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Metal - 2. 3D 模型深度解析

news 2025/9/24 10:23:47

欢迎回到我们的 Metal 学习之旅！在上一章中，我们初步探索了渲染管线，并成功绘制了一个基本图元。本章将深入探讨 3D 模型的构成、文件格式，以及 Metal 如何利用 顶点描述符（Vertex Descriptors） 和 子网格（Submeshes） 高效地管理这些复杂数据。

一、 3D 模型的构成要素

3D 模型是构建虚拟场景的基础，它们本质上是由定义其在三维空间中位置的一系列**顶点（Vertices）**构成的。

1. 顶点、面与三角形

顶点 (Vertices)：每个顶点通过 $x, y, z$ 三个值确定其在 3D 空间中的精确位置。
网格 (Mesh)：一个模型由点（Vertices）、线（Lines 或 Edges）和面（Faces，即三角形）组成。
三角形的重要性：GPU 硬件专门设计用于高效地处理三角形（Triangles）。无论 3D 建模师在建模软件中（如 Blender）使用四边形（Quads，四点多边形），这些多边形在导入时通常都会被 Model I/O 框架转换为三角形，因为这是 GPU 的原生处理图元。
细节表现：模型拥有的三角形数量越多，曲面看起来就越平滑，否则物体可能会显得“块状”（blocky）。为了展示更小的细节，模型通常还会使用纹理（Textures）。

2. 环绕顺序与背面剔除 (Winding Order and Culling)

当定义构成一个面的三个顶点时，它们的顺序（即环绕顺序）至关重要。

环绕顺序（Winding Order）：如果顶点的顺序是**逆时针（counter-clockwise）**定义的，则该三角形通常被视为面向观察者（front-faced）。
背面剔除（Culling）：渲染管线（将在下一章详细介绍）可以利用环绕顺序信息，忽略或“剔除”那些背向观察者的三角形（back-faced），从而节省 GPU 处理时间。

二、 3D 文件格式与模型加载

为了让 Metal 能够使用模型，我们通常依赖 Model I/O 框架来加载 3D 模型，并将其转换为 MetalKit (MTKMesh) 可以使用的格式。

1. 常见文件格式概览

虽然有许多文件格式（例如 Pixar 的 USD/USDZ 格式，Apple AR 模型的标准格式；Khronos 的 .glTF 格式；Autodesk 的 .fbx 格式），但 .obj 格式因其文本性和通用性而常用于教学。

2. `.obj` 文件格式详解

.obj 文件是一个纯文本文件，描述了模型的几何形状：

指令	描述	示例解析
`mtllib`	材质库引用：指定配套的 `.mtl` 文件名，该文件包含材质细节和纹理文件名。	`mtllib plane.mtl`
`o`	对象定义：通常对应于 Metal 中的网格（MDLMesh）。	`o train`
`g`	组：开始一个顶点组，通常对应于 Metal 中的子网格（Submesh）。	`g submesh`
`v`	顶点 (Vertex) 位置：定义三维空间中的 $(x, y, z)$ 坐标。	`v 0 0.5 -0.5`
`vn`	表面法线 (Surface Normal)：一个正交向量，指向曲面外部，用于光照计算。	`vn -1 0 0`
`vt`	UV 坐标 (Texture Coordinate)：二维坐标 $(u, v)$ ，用于确定顶点在 2D 纹理上的位置。	`vt 1 0`
`f`	面 (Face)：定义构成三角形的面，通过索引（vertex/texture/normal index）指定组成该面的元素。	（例如：`f 1/1/1 2/2/1 3/3/1`）

3. `.mtl` 文件格式详解

.mtl（Material Template Library）文件描述了模型表面的材质属性，例如表面是光滑还是粗糙，以及它的颜色：

newmtl [名称]：开始一个新的材质组。
Kd：漫反射颜色 (Diffuse Color)。定义物体在光照下的基础颜色。
Ka：环境光颜色 (Ambient Color)。模拟环境照明的颜色。
Ks：镜面反射颜色 (Specular Color)。是反射高光的颜色，常用于模拟高光。
Ni：折射率 (Refractive Index) - 光线折射。
d：溶解度/透明度 (Dissolve/Alpha)。1.0完全不透明。
illum：光照模型 (Illumination Model):。 0 = 无光照、1 = 只有漫反射、2 = 漫反射+镜面反射 (最常用)、3+ = 更复杂的光照模型

4. 文件格式在代码中的数据体现

train.obj
在这里插入图片描述

为什么_vertexCount=1671，而不是v的数量1521？

在 .obj 文件中（CPU 友好的方式）：数据是分离存储的。你可以把它想象成三个独立的数组：

v 数组 (所有位置)
vt 数组 (所有纹理坐标)
vn 数组 (所有法线)

f 行（面）就像一个指令，它告诉你：“去 v 数组的第 X 个位置，去 vt 数组的第 Y 个位置，去 vn 数组的第 Z 个位置，把这三个属性组合起来，形成一个完整的顶点。”这种方式非常灵活，节省空间，因为可以复用相同的位置、纹理坐标或法线。

在 Metal/Vulkan/OpenGL 中（GPU 友好的方式）：GPU 为了达到极高的渲染效率，要求顶点数据是连续打包的。它不希望在渲染一个三角形时，去三个不同的内存地址读取数据。它想要的是一个巨大的、连续的顶点缓冲区（Vertex Buffer）。这个缓冲区里的每一个元素，就是一个完整的顶点结构体，比如：

struct Vertex {float3 position;float2 texCoord;float3 normal;
}

GPU 在渲染时，会像流水线一样高效地读取这个连续的缓冲区。

MDLAsset 加载 .obj 文件的过程，就是把 CPU 友好的分离数据，转换成 GPU 友好的连续打包数据的过程。这个过程大致如下：

创建一个空的、最终要给 GPU 的 vertexBuffer。
创建一个空的、最终要给 GPU 的 indexBuffer。
遍历 .obj 文件中的每一个 f 行（的每一个顶点定义，例如 f v1/vt1/vn1 v2/vt2/vn2 v3/vt3/vn3）。
对于 v1/vt1/vn1 这个组合：
- 检查：我之前见过 v1、vt1、vn1 这个一模一样的组合吗？
  - 如果没有：从 .obj 的数据中，把 v1 的位置、vt1 的纹理坐标、vn1 的法线拿出来。打包成一个 Vertex 结构体。将这个新的 Vertex 追加到 vertexBuffer 的末尾。记录下它在 vertexBuffer 中的新索引（比如是第 i 个）。将这个新索引 i 追加到 indexBuffer 中。
  - 如果见过：直接找到之前那个组合在 vertexBuffer 中的索引（比如是第 j 个）。将索引 j 追加到 indexBuffer 中。

所以，独一无二的 (位置, 纹理坐标, 法线) 组合，就是_vertexCount的数量，可以通过如下命令计算：

awk '/^f / {for(i=2; i<=NF; i++) unique[$i]++} END {print length(unique)}' "train.obj"

为什么_submeshes是6 elements？

每个usemtl材质定义创建一个submesh

为什么Wheel Mesh的indexCount=4944？

总共824个面，每个面定义4个顶点（四边形），四边形会被自动三角化成2个三角形，所以：824个四边形 = 1648个三角形，1648个三角形 × 3个顶点 = 4944个索引

三、模型组织：子网格 (Submeshes)

在 Metal 中，模型网格可以被划分为一个或多个 子网格。

1. 材质组与子网格的对应关系

在 3D 建模软件中，艺术家通常会根据模型的不同表面属性将其划分为不同的材质组（Material Groups）。在导入 Metal 时，这些材质组对应于 MTKMesh 中的 子网格。

2. 索引绘制与效率

子网格的核心价值在于其存储了索引信息（Index Buffer）。

索引绘制：一个模型可能包含多个子网格。每个子网格都包含索引，这些索引指向**顶点缓冲区（MTLBuffer）**中的特定顶点数据。
重用顶点：通过索引绘制，一个顶点可以被多个子网格多次引用和渲染，避免了在 GPU 内存中存储重复的顶点数据，提高了内存带宽效率。
渲染子网格：当渲染一个多材质模型（如火车模型）时，需要循环遍历模型的所有子网格，并为每个子网格发出一个绘制调用 (drawIndexedPrimitives)，同时提供正确的索引缓冲区偏移量 (indexBufferOffset)。

四、核心 Metal 数据结构：顶点描述符 (Vertex Descriptors)

顶点描述符（Vertex Descriptor） 是 Metal 中一个至关重要的配置，它定义了 GPU 应该如何解释和读取顶点缓冲区中的原始数据流。

1. 描述符的作用和类型

顶点描述符告诉 GPU 各种顶点属性（例如位置、法线、纹理坐标）的内存布局：

MTLVertexDescriptor：这是 Metal 侧的描述符，用于在创建 管线状态对象（PSO） 时，通知 GPU 期望的顶点数据格式。
MDLVertexDescriptor：这是 Model I/O 侧的描述符，用于指导 Model I/O 框架如何从文件（如 .obj）中读取数据并将其组织成缓冲区。

在实践中，我们通常先配置 MDLVertexDescriptor 来加载模型，然后使用 MTKMetalVertexDescriptorFromModelIO() 函数将其转换为 MTLVertexDescriptor 供管线使用。

2. 关键属性定义

顶点描述符主要通过配置**属性（Attributes）和布局（Layouts）**来定义数据结构：

属性配置 (Attributes)	描述
Format	属性的数据类型，例如位置数据通常加载为 `float3` (三个浮点值)。
Offset	属性在单个顶点数据块中的起始字节偏移量。
Buffer Index	属性所在的 `MTLBuffer` 索引。Metal 有一个缓冲区参数表，可通过索引访问（例如，位置可能在索引 0）。
Layouts 配置
Stride	决定了从一个顶点数据块跳到下一个顶点数据块所需的字节数。它定义了每个顶点数据块的总长度。

例如，如果只发送位置数据 (float3)，则步幅 (Stride) 将是 MemoryLayout<SIMD3<Float>>.stride。如果数据是**交错（interleaved）**的（位置、法线、颜色），则步幅是所有属性长度的总和。
在这里插入图片描述

3. 顶点属性绑定到着色器

在着色器端，我们使用 [[attribute(n)]] 属性限定符来匹配描述符中定义的属性索引。例如，float4 position [[attribute(0)]] 会匹配顶点描述符中索引为 0 的属性。

五、 Metal 坐标系统 (Metal Coordinate System)

Metal 渲染发生在特定的坐标空间中。

原点 (Origin)：模型自带的原点通常位于 $$。
规范化设备坐标 (NDC)：Metal NDC 是一个标准化的立方体空间，GPU 只会渲染位于此范围内的顶点。
- $X$ 轴（左右）：范围从 $- 1.0$ 到 $1.0$ 。
- $Y$ 轴（上下）：范围从 $- 1.0$ 到 $1.0$ 。
- $Z$ 轴（深度）：范围从 $0$ （近）到 $1$ （远）。
左手坐标系 (Left-Handed Coordinate System)：Metal 使用左手坐标系，其中 $X$ 轴向右， $Y$ 轴向上， $Z$ 轴指向屏幕内部（即前面）。这与 OpenGL 使用的右手坐标系（ $Z$ 轴方向相反）不同。

在这里插入图片描述

六、 Metal 与 OpenGL API 对比

以下是 Metal 和 OpenGL 在处理 3D 模型数据结构和状态管理方面的对比。

1. 顶点数据描述和绑定

概念	Metal API/机制	OpenGL API/机制	核心差异
顶点数据存储	使用 `MTLBuffer` 存储顶点（包括位置、法线等）和索引数据。	存储在 VBO (Vertex Buffer Object) 中。索引数据通常存储在 EBO (Element Buffer Object) 中。
数据布局描述	使用 `MTLVertexDescriptor` 对象来定义所有顶点属性（如格式、偏移量、步幅）的内存布局。	通过调用 `glVertexAttribPointer` 来定义每个属性的内存布局（大小、类型、步幅、偏移量）。	Metal 使用一个描述符对象来固化状态；OpenGL 使用函数调用来修改全局上下文状态，必须为每个属性单独调用函数。
状态封装	布局信息被封装并固定在 `MTLRenderPipelineState` (PSO) 中。	顶点配置通常被封装在 VAO (Vertex Array Object) 中。VAO 存储了 VBO/EBO 绑定状态以及所有 `glVertexAttribPointer` 调用状态。
属性激活	属性通过描述符和着色器中的 `[[attribute(n)]]` 限定符隐式匹配和激活。	必须显式调用 `glEnableVertexAttribArray(location)` 来激活每个顶点属性。

2. 坐标系统和深度

概念	Metal	OpenGL	差异与洞察
坐标系	左手坐标系（ $Z$ 轴指向屏幕内部）。	右手坐标系（ $Z$ 轴指向屏幕外部）。	方向相反，需要不同的投影矩阵。
NDC $Z$ 轴范围	$0.0$ (近平面) 到 $1.0$ (远平面)。	$- 1.0$ (近平面) 到 $1.0$ (远平面)。	Metal 对深度值的粒度处理范围更小（1个单位）。