(fù)用 MTLTextureDescriptor 對(duì)象，修改其中屬性以創(chuàng)建出更多的紋理

listing 3-1 代碼展示了如何創(chuàng)建一個(gè)紋理描述符 txDesc，并設(shè)置它的屬性為 3D, 64x64x64 紋理

//Listing 3-1  Creating a Texture Object with a Custom Texture Descriptor

MTLTextureDescriptor* txDesc = [[MTLTextureDescriptor alloc] init];
txDesc.textureType = MTLTextureType3D;
txDesc.height = 64;
txDesc.width = 64;
txDesc.depth = 64;
txDesc.pixelFormat = MTLPixelFormatBGRA8Unorm;
txDesc.arrayLength = 1;
txDesc.mipmapLevelCount = 1;
id <MTLTexture> aTexture = [device newTextureWithDescriptor:txDesc];

使用紋理切片

一個(gè)紋理切片就是一個(gè)單獨(dú)的 1D宽菜、2D谣膳、3D 紋理圖片及所有與之相關(guān)的 mipmap。對(duì)于每一個(gè)切片：

• 基級(jí) mipmap 的尺寸由紋理描述符 MTLTextureDescriptor 對(duì)象的 width铅乡、height继谚、depth 屬性確定
• i 級(jí) mipmap 的縮放尺寸由 max(1, floor(width / 2i)) x max(1, floor(height / 2i)) x max(1, floor(depth / 2i)) 確定，頂級(jí) mipmap 的尺寸為 1X1X1
• 一個(gè)切片的 mipmap 層級(jí)可以由 floor(log2(max(width, height, depth)))+1 確定

所有紋理都有至少一個(gè)切片阵幸，立方體和數(shù)組類型的紋理可能有多個(gè)切片花履。在 復(fù)制圖片數(shù)據(jù)到紋理以及從紋理復(fù)制出圖片數(shù)據(jù) 中討論的讀寫紋理圖片數(shù)據(jù)的方法里，slice 是一個(gè)從 0 開始的值挚赊。對(duì)于 1D诡壁、2D、3D 紋理荠割，由于只有一個(gè)切片妹卿，所以 slice 必須為 0。對(duì)于立方體紋理由于有 6 個(gè) 2D 紋理蔑鹦，所以 slice 從 0 到 5夺克。對(duì)于 1DArray 和 2DArray 紋理類型，每一個(gè)數(shù)組元素代表一個(gè)切片嚎朽。從整體紋理結(jié)構(gòu)中選擇單個(gè) 1D铺纽，2D 或 3D 圖像時(shí)，首先選擇一個(gè)切片哟忍，其次選擇一個(gè)切片內(nèi)的 mipmap 層級(jí)狡门。

便捷方式創(chuàng)建紋理描述符

對(duì)于一般的 2D 和立方體紋理，使用下面的便捷方式會(huì)創(chuàng)建一個(gè) MTLTextureDescriptor 對(duì)象锅很，并自動(dòng)填充一些屬性：

• texture2DDescriptorWithPixelFormat:width:height:mipmapped: 方法為 2D 紋理創(chuàng)建一個(gè) MTLTextureDescriptor 對(duì)象其馏，其中 width 和 height 參數(shù)定義 2D 紋理的尺寸，type 參數(shù)自動(dòng)設(shè)置為 MTLTextureType2D粗蔚，depth 和 arrayLength 被設(shè)置為 1
• textureCubeDescriptorWithPixelFormat:size:mipmapped: 方法為一個(gè)立方體紋理創(chuàng)建 MTLTextureDescriptor 對(duì)象尝偎，type 設(shè)置為 MTLTextureTypeCube，width 和 height 被設(shè)置為 size 參數(shù)的值鹏控，depth 和 arrayLength 被設(shè)置為 1

兩個(gè)便捷方法都接受一個(gè) pixFormat 輸入?yún)?shù)用于定義紋理的像素格式致扯，一個(gè) mipmapped 參數(shù)用于定義紋理是否使用紋理切片。

listing 3-2 使用 texture2DDescriptorWithPixelFormat:width:height:mipmapped: 方法創(chuàng)建了一個(gè) 64*64 未使用紋理切片的 2D 紋理描述符對(duì)象

MTLTextureDescriptor *texDesc = [MTLTextureDescriptor 
         texture2DDescriptorWithPixelFormat:MTLPixelFormatBGRA8Unorm 
         width:64 height:64 mipmapped:NO];
id <MTLTexture> myTexture = [device newTextureWithDescriptor:texDesc];

復(fù)制圖片數(shù)據(jù)到紋理以及從紋理復(fù)制出圖片數(shù)據(jù)

下面的方法支持復(fù)制圖片數(shù)據(jù)到紋理以及從紋理復(fù)制出圖片數(shù)據(jù)：

• replaceRegion:mipmapLevel:slice:withBytes:bytesPerRow:bytesPerImage: 從調(diào)用者指針指向的紋理存儲(chǔ)空間中拷貝一部分區(qū)域的數(shù)據(jù)到一個(gè)確定的紋理切片中当辐，replaceRegion:mipmapLevel:withBytes:bytesPerRow: 是一個(gè)類似的便捷方法抖僵，它將拷貝數(shù)據(jù)到默認(rèn)切片中，并設(shè)置其他相關(guān)參數(shù)為默認(rèn)參數(shù)（slice = 0缘揪，bytesPerImage = 0）
• getBytes:bytesPerRow:bytesPerImage:fromRegion:mipmapLevel:slice: 從一個(gè)確定紋理切片中獲取一段數(shù)據(jù)耍群。getBytes:bytesPerRow:fromRegion:mipmapLevel: 是一個(gè)類似的便捷方法义桂，它將從默認(rèn)切片中獲取一段數(shù)據(jù)，并設(shè)置其他相關(guān)參數(shù)為默認(rèn)參數(shù)（slice = 0蹈垢，bytesPerImage = 0）

listing 3-3 展示了如何調(diào)用 replaceRegion:mipmapLevel:slice:withBytes:bytesPerRow:bytesPerImage: 方法來通過系統(tǒng)內(nèi)存中一段源數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)紋理圖片

//  pixelSize is the size of one pixel, in bytes
//  width, height - number of pixels in each dimension
NSUInteger myRowBytes = width * pixelSize;
NSUInteger myImageBytes = rowBytes * height;
[tex replaceRegion:MTLRegionMake2D(0,0,width,height)
    mipmapLevel:0 slice:0 withBytes:textureData
    bytesPerRow:myRowBytes bytesPerImage:myImageBytes];

紋理像素格式

MTLPixelFormat 確定了一個(gè) MTLTexture 對(duì)象中單個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)空間中的顏色慷吊、深度、模板數(shù)據(jù)的組織方式曹抬，大致有三類像素格式：ordinary溉瓶，packed，compressed谤民。

• ordinary 格式僅包含正常的 8堰酿，16，32 位顏色分量张足，每個(gè)分量都安排在遞增的內(nèi)存地址中触创，第一個(gè)列出的組件位于最低地址。例如为牍， MTLPixelFormatRGBA8Unorm 代表每個(gè)顏色分量有 8 比特位哼绑，最低地址位是紅色分量，接下來是綠色吵聪，以此類推凌那。
• packed 格式混合多個(gè)分量到一個(gè) 16 或 32位值中，分量從低位向高位存儲(chǔ)吟逝。例如，MTLPixelFormatRGB10A2Uint 是一個(gè) 32 位 packed 格式赦肋，其中包含 3 個(gè) 10 比特位的顏色通道块攒，2 bit 位的 alpha 通道。
• compressed 格式以像素塊排列佃乘，每個(gè)像素塊的布局特定于一種像素格式囱井。compressed 格式僅能用于 2D，2D 數(shù)組或立方體紋理類型趣避，不能用于 1D庞呕，3D 或 2D 多重采樣類型。

MTLPixelFormatGBGR422 和 MTLPixelFormatBGRG422 格式用于存儲(chǔ) YUV 顏色空間格式的像素程帕，這些格式僅支持 2D 紋理住练，不支持 2D 數(shù)組或立方體紋理，沒有切片愁拭，寬度為偶數(shù)讲逛。

許多像素格式存儲(chǔ)的是 sRGB 規(guī)格的顏色分量（例如 MTLPixelFormatRGBA8Unorm_sRGB 或 MTLPixelFormatETC2_RGB8_sRGB）。當(dāng)一個(gè)采樣操作引用到了一個(gè) sRGB 格式的紋理時(shí)岭埠，Metal 會(huì)將 sRGB 色值轉(zhuǎn)換為線性顏色空間色值盏混，再執(zhí)行采樣操作蔚鸥。從一個(gè) sRGB 格式的分量 S 轉(zhuǎn)換為線性分量 L 的公式如下

• If S <= 0.04045, L = S/12.92
• If S > 0.04045, L = ((S+0.055)/1.055)2.4

相反，當(dāng)需要渲染到一個(gè)使用 sRGB 格式紋理的色彩渲染附件時(shí)许赃，需要將線性顏色色值轉(zhuǎn)換為 sRGB 色值

• If L <= 0.0031308, S = L * 12.92
• If L > 0.0031308, S = (1.055 * L0.41667) - 0.055

有關(guān)渲染過程中的像素格式請(qǐng)查閱 [創(chuàng)建一個(gè)渲染過程描述符](Creating a Render Pass Descriptor)

為紋理查詢創(chuàng)建采樣狀態(tài)對(duì)象

MTLSamplerState 對(duì)象定義了當(dāng)一個(gè)圖形或計(jì)算函數(shù)對(duì)一個(gè) MTLTexture 紋理對(duì)象執(zhí)行紋理采樣操作時(shí)用到的尋址止喷、濾波和其他屬性。采樣描述符定義了一個(gè)采樣狀態(tài)對(duì)象的屬性混聊，創(chuàng)建一個(gè)采樣狀態(tài)對(duì)象的過程如下：

• 調(diào)用 MTLDevice 的 newSamplerStateWithDescriptor: 方法創(chuàng)建一個(gè) MTLSamplerDescriptor 對(duì)象
• 在采樣描述符中定義所需屬性启盛，包括濾波選項(xiàng)、尋址模式技羔、最大各向異性僵闯、細(xì)節(jié)層次參數(shù)
• 通過調(diào)用 MTLDevice 的 newSamplerStateWithDescriptor: 方法從一個(gè)采樣描述符創(chuàng)建一個(gè) MTLSamplerState 對(duì)象

你可以重復(fù)使用采樣描述符來創(chuàng)建多個(gè)采樣狀態(tài)對(duì)象，還可以修改所需要的描述符的屬性藤滥。描述符的屬性值僅在創(chuàng)建采樣狀態(tài)對(duì)象過程中生效鳖粟。一旦采樣狀態(tài)對(duì)象生成了，再修改描述符的屬性將不會(huì)對(duì)采樣狀態(tài)對(duì)象產(chǎn)生任何影響拙绊。

Listing 3-4 是一個(gè)示例代碼向图，通過創(chuàng)建并配置一個(gè) MTLSamplerDescriptor 對(duì)象來創(chuàng)建一個(gè) MTLSamplerState 對(duì)象，其中定義了這個(gè)描述符的濾波和尋址模式屬性标沪。然后調(diào)用了 newSamplerStateWithDescriptor:榄攀，利用采樣描述符創(chuàng)建了一個(gè)采樣狀態(tài)對(duì)象。

// create MTLSamplerDescriptor
MTLSamplerDescriptor *desc = [[MTLSamplerDescriptor alloc] init];
desc.minFilter = MTLSamplerMinMagFilterLinear;
desc.magFilter = MTLSamplerMinMagFilterLinear;
desc.sAddressMode = MTLSamplerAddressModeRepeat;
desc.tAddressMode = MTLSamplerAddressModeRepeat;
//  all properties below have default values
desc.mipFilter        = MTLSamplerMipFilterNotMipmapped;
desc.maxAnisotropy    = 1U;
desc.normalizedCoords = YES;
desc.lodMinClamp      = 0.0f;
desc.lodMaxClamp      = FLT_MAX;
// create MTLSamplerState
id <MTLSamplerState> sampler = [device newSamplerStateWithDescriptor:desc];

維護(hù) CPU 與 GPU 內(nèi)存間相干性

CPU 和 GPU 均能訪問一個(gè) MTLResource 對(duì)象的底層存儲(chǔ)金句，但是 GPU 和主 CPU 的操作是異步的檩赢，所以在使用主 CPU 方法訪問這些資源的存儲(chǔ)時(shí)要牢記下面的要點(diǎn)。

當(dāng)執(zhí)行一個(gè) MTLCommandBuffer 對(duì)象時(shí)违寞，MTLDevice 對(duì)象僅能保證在 MTLCommandBuffer 對(duì)象被提交之前觀察到主機(jī) CPU 對(duì)這個(gè) MTLCommandBuffer 引用到的 MTLResource 對(duì)象所指向的內(nèi)存空間的任何改動(dòng)贞瞒。一旦相應(yīng)的 MTLCommandBuffer 被提交，則 MTLDevice 就無法再觀察到主 CPU 對(duì)資源所做的修改（即趁曼，MTLCommandBuffer 對(duì)象的 status 為 MTLCommandBufferStatusCommitted）军浆。

類似的，在 MTLDevice 執(zhí)行完一個(gè) MTLCommandBuffer 對(duì)象后挡闰，主 CPU 僅在命令緩沖完全被完成時(shí)乒融，才能保證觀察到 MTLDevice 通過命令緩沖對(duì)任何引用到的資源內(nèi)存空間的修改（即，MTLCommandBuffer 對(duì)象的 status 為 MTLCommandBufferStatusCompleted）摄悯。