我将要将使用C ++编写的OpenGL的iOS应用移植到Apple的Metal。目标是完全摆脱OpenGL，并用Metal取代它。
OpenGL代码分层了，我正试图替换渲染器，即实际调用OpenGL函数的类。但是，整个代码库都使用GLM数学库来表示向量和矩阵。
例如，有一个摄像机类提供视图和投影矩阵。它们都属于glm::mat4类型，并被简单地传递到GLSL顶点着色器，在这里它们与GLSL给定的mat4数据类型兼容。我想利用该相机类，因为它是将那些矩阵发送到Metal顶点着色器。现在，我不确定glm::mat4是否与Metal的float4x4兼容。
我没有一个可以在其中进行测试的示例，因为我实际上只是从Metal入手，找不到任何有用的在线信息。
所以我的问题如下：
glm::mat4和glm::vec4的GLM类型是否与Metal的float4x4 / float4兼容？问题2的背景是我遇到了Apple的SIMD库，该库提供了另一组在这种情况下无法使用的数据类型，对吗？
该应用程序仅是iOS，我根本不在乎在macOS上运行Metal。
非常欢迎使用代码段（最好是Objective-C（是，不要开玩笑））。
答案 0 :(得分：1)
总体而言，答案是是，GLM非常适合使用Apple Metal的应用程序。但是，有几件事需要考虑。评论中已经暗示了其中一些内容。
金属将其归一化设备坐标（NDC）系统定义为2x2x1立方体，其中心位于（0，0，0.5）
这意味着Metal NDC坐标与OpenGL NDC坐标不同，因为OpenGL将NDC坐标系定义为中心为(0, 0, 0)的2x2x2立方体，即有效OpenGL NDC坐标必须在
// Valid OpenGL NDC coordinates
-1 <= x <= 1
-1 <= y <= 1
-1 <= z <= 1
由于GLM最初是为OpenGL量身定制的，因此其glm::ortho和glm::perspective函数可创建投影矩阵，将坐标转换为OpenGL NDC坐标。因此，有必要将这些坐标调整为“金属”。 this博客文章中概述了如何实现这一目标。
但是，有一种更优雅的方法来固定这些坐标。有趣的是，Vulkan使用了与Metal相同的NDC坐标系，并且GLM已被改编为可与Vulkan一起使用（此here的提示）。
通过定义C / C ++预处理程序宏GLM_FORCE_DEPTH_ZERO_TO_ONE，提到的GLM投影矩阵函数将转换坐标以与Metal的/ Vulkan的NDC坐标系统一起使用。因此#define将解决NDC坐标系不同的问题。
接下来，在Metal着色器和客户端（CPU）代码之间交换数据时，必须同时考虑GLM和Metal数据类型的大小和对齐方式，这一点很重要。 Apple的Metal Shading Language Specification列出了其数据类型的 some 的大小和对齐方式。
对于其中未列出的数据类型，大小和对齐方式可以通过使用C / C ++的sizeof和alignof运算符来确定。有趣的是，Metal着色器支持两个运算符。这是GLM和Metal的两个示例：
// Size and alignment of some GLM example data types
glm::vec2 : size: 8, alignment: 4
glm::vec3 : size: 12, alignment: 4
glm::vec4 : size: 16, alignment: 4
glm::mat4 : size: 64, alignment: 4
// Size and alignment of some of Metal example data types
float2 : size: 8, alignment: 8
float3 : size: 16, alignment: 16
float4 : size: 16, alignment: 16
float4x4 : size: 64, alignment: 16
packed_float2 : size: 8, alignment: 4
packed_float3 : size: 12, alignment: 4
packed_float4 : size: 16, alignment: 4
从上表可以看出，GLM向量数据类型在大小和对齐方式上与Metal的打包向量数据类型非常匹配。但是请注意，在对齐方式上4x4矩阵数据类型不匹配。
根据this对另一个SO问题的回答，对齐表示以下含义：
对齐方式是对可以存储值的第一个字节的存储位置的限制。 （需要提高处理器的性能，并允许使用某些仅适用于具有特定对齐方式的数据的指令，例如SSE必须对齐为16个字节，而AVX必须对齐为32个字节。）
16的对齐表示唯一的有效地址是16的倍数的内存地址。
因此，在将4x4矩阵发送到Metal着色器时，我们需要谨慎考虑不同的对齐方式。让我们看一个例子：
以下Objective-C结构充当缓冲区，用于存储要发送到Metal顶点着色器的统一值：
typedef struct
{
glm::mat4 modelViewProjectionMatrix;
glm::vec2 windowScale;
glm::vec4 edgeColor;
glm::vec4 selectionColor;
} SolidWireframeUniforms;
此结构定义在客户端文件（即CPU端）代码中所需的头文件中。为了能够在“金属”顶点着色器侧使用这些值，我们需要一个相应的数据结构。在此示例中，Metal顶点着色器部分如下所示：
#include <metal_matrix>
#include <metal_stdlib>
using namespace metal;
struct SolidWireframeUniforms
{
float4x4 modelViewProjectionMatrix;
packed_float2 windowScale;
packed_float4 edgeColor;
packed_float4 selectionColor;
};
// VertexShaderInput struct defined here...
// VertexShaderOutput struct defined here...
vertex VertexShaderOutput solidWireframeVertexShader(VertexShaderInput input [[stage_in]], constant SolidWireframeUniforms &uniforms [[buffer(1)]])
{
VertexShaderOutput output;
// vertex shader code
}
要将数据从客户端代码传输到Metal着色器，请将统一结构打包到缓冲区中。以下代码显示了如何创建和更新该缓冲区：
- (void)createUniformBuffer
{
_uniformBuffer = [self.device newBufferWithBytes:(void*)&_uniformData length:sizeof(SolidWireframeUniforms) options:MTLResourceCPUCacheModeDefaultCache];
}
- (void)updateUniforms
{
dispatch_semaphore_wait(_bufferAccessSemaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
SolidWireframeUniforms* uniformBufferContent = (SolidWireframeUniforms*)[_uniformBuffer contents];
memcpy(uniformBufferContent, &_uniformData, sizeof(SolidWireframeUniforms));
dispatch_semaphore_signal(_bufferAccessSemaphore);
}
请注意用于更新缓冲区的memcpy调用。如果GLM和Metal数据类型的大小和对齐方式不匹配，则可能会出错。由于我们只是将Objective-C结构的每个字节复制到缓冲区，然后在Metal着色器侧，再次解释该数据，如果数据结构不匹配，则数据将在Metal着色器侧被误解。
在该示例中，内存布局如下所示：
104 bytes
|<--------------------------------------------------------------------------->|
| |
| 64 bytes 8 bytes 16 bytes 16 bytes |
| modelViewProjectionMatrix windowScale edgeColor selectionColor |
|<------------------------->|<----------->|<--------------->|<--------------->|
| | | | |
+--+--+--+------------+--+--+--+-------+--+--+-----------+--+--+----------+---+
Byte index | 0| 1| 2| ... |62|63|64| ... |71|72| ... |87|88| ... |103|
+--+--+--+------------+--+--+--+-------+--+--+-----------+--+--+----------+---+
^ ^ ^
| | |
| | +-- Is a multiple of 4, aligns with glm::vec4 / packed_float4
| |
| +-- Is a multiple of 4, aligns with glm::vec4 / packed_float4
|
+-- Is a multiple of 4, aligns with glm::vec2 / packed_float2
除4x4 matix对齐方式外，其他所有内容都匹配良好。 4x4矩阵的未对齐在这里没有问题，在上述内存布局中可见。但是，如果统一结构得到修改，则对齐或大小可能会成为问题，并且可能需要填充以使其正常工作。
最后，还有其他需要注意的地方。数据类型的对齐会影响需要为统一缓冲区分配的大小。由于SolidWireframeUniforms结构中出现的最大对齐方式是16，因此似乎统一缓冲区的长度也必须是16的倍数。
在上面的示例中情况并非如此，缓冲区长度为104字节，不是16的倍数。直接从Xcode运行应用程序时，内置的断言将显示以下消息：
validateFunctionArguments：3478：断言失败顶点功能（solidWireframeVertexShader）：缓冲区（1）的偏移量为[0]且偏移量为（0）和长度为（104）的参数统一[0]有104个字节的空间，但参数有一个长度（112） 。'
为了解决这个问题，我们需要使缓冲区的大小为16字节的倍数。为此，我们只需根据所需的实际长度计算下一个16的倍数。对于104来说将是112，这就是上面的断言还告诉我们的。
以下函数为指定整数计算16的下一个倍数：
- (NSUInteger)roundUpToNextMultipleOf16:(NSUInteger)number
{
NSUInteger remainder = number % 16;
if(remainder == 0)
{
return number;
}
return number + 16 - remainder;
}
现在，我们使用上述函数来计算统一缓冲区的长度，该函数将更改缓冲区创建方法（如上所示），如下所示：
- (void)createUniformBuffer
{
NSUInteger bufferLength = [self roundUpToNextMultipleOf16:sizeof(SolidWireframeUniforms)];
_uniformBuffer = [self.device newBufferWithBytes:(void*)&_uniformData length:bufferLength options:MTLResourceCPUCacheModeDefaultCache];
}
那应该解决上述断言检测到的问题。
答案 1 :(得分：0)
是否有与Metal兼容的GLM类型，例如glm :: mat4和glm :: vec4 float4x4 / float4？
是的，您可以使用此库。
如果问题1的答案是肯定的，我是否有任何不利之处，如果 我可以在Metal着色器中直接使用GLM类型吗？
也许只是在性能方面。
基于this文档：
SIMD库独立于Metal和MetalKit，但高度 推荐用于开发Metal应用，主要是因为其便利性和 性能优势。