Metal中如何在CPU端获取片段着色器的选中objectId？

问题背景 #

我正在学习Raywenderlich的Metal教程，书中有一个对象选择的示例。目前能在片段着色器中完成命中测试，但遇到以下问题：

1. 如何在Swift端获取选中的objectId值？
2. CPU和GPU能否共享objectId这类数据？还是只能在着色器中处理传入的值？
3. 在Swift端打印params.objectId时，该值始终为0，这是为什么？

相关代码如下：

typedef struct {
  uint width;
  uint height;
  uint tiling;
  uint lightCount;
  vector_float3 cameraPosition;
  uint objectId;
  uint touchX;
  uint touchY;
} Params;

// 将该结构体传入片段着色器
encoder.setFragmentBytes(&params, length: MemoryLayout<Params>.stride, index:
ParamsBuffer.index)

// 片段着色器中的命中测试逻辑
fragment float4 fragment_main(constant Params &params [[buffer(ParamsBuffer)]],
//...

  if(params.objectId != 0 && objectID == params.objectId) {
            material.baseColor = float3(0.9, 0.5, 0);
        }

解答 #

1. Swift端获取选中的objectId的方法 #

你当前的实现是单向从CPU传值到GPU，要获取GPU计算出的选中ID，必须使用可读写的共享缓冲区（MTLBuffer），而不是setFragmentBytes这种一次性传值方式：

• 在Swift端创建一个共享缓冲区，大小对应UInt32的内存长度，存储模式设为.shared：

  let selectedIdBuffer = device.makeBuffer(
      length: MemoryLayout<UInt32>.stride,
      options: .storageModeShared
  )!
  

• 在片段着色器中声明该缓冲区为可写的device类型，命中测试通过时写入选中的ID：

  fragment float4 fragment_main(
      constant Params &params [[buffer(ParamsBuffer)]],
      device uint &selectedObjectId [[buffer(SelectedIdBuffer)]],
      // 其他必要参数（如objectID输入）
  ) {
      // 命中测试逻辑
      if(objectID == params.objectId) {
          material.baseColor = float3(0.9, 0.5, 0);
          selectedObjectId = objectID; // 将选中ID写入缓冲区
      }
      // 返回颜色值...
  }
  

• 渲染完成后，CPU直接读取缓冲区内容即可获取结果：

  // 等待GPU渲染完成（确保缓冲区写入完毕）
  commandBuffer.waitUntilCompleted()
  let selectedId = selectedIdBuffer.contents().load(as: UInt32.self)
  print("选中的objectId: \(selectedId)")
  

2. CPU和GPU能否共享objectId这类数据？ #

完全可以，但要选择正确的内存存储方式：

• 用setFragmentBytes传值时，是一次性将CPU数据复制到GPU的临时内存，GPU只能读，CPU修改后需要重新传递，GPU的修改也不会同步回CPU。
• 用共享缓冲区（.shared存储模式）时，CPU和GPU直接访问同一块内存区域，数据可以双向同步，GPU写入后CPU能立刻读取，反之亦然。
• 若数据更新不频繁，也可以用.managed存储模式，Metal会自动在CPU和GPU之间同步数据，但性能略逊于.shared。

3. Swift端打印params.objectId始终为0的原因 #

这说明你在Swift端没有正确初始化或传递Params的objectId字段：

• 检查Swift端创建Params实例时，是否给objectId赋值了正确的目标ID（比如用户点击后计算出的对象ID），而不是默认的0。
• 确认调用setFragmentBytes时，传递的params是最新赋值的实例，没有被意外重置。
• 保证Swift和Metal的Params结构体内存布局一致：可以给Swift的对应结构体添加@_spi(Metal) @MetalSerializable属性（需导入Metal），或者手动对齐字段，避免因内存偏移导致读取错误。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Mehmet Deran