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3DCG

Metal と OpenGL

OpenGL はネット上で独学できるリソースが転がっているのがいいなあ。

『独学で一ヶ月間 OpenGL を学んで得た基礎知識のまとめ』

このシリーズは、初学者向け。軽快な口調で読みやすい。

Metal はなあ・・・（遠い目）。

メモ

某プロジェクトでキモになるのはシェーダーへの頂点データの渡し方。

具体的には、以下の for in ループで以下のように渡している。

      for mesh in model.meshes {
        let vertexBuffer = mesh.mtkMesh.vertexBuffers[0].buffer
        renderEncoder.setVertexBuffer(vertexBuffer, offset: 0,
                                      index: 0)

        for submesh in mesh.submeshes {
          let mtkSubmesh = submesh.mtkSubmesh
          renderEncoder.drawIndexedPrimitives(type: .triangle,
                                              indexCount: mtkSubmesh.indexCount,
                                              indexType: mtkSubmesh.indexType,
                                              indexBuffer: mtkSubmesh.indexBuffer.buffer,
                                              indexBufferOffset: mtkSubmesh.indexBuffer.offset)
        }
      }

mtkMesh が良い感じに効いていると思うのだが、なんらかの事情でこれが使えない場合はどうするのか？？？

たまにはリアル勉強会にも参加しよう

・・・などと Metal 関係については、たいそう歯切れ悪く書いていたが、現在は、いくらか改善された。

というのはたまたま参加した iOS/MacOS の勉強会で、軽くレクチャーを受けたらこの分野の理解がかなり深まったから。

それまでは、これまで同様、ある程度理解した後に、サンプル作成して理解を深めようと思っていたのだが、こと、この分野に関してはそれでは効率的でないようだ。

画像処理、特に 3DCG の領域では、プログラミング的な能力より、数理的な理論の理解の方が重要なので、理解度が足踏みしていると感じたら、分かっている人に聞くのも一つの手でしょう。

 

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Objective-C から Swift へ

Obj-C と Swift を行ったり来たりする時、気にしておいた方がいいポイント。

・・の前に

Obj-C → Swift コンバータ

世間的には Swift ユーザーの方が多い。しかし、既存プロジェクトは Obj-C で書かれている。
という現状なので、（あるんじゃないかと予想はしていたのだが）やはり Obj-C → Swift 自動変換ツールはあるようです。

こちらの記事などどうぞ。

メソッドのラベル

Swift の良い点の一つが、メソッドのラベルがわかりやすいところ。

Obj-C で

[img drawInRect:rect blendNode:mode alpha:alpha]

と書いていたところが、Swift では

img.draw(in:rect blendNode:mode alpha:alpha)

となる。

Obj-C ではメソッドに第一引数が含まれているから、若干わかりにくい。

Swift は型にうるさくない？

ところで Swift 使っていない人ほど見出しのように誤解している。
スクリプト系の言語っぽい雰囲気出してるからかなあ？
単純に使ってないだけ？

実際には、Swift の方が C より変数の型にうるさいです。

コマンドライン実行環境

このブログでは、けっこう言っているし、実演もしていると思うのだが、ワイは（Swift に限らず）簡単なプログラムをコマンドラインで実行することがよくある。

なので、実行環境の整備の仕方。

Swift の場合は Mac のターミナルや VS code のターミナルから swift -v と打ち込むと

swift -v
Apple Swift version 5.7.2 (swiftlang-5.7.2.135.5 clang-1400.0.29.51)
Target: arm64-apple-macosx13.0
/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin/swift-help intro

Welcome to Swift!

Subcommands:

  swift build      Build Swift packages
  swift package    Create and work on packages
  swift run        Run a program from a package
  swift test       Run package tests
  swift repl       Experiment with Swift code interactively

  Use `swift --help` for descriptions of available options and flags.

  Use `swift help ` for more information about a subcommand.

と表示される。
（表示されない場合は、コマンドラインツールがインストールされていない、などの不備がある。準備する）

上では swift build コマンドが表示されているが、もっと簡単には swiftc コマンドを使う。

hello.swift
print("hello Swift")

というプログラムがあったとき、swiftc hello.swift を実行すると hello という実行ファイルを作ってくれる。

VS code だとこんな感じになる。

実行できてますね。

Foundation フレームワークと C 標準ライブラリの機能は、特に指示しなくても使えるようです。

なお、ファイルの冒頭に #!/usr/bin/swift を付加してファイル自体に実行権限を与えるとシェルスクリプトっぽく使える。
実際にこの使い方をするかどうかは微妙ですが。

$0 とかいう書き方が気持ち悪い

この記事参照。

zip とか map とか

zip や map も Obj-C では全く出てこない。

この記事参照。

 

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3DCG 変換行列

3DCG で頻出の各種行列について、メモ。

・・・するつもりだったのだが、イマドキの API は一度各種行列の形を決めておけば、行列の中身を知らなくても、どうにかこうにかコーディング自体はできそう。

例えば、Metal であれば、以下のコードの vertxIn.position で示されたモデルの各点は（一度、projectionMatrix などを書いておけば）

float4 position = uniforms.projectionMatrix * uniforms.viewMatrix
  * uniforms.modelMatrix * vertexIn.position;

の変換で float4 position に移される。

だから、これをシェーダーに書いておけばいい、という寸法だ。

この時、ややこしいとされている uniforms.projectionMatrix の要素を具体的に知らなくても必須パラメータの設定ができていれば、正しく動作する。

まず、最低限、理解すべきは

・M → V → P の流れ

・M に関しては Translation・Rotatio・Scale を意味する行列の積で表現できる

ことなのだろう。

Swift における行列の取り扱い

というわけで、これ。

let x = simd_double4(x: 10, y: 20, z: 30, w: 40)
let y = simd_double4(x: 1, y: 2, z: 3, w: 4)

/*
 A matrix of two columns and four rows:
 
     10  1
     20  2
     30  3
     40  4
 */
let a = simd_double2x4([x, y]) // columns

/*
 A matrix of four columns and two rows:

    10  20  30  40
    1   2   3   4
*/
let b = simd_double4x2(rows: [x, y])

projectionMatrix

これを踏まえて、projectionMatrix p を考える。

let y = 1 / tan(fov * 0.5)
let x = y / aspect
let z = lhs ? far / (far - near) : far / (near - far)
let X = float4( x, 0, 0, 0)
let Y = float4( 0, y, 0, 0)
let Z = lhs ? float4( 0, 0, z, 1) : float4( 0, 0, z, -1)
let W = lhs ? float4( 0, 0, z * -near, 0) : float4( 0, 0, z * near, 0)

let p = simd_float4x4([X, Y, Z, W])//columns

でしょうか。

viewMatrix

これも小理屈がある。
移動・拡大・回転の行列を translateMatrix, scaleMatrix, rotateMatrix としたとき、viewMatrix は

(translateMatrix * scaleMatrix * rotateMatrix).inverse//inverse 逆行列

でいいらしい。

（続く）

 

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たまには新規プロジェクトをおこそう

久しぶりに cocoa プロジェクトを新規に起こしたのだが、序盤でビルドしたところ

Undefined symbols for architecture arm64:
“_OBJC_CLASS_$_MTKView”

のエラーが・・・。

なんのことはない Metal のフレームワーク入れ忘れてた。

 

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cocoa Core Graphics 関係

MacOS の新しい画像ライブラリは Metal だが、２次元に限定されてしまうが、使いやすいのは Core Graphics だろう。

なのだが、情報が乏しいのなんのって。

iOS 系のサンプルや公式ドキュメントを参考に MacOS 向けの簡単なサンプルコードを書いてみた。

簡単な描画サンプル


- (void)drawRect:(CGRect)dirtyRect {
    
    //[super drawRect:dirtyRect];//不要のようだ
     NSGraphicsContext* nsgc = [NSGraphicsContext currentContext];
     CGContextRef context = [nsgc CGContext];
    
     CGColorSpaceRef space = CGColorSpaceCreateDeviceRGB();
    double col[4],col2[4];
     col[0] = 1.0;col[1] = 1.0;col[2] = 0.5;col[3] = 1.0;
    col2[0] = 1.0;col2[1] = 0.0;col2[2] = 0.0;col2[3] = 0.8;
     CGColorRef color = CGColorCreate(space,col);
    CGColorRef color2 = CGColorCreate(space,col2);
     //透明レイヤー開始
     //CGContextBeginTransparencyLayer(context, nil);

     //パスの描画を開始
     CGContextBeginPath(context);
     float startAngle = -M_PI/2;
     float endAngle = startAngle + (M_PI * 2.0) * 0.5;
     CGContextMoveToPoint(context, 100, 100);
     CGContextAddArc(context, 100, 100, 50.0f, startAngle, endAngle, clockwise);
     CGContextClosePath(context);
     CGContextSetFillColorWithColor(context, color);
     CGContextDrawPath(context, kCGPathFill);
    
    CGContextBeginPath(context);
    CGContextMoveToPoint(context, 0, 0);
    //CGContextSetStrokeColor(context, col2);
    CGContextSetLineWidth(context,2.0);
    CGContextAddLineToPoint(context, 100, 100);
    CGContextAddLineToPoint(context, 150, 50);
    CGContextDrawPath(context, kCGPathStroke);

     //透明レイヤー終了
     //CGContextEndTransparencyLayer(context);
    
    CGColorRelease(color);

}

Metal に比べると実に簡単。
点を打ってラインで繋ぎ・・・というふうに本当に直感的。
これでアイキャッチのような図形が描画できる。

なお、cocoa 系の Core Graphics の座標系は以下の通り。

clockwise は 1 と定義してます。

Core Graphics が Quartz???

ところで、Core Graphics は Quartz の枠組みを踏襲しているようだが、その実装は CPU レンダリング主体、少なくとも OpenGL 絡みは使っていないはずで、今後も安心して使えると思うのだが、そこらへん、曖昧に説明しているサイトがあったりして「は？」となっている。

追記：ソースコードはこちらの CoreGraphics 特集？に収載されてます。

Core Graphics + Metal

Core Graphics のお手軽さと Metal の速さを組み合わせて両方を活かして使いたいという欲求はあるようで、以下のような記事があった。

Combine the power of CoreGraphics and Metal by sharing resource memory 

サンプルが動画になっている。

見事。