WIP: Metal shader backend para macOS
- Shaders MSL portados desde GLSL (vertex + fragment) - Estructura básica de MetalShader class - Device, command queue, pipeline y buffers creados - CMakeLists.txt actualizado con Metal frameworks - assets.txt incluye shaders .metal como opcionales PENDIENTE: - Implementar render() loop completo - Obtener MTLTexture desde SDL_Texture - Crear sampler state - Testing en macOS real Ver METAL_BACKEND_NOTES.md para detalles de implementación.
This commit is contained in:
166
source/rendering/metal/METAL_BACKEND_NOTES.md
Normal file
166
source/rendering/metal/METAL_BACKEND_NOTES.md
Normal file
@@ -0,0 +1,166 @@
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# Metal Shader Backend - Notas de Implementación
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## Estado Actual
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✅ **Completado:**
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- Shaders MSL (Metal Shading Language) portados desde GLSL
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- Estructura básica de `MetalShader` class
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- Inicialización de Metal device y command queue
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- Compilación de shaders en runtime
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- Creación de pipeline state
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- Buffers de vértices, índices y uniforms
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❌ **Pendiente:**
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- **Render loop completo** (la parte más crítica)
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- Obtener textura Metal desde SDL_Texture
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- Gestión de drawables y presentation
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## Diferencias GLSL vs MSL
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| Concepto | GLSL (OpenGL) | MSL (Metal) |
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|----------|---------------|-------------|
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| Entrada vertex | `layout(location = 0) in vec2` | `[[attribute(0)]]` |
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| Salida vertex | `out vec2` | Struct con `[[position]]` |
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| Uniforms | `uniform vec2` | `constant` struct en `[[buffer(N)]]` |
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| Sampling | `texture(sampler2D, vec2)` | `texture.sample(sampler, float2)` |
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| Entry point | `void main()` | `vertex/fragment function_name()` |
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| Vector types | `vec2, vec3, vec4` | `float2, float3, float4` |
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## Pasos para Completar el Render Loop
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El método `MetalShader::render()` necesita:
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```objc
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1. Obtener drawable del CAMetalLayer:
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id<CAMetalDrawable> drawable = [metal_layer_ nextDrawable];
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2. Crear command buffer:
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id<MTLCommandBuffer> command_buffer = [command_queue_ commandBuffer];
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3. Crear render pass descriptor:
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MTLRenderPassDescriptor* pass_descriptor = [MTLRenderPassDescriptor renderPassDescriptor];
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pass_descriptor.colorAttachments[0].texture = drawable.texture;
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pass_descriptor.colorAttachments[0].loadAction = MTLLoadActionClear;
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||||
pass_descriptor.colorAttachments[0].storeAction = MTLStoreActionStore;
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||||
pass_descriptor.colorAttachments[0].clearColor = MTLClearColorMake(0, 0, 0, 1);
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4. Crear render command encoder:
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id<MTLRenderCommandEncoder> encoder =
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[command_buffer renderCommandEncoderWithDescriptor:pass_descriptor];
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5. Configurar pipeline y buffers:
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[encoder setRenderPipelineState:pipeline_state_];
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[encoder setVertexBuffer:vertex_buffer_ offset:0 atIndex:0];
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||||
[encoder setVertexBuffer:uniforms_buffer_ offset:0 atIndex:1];
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||||
[encoder setFragmentBuffer:uniforms_buffer_ offset:0 atIndex:1];
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||||
[encoder setFragmentTexture:game_texture offset:0 atIndex:0];
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||||
[encoder setFragmentSamplerState:sampler_state_ atIndex:0];
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6. Dibujar:
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[encoder drawIndexedPrimitives:MTLPrimitiveTypeTriangle
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indexCount:6
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indexType:MTLIndexTypeUInt16
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indexBuffer:index_buffer_
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indexBufferOffset:0];
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7. Finalizar:
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[encoder endEncoding];
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[command_buffer presentDrawable:drawable];
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||||
[command_buffer commit];
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```
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## Problema Crítico: Obtener MTLTexture desde SDL_Texture
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SDL3 renderiza el juego a `back_buffer_` (SDL_Texture). Necesitamos obtener
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la textura Metal subyacente para pasarla al fragment shader.
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**Opciones:**
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1. **SDL_GetProperty()** - Usar SDL3 properties system:
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```cpp
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id<MTLTexture> metal_texture = (__bridge id<MTLTexture>)SDL_GetProperty(
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||||
SDL_GetTextureProperties(back_buffer_),
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||||
"SDL.texture.metal.texture",
|
||||
nullptr
|
||||
);
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```
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2. **Render to Metal texture directamente** - En lugar de usar SDL_Texture,
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||||
crear una MTLTexture directamente y renderizar el juego ahí. Más trabajo
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pero más control.
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3. **Copiar SDL texture a Metal texture** - Menos eficiente pero más simple.
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## Sampler State
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Falta crear el sampler state (equivalente a glTexParameteri en OpenGL):
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```objc
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||||
MTLSamplerDescriptor* sampler_descriptor = [[MTLSamplerDescriptor alloc] init];
|
||||
sampler_descriptor.minFilter = MTLSamplerMinMagFilterLinear;
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||||
sampler_descriptor.magFilter = MTLSamplerMinMagFilterLinear;
|
||||
sampler_descriptor.sAddressMode = MTLSamplerAddressModeClampToEdge;
|
||||
sampler_descriptor.tAddressMode = MTLSamplerAddressModeClampToEdge;
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||||
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||||
id<MTLSamplerState> sampler_state = [device_ newSamplerStateWithDescriptor:sampler_descriptor];
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||||
```
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## Build Configuration
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Para compilar en Xcode/CMake, necesitarás:
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1. **CMakeLists.txt** - Añadir metal_shader.mm:
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```cmake
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if(APPLE)
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set(RENDERING_SOURCES
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||||
${RENDERING_SOURCES}
|
||||
source/rendering/metal/metal_shader.mm
|
||||
)
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||||
target_link_libraries(${PROJECT_NAME}
|
||||
"-framework Metal"
|
||||
"-framework QuartzCore"
|
||||
)
|
||||
endif()
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||||
```
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||||
2. **Compilar shaders .metal** - Opcionalmente pre-compilar:
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||||
```bash
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||||
xcrun -sdk macosx metal -c crtpi_vertex.metal -o crtpi_vertex.air
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||||
xcrun -sdk macosx metal -c crtpi_fragment.metal -o crtpi_fragment.air
|
||||
xcrun -sdk macosx metallib crtpi_*.air -o crtpi.metallib
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||||
```
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||||
3. **Cargar .metallib** en código:
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||||
```objc
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||||
NSString* path = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"crtpi" ofType:@"metallib"];
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||||
id<MTLLibrary> library = [device_ newLibraryWithFile:path error:&error];
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```
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||||
## Testing en macOS
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Cuando pruebes en macOS:
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1. Verifica que `SDL_WINDOW_METAL` está activo en screen.cpp
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2. Compila con `-DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug` para ver logs
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3. Usa Xcode Instruments (Metal Debugger) para inspeccionar frames
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4. Compara rendimiento con/sin shaders
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## Referencias Útiles
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||||
- [Metal Programming Guide](https://developer.apple.com/metal/)
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||||
- [Metal Shading Language Specification](https://developer.apple.com/metal/Metal-Shading-Language-Specification.pdf)
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||||
- [SDL3 Metal Integration](https://github.com/libsdl-org/SDL/blob/main/docs/README-metal.md)
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## Próximos Pasos
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||||
1. Implementar `render()` completo
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||||
2. Resolver obtención de textura desde SDL
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3. Crear sampler state
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||||
4. Testear en macOS real
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||||
5. Optimizar si es necesario (probablemente ya será rápido)
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---
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||||
**Nota importante**: Metal es significativamente más verboso que OpenGL pero
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||||
también más eficiente. Una vez que funcione el render loop, el rendimiento
|
||||
debería ser excelente en macOS.
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76
source/rendering/metal/metal_shader.h
Normal file
76
source/rendering/metal/metal_shader.h
Normal file
@@ -0,0 +1,76 @@
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||||
#pragma once
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||||
|
||||
#include "../shader_backend.h"
|
||||
|
||||
#ifdef __APPLE__
|
||||
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||||
#import <Metal/Metal.h>
|
||||
#import <QuartzCore/CAMetalLayer.h>
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||||
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||||
namespace Rendering {
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||||
|
||||
/**
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||||
* @brief Backend de shaders usando Metal para macOS
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||||
*
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||||
* Implementa el renderizado de shaders usando Metal API nativo de Apple:
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||||
* - MTLDevice para acceso a GPU
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||||
* - MTLRenderPipelineState para configuración del pipeline
|
||||
* - MTLCommandQueue para enviar comandos a GPU
|
||||
* - MSL (Metal Shading Language) para shaders
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||||
*/
|
||||
class MetalShader : public ShaderBackend {
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||||
public:
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||||
MetalShader() = default;
|
||||
~MetalShader() override;
|
||||
|
||||
bool init(SDL_Window* window,
|
||||
SDL_Texture* texture,
|
||||
const std::string& vertex_source,
|
||||
const std::string& fragment_source) override;
|
||||
|
||||
void render() override;
|
||||
void setTextureSize(float width, float height) override;
|
||||
void cleanup() override;
|
||||
bool isHardwareAccelerated() const override { return is_initialized_; }
|
||||
|
||||
private:
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||||
// Funciones auxiliares
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||||
bool createMetalDevice();
|
||||
bool compileShaders(const std::string& vertex_source,
|
||||
const std::string& fragment_source);
|
||||
bool createPipeline();
|
||||
bool createBuffers();
|
||||
id<MTLTexture> getMetalTexture(SDL_Texture* texture);
|
||||
|
||||
// Estado SDL
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||||
SDL_Window* window_ = nullptr;
|
||||
SDL_Renderer* renderer_ = nullptr;
|
||||
SDL_Texture* back_buffer_ = nullptr;
|
||||
|
||||
// Estado Metal
|
||||
id<MTLDevice> device_ = nil; // GPU device
|
||||
id<MTLCommandQueue> command_queue_ = nil; // Cola de comandos
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||||
id<MTLRenderPipelineState> pipeline_state_ = nil; // Estado del pipeline
|
||||
id<MTLBuffer> vertex_buffer_ = nil; // Buffer de vértices
|
||||
id<MTLBuffer> index_buffer_ = nil; // Buffer de índices
|
||||
id<MTLBuffer> uniforms_buffer_ = nil; // Buffer de uniforms
|
||||
CAMetalLayer* metal_layer_ = nil; // Layer de Metal
|
||||
|
||||
// Uniforms
|
||||
struct Uniforms {
|
||||
float textureSize[2]; // width, height
|
||||
} uniforms_;
|
||||
|
||||
// Tamaños
|
||||
int window_width_ = 0;
|
||||
int window_height_ = 0;
|
||||
float texture_width_ = 0.0f;
|
||||
float texture_height_ = 0.0f;
|
||||
|
||||
// Estado
|
||||
bool is_initialized_ = false;
|
||||
};
|
||||
|
||||
} // namespace Rendering
|
||||
|
||||
#endif // __APPLE__
|
||||
301
source/rendering/metal/metal_shader.mm
Normal file
301
source/rendering/metal/metal_shader.mm
Normal file
@@ -0,0 +1,301 @@
|
||||
// Usar .mm (Objective-C++) en lugar de .cpp para código Metal en macOS
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||||
|
||||
#include "metal_shader.h"
|
||||
|
||||
#ifdef __APPLE__
|
||||
|
||||
#import <SDL3/SDL.h>
|
||||
#import <SDL3/SDL_metal.h>
|
||||
#include <vector>
|
||||
|
||||
namespace Rendering {
|
||||
|
||||
MetalShader::~MetalShader() {
|
||||
cleanup();
|
||||
}
|
||||
|
||||
bool MetalShader::createMetalDevice() {
|
||||
// Obtener el device Metal por defecto (GPU del sistema)
|
||||
device_ = MTLCreateSystemDefaultDevice();
|
||||
if (!device_) {
|
||||
SDL_LogError(SDL_LOG_CATEGORY_APPLICATION,
|
||||
"ERROR: No se pudo crear Metal device");
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Crear command queue
|
||||
command_queue_ = [device_ newCommandQueue];
|
||||
if (!command_queue_) {
|
||||
SDL_LogError(SDL_LOG_CATEGORY_APPLICATION,
|
||||
"ERROR: No se pudo crear Metal command queue");
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
SDL_LogInfo(SDL_LOG_CATEGORY_APPLICATION,
|
||||
"Metal device creado: %s", [[device_ name] UTF8String]);
|
||||
|
||||
return true;
|
||||
}
|
||||
|
||||
bool MetalShader::compileShaders(const std::string& vertex_source,
|
||||
const std::string& fragment_source) {
|
||||
// En Metal, los shaders se pueden compilar de dos formas:
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||||
// 1. Runtime compilation desde strings (lo que haremos aquí)
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||||
// 2. Pre-compilados a .metallib (más eficiente pero requiere build step)
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||||
|
||||
NSError* error = nil;
|
||||
|
||||
// Convertir sources a NSString
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||||
NSString* vertex_code = [NSString stringWithUTF8String:vertex_source.c_str()];
|
||||
NSString* fragment_code = [NSString stringWithUTF8String:fragment_source.c_str()];
|
||||
|
||||
// Combinar vertex + fragment en un solo source (Metal permite múltiples shaders por library)
|
||||
NSString* combined_source = [NSString stringWithFormat:@"%@\n\n%@",
|
||||
vertex_code, fragment_code];
|
||||
|
||||
// Crear library desde source code
|
||||
id<MTLLibrary> library = [device_ newLibraryWithSource:combined_source
|
||||
options:nil
|
||||
error:&error];
|
||||
if (!library) {
|
||||
SDL_LogError(SDL_LOG_CATEGORY_APPLICATION,
|
||||
"ERROR: Fallo al compilar shaders Metal: %s",
|
||||
[[error localizedDescription] UTF8String]);
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Obtener funciones del library
|
||||
id<MTLFunction> vertex_function = [library newFunctionWithName:@"vertex_main"];
|
||||
id<MTLFunction> fragment_function = [library newFunctionWithName:@"fragment_main"];
|
||||
|
||||
if (!vertex_function || !fragment_function) {
|
||||
SDL_LogError(SDL_LOG_CATEGORY_APPLICATION,
|
||||
"ERROR: No se encontraron las funciones vertex_main o fragment_main");
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Crear pipeline descriptor
|
||||
MTLRenderPipelineDescriptor* pipeline_descriptor = [[MTLRenderPipelineDescriptor alloc] init];
|
||||
pipeline_descriptor.vertexFunction = vertex_function;
|
||||
pipeline_descriptor.fragmentFunction = fragment_function;
|
||||
|
||||
// Configurar formato de color (BGRA8Unorm es común en macOS)
|
||||
pipeline_descriptor.colorAttachments[0].pixelFormat = MTLPixelFormatBGRA8Unorm;
|
||||
|
||||
// Configurar vertex descriptor (cómo están organizados los vértices)
|
||||
MTLVertexDescriptor* vertex_descriptor = [[MTLVertexDescriptor alloc] init];
|
||||
|
||||
// Atributo 0: position (2 floats)
|
||||
vertex_descriptor.attributes[0].format = MTLVertexFormatFloat2;
|
||||
vertex_descriptor.attributes[0].offset = 0;
|
||||
vertex_descriptor.attributes[0].bufferIndex = 0;
|
||||
|
||||
// Atributo 1: texCoord (2 floats)
|
||||
vertex_descriptor.attributes[1].format = MTLVertexFormatFloat2;
|
||||
vertex_descriptor.attributes[1].offset = 2 * sizeof(float);
|
||||
vertex_descriptor.attributes[1].bufferIndex = 0;
|
||||
|
||||
// Layout del buffer (stride = 4 floats por vértice)
|
||||
vertex_descriptor.layouts[0].stride = 4 * sizeof(float);
|
||||
vertex_descriptor.layouts[0].stepRate = 1;
|
||||
vertex_descriptor.layouts[0].stepFunction = MTLVertexStepFunctionPerVertex;
|
||||
|
||||
pipeline_descriptor.vertexDescriptor = vertex_descriptor;
|
||||
|
||||
// Crear pipeline state
|
||||
pipeline_state_ = [device_ newRenderPipelineStateWithDescriptor:pipeline_descriptor
|
||||
error:&error];
|
||||
if (!pipeline_state_) {
|
||||
SDL_LogError(SDL_LOG_CATEGORY_APPLICATION,
|
||||
"ERROR: Fallo al crear pipeline state: %s",
|
||||
[[error localizedDescription] UTF8String]);
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
SDL_LogInfo(SDL_LOG_CATEGORY_APPLICATION,
|
||||
"Shaders Metal compilados correctamente");
|
||||
|
||||
return true;
|
||||
}
|
||||
|
||||
bool MetalShader::createBuffers() {
|
||||
// Crear quad de pantalla completa (igual que en OpenGL)
|
||||
// Formato: x, y, u, v
|
||||
float vertices[] = {
|
||||
-1.0f, -1.0f, 0.0f, 0.0f, // Inferior izquierda
|
||||
1.0f, -1.0f, 1.0f, 0.0f, // Inferior derecha
|
||||
1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f, // Superior derecha
|
||||
-1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f // Superior izquierda
|
||||
};
|
||||
|
||||
uint16_t indices[] = {
|
||||
0, 1, 2, // Primer triángulo
|
||||
2, 3, 0 // Segundo triángulo
|
||||
};
|
||||
|
||||
// Crear vertex buffer
|
||||
vertex_buffer_ = [device_ newBufferWithBytes:vertices
|
||||
length:sizeof(vertices)
|
||||
options:MTLResourceStorageModeShared];
|
||||
if (!vertex_buffer_) {
|
||||
SDL_LogError(SDL_LOG_CATEGORY_APPLICATION,
|
||||
"ERROR: Fallo al crear vertex buffer");
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Crear index buffer
|
||||
index_buffer_ = [device_ newBufferWithBytes:indices
|
||||
length:sizeof(indices)
|
||||
options:MTLResourceStorageModeShared];
|
||||
if (!index_buffer_) {
|
||||
SDL_LogError(SDL_LOG_CATEGORY_APPLICATION,
|
||||
"ERROR: Fallo al crear index buffer");
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Crear uniforms buffer
|
||||
uniforms_buffer_ = [device_ newBufferWithLength:sizeof(Uniforms)
|
||||
options:MTLResourceStorageModeShared];
|
||||
if (!uniforms_buffer_) {
|
||||
SDL_LogError(SDL_LOG_CATEGORY_APPLICATION,
|
||||
"ERROR: Fallo al crear uniforms buffer");
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
return true;
|
||||
}
|
||||
|
||||
bool MetalShader::init(SDL_Window* window,
|
||||
SDL_Texture* texture,
|
||||
const std::string& vertex_source,
|
||||
const std::string& fragment_source) {
|
||||
window_ = window;
|
||||
back_buffer_ = texture;
|
||||
renderer_ = SDL_GetRenderer(window);
|
||||
|
||||
if (!renderer_) {
|
||||
SDL_LogError(SDL_LOG_CATEGORY_APPLICATION,
|
||||
"ERROR: No se pudo obtener el renderer");
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Verificar que es Metal renderer
|
||||
const char* renderer_name = SDL_GetRendererName(renderer_);
|
||||
if (!renderer_name || strncmp(renderer_name, "metal", 5) != 0) {
|
||||
SDL_LogWarn(SDL_LOG_CATEGORY_APPLICATION,
|
||||
"Renderer no es Metal: %s", renderer_name ? renderer_name : "unknown");
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Obtener tamaños
|
||||
SDL_GetWindowSize(window_, &window_width_, &window_height_);
|
||||
SDL_GetTextureSize(back_buffer_, &texture_width_, &texture_height_);
|
||||
|
||||
// Crear Metal device
|
||||
if (!createMetalDevice()) {
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Compilar shaders
|
||||
if (!compileShaders(vertex_source, fragment_source)) {
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Crear buffers
|
||||
if (!createBuffers()) {
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Inicializar uniforms
|
||||
uniforms_.textureSize[0] = texture_width_;
|
||||
uniforms_.textureSize[1] = texture_height_;
|
||||
|
||||
// Copiar uniforms al buffer
|
||||
memcpy([uniforms_buffer_ contents], &uniforms_, sizeof(Uniforms));
|
||||
|
||||
// Obtener Metal layer de SDL
|
||||
metal_layer_ = (__bridge CAMetalLayer*)SDL_GetProperty(
|
||||
SDL_GetWindowProperties(window_),
|
||||
SDL_PROP_WINDOW_METAL_LAYER_POINTER,
|
||||
nullptr
|
||||
);
|
||||
|
||||
if (!metal_layer_) {
|
||||
SDL_LogError(SDL_LOG_CATEGORY_APPLICATION,
|
||||
"ERROR: No se pudo obtener Metal layer");
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
metal_layer_.device = device_;
|
||||
metal_layer_.pixelFormat = MTLPixelFormatBGRA8Unorm;
|
||||
|
||||
is_initialized_ = true;
|
||||
SDL_LogInfo(SDL_LOG_CATEGORY_APPLICATION,
|
||||
"** Metal Shader Backend inicializado correctamente");
|
||||
|
||||
return true;
|
||||
}
|
||||
|
||||
void MetalShader::render() {
|
||||
if (!is_initialized_ || !pipeline_state_) {
|
||||
// Fallback a renderizado normal
|
||||
SDL_SetRenderDrawColor(renderer_, 0, 0, 0, 255);
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||||
SDL_SetRenderTarget(renderer_, nullptr);
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SDL_RenderClear(renderer_);
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SDL_RenderTexture(renderer_, back_buffer_, nullptr, nullptr);
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SDL_RenderPresent(renderer_);
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return;
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}
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// TODO: Implementar render loop de Metal
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// 1. Obtener drawable del layer
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// 2. Crear command buffer
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// 3. Crear render pass descriptor
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// 4. Encodear comandos de dibujo
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// 5. Commit y presentar
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// NOTA: Esta es la parte más compleja y requiere más trabajo
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// Por ahora dejamos un stub para que compile
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SDL_LogWarn(SDL_LOG_CATEGORY_APPLICATION,
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"Metal render() no implementado completamente todavía");
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}
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void MetalShader::setTextureSize(float width, float height) {
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if (!is_initialized_) {
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return;
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}
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texture_width_ = width;
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texture_height_ = height;
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// Actualizar uniforms
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uniforms_.textureSize[0] = width;
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uniforms_.textureSize[1] = height;
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memcpy([uniforms_buffer_ contents], &uniforms_, sizeof(Uniforms));
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}
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void MetalShader::cleanup() {
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// En Objective-C++ con ARC, no necesitamos release manual
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// pero limpiamos las referencias
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pipeline_state_ = nil;
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command_queue_ = nil;
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vertex_buffer_ = nil;
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index_buffer_ = nil;
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uniforms_buffer_ = nil;
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device_ = nil;
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metal_layer_ = nil;
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is_initialized_ = false;
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}
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id<MTLTexture> MetalShader::getMetalTexture(SDL_Texture* texture) {
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// TODO: Obtener la textura Metal desde SDL_Texture
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// Esto requiere acceder a las properties de SDL3
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return nil;
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}
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} // namespace Rendering
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#endif // __APPLE__
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