面试题：Swift中利用Metal框架进行高性能图像处理与绘制

Metal框架工作流程

设备与命令队列创建：
- 获取默认的Metal设备。
- 创建命令队列用于提交渲染命令。
渲染管道创建：
- 加载顶点和片段着色器函数。
- 创建渲染管道描述对象，设置顶点函数、片段函数、颜色格式等属性。
- 使用设备创建渲染管道状态对象。
纹理数据处理：
- 将图片数据加载为MTLTexture。这可能涉及从UIImage转换为CGImage，再转换为MTLTexture。
- 在片段着色器中使用纹理采样器对纹理进行采样，以获取像素数据进行边缘检测。
渲染循环：
- 创建渲染命令编码器，设置渲染目标等。
- 设置顶点数据（通常是一个简单的全屏四边形）。
- 调用渲染管道状态对象进行渲染。
- 结束渲染命令编码并将命令提交到命令队列。

大致代码结构与关键函数调用

import MetalKit

class MetalViewController: UIViewController, MTKViewDelegate {
    var device: MTLDevice!
    var commandQueue: MTLCommandQueue!
    var pipelineState: MTLRenderPipelineState!
    var texture: MTLTexture!

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()

        let metalView = view as! MTKView
        metalView.delegate = self
        device = MTLCreateSystemDefaultDevice()
        commandQueue = device.makeCommandQueue()

        loadTexture()
        createPipelineState()
    }

    func loadTexture() {
        guard let image = UIImage(named: "yourImage") else { return }
        guard let cgImage = image.cgImage else { return }

        let textureLoader = MTKTextureLoader(device: device)
        do {
            texture = try textureLoader.newTexture(cgImage: cgImage, options: nil)
        } catch {
            print("Error loading texture: \(error)")
        }
    }

    func createPipelineState() {
        let library = device.makeDefaultLibrary()!
        let vertexFunction = library.makeFunction(name: "vertexShader")
        let fragmentFunction = library.makeFunction(name: "fragmentShader")

        let pipelineStateDescriptor = MTLRenderPipelineDescriptor()
        pipelineStateDescriptor.vertexFunction = vertexFunction
        pipelineStateDescriptor.fragmentFunction = fragmentFunction
        pipelineStateDescriptor.colorAttachments[0].pixelFormat =.bgra8Unorm

        do {
            pipelineState = try device.makeRenderPipelineState(descriptor: pipelineStateDescriptor)
        } catch {
            print("Error creating pipeline state: \(error)")
        }
    }

    func mtkView(_ view: MTKView, drawableSizeWillChange size: CGSize) {
        // 处理视图大小变化
    }

    func draw(in view: MTKView) {
        guard let drawable = view.currentDrawable,
              let commandBuffer = commandQueue.makeCommandBuffer(),
              let renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor else { return }

        let encoder = commandBuffer.makeRenderCommandEncoder(descriptor: renderPassDescriptor)
        encoder.setRenderPipelineState(pipelineState)
        encoder.setFragmentTexture(texture, index: 0)

        let vertexData: [Float] = [
            -1.0, -1.0, 0.0, 0.0, 0.0,
            1.0, -1.0, 0.0, 1.0, 0.0,
            -1.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0,
            1.0, 1.0, 0.0, 1.0, 1.0
        ]

        let vertexBuffer = device.makeBuffer(bytes: vertexData, length: vertexData.count * MemoryLayout<Float>.stride, options:.cpuCacheModeDefaultCache)
        encoder.setVertexBuffer(vertexBuffer, offset: 0, index: 0)

        encoder.drawPrimitives(type:.triangleStrip, vertexStart: 0, vertexCount: 4)
        encoder.endEncoding()

        commandBuffer.present(drawable)
        commandBuffer.commit()
    }
}

// 顶点着色器示例
// vertex float4 vertexShader(constant Vertex *vertices [[buffer(0)]],
//                            uint vid [[vertex_id]])
// {
//     Vertex v = vertices[vid];
//     return float4(v.position, 1.0);
// }

// 片段着色器示例，简单的边缘检测可通过Sobel算子等实现
// fragment float4 fragmentShader(texture2d<float> inputTexture [[texture(0)]],
//                                sampler inputSampler [[sampler(0)]],
//                                float2 fragCoord [[position]])
// {
//     constexpr sampler s(address::clamp_to_edge, filter::linear);
//     float4 color = inputTexture.sample(s, fragCoord);
//     // 在此添加边缘检测逻辑
//     return color;
// }

上述代码中，MetalViewController负责管理Metal渲染相关的对象和操作。loadTexture方法加载图片为纹理，createPipelineState方法创建渲染管道状态。draw方法在每次视图重绘时执行渲染操作。顶点和片段着色器需根据具体需求编写，示例中的片段着色器仅简单采样纹理颜色，实际边缘检测需添加相关算法。

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面试题：Swift中利用Metal框架进行高性能图像处理与绘制

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Metal框架工作流程

大致代码结构与关键函数调用