Metal之实现视频采集与实时渲染

一、视频渲染实现思路

① 思路说明

通过AVFoundation进行视频数据的采集，并将采集到的原始数据存储到CMSampleBufferRef中，即视频帧数据（视频帧其实本质也是一张图片）。
通过CoreVideo将CMSampleBufferRef中存储的图像数据，转换为Metal可以直接使用的纹理。
将Metal纹理进行渲染，并即刻显示到屏幕上。

② 思路实现

在实际的开发应用中，AVFoundation 提供了一个 layer，即AVCaptureVideoPreviewLayer 预览层，我们可以使用预览层直接预览视频采集后的即可渲染，用于直接实现上面思路中的第二步和第三步。
根据官方文档之AVCaptureVideoPreviewLayer说明，AVCaptureVideoPreviewLayer 是 CALayer 的子类，用于在输入设备捕获视频时显示视频，此预览图层与捕获会话结合使用，主要有以下三步：
- 创建预览层对象；
- 将预览层与captureSession链接；
- 将预览层加到view的子layer中。

	// 创建一个预览层
	let previewLayer = AVCaptureVideoPreviewLayer()
	
	// 将预览层与捕获会话连接
	previewLayer.session = captureSession
	
	// 将预览图层添加到视图的图层层次结构中
	view.layer.addSublayer（previewLayer）

③ 整体流程

viewDidLoad函数：初始化Metal和视频采集的准备工作；
MTKViewDelegate协议方法：视频采集数据转换为纹理；
AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate协议方法：将采集转换后的纹理渲染到屏幕上。

在这里插入图片描述

二、初始化 Metal 和视频采集的准备工作

① 整体流程如下：

在这里插入图片描述

② setupMetal函数

初始化MTKView，用于显示视频采集数据转换后的纹理；

	self.mtkView = [[MTKView alloc] initWithFrame:self.view.bounds device:MTLCreateSystemDefaultDevice()];
	[self.view insertSubview:self.mtkView atIndex:0];
	self.mtkView.delegate = self;

创建命令队列：通过MTKView中的device创建；

	self.commandQueue = [self.mtkView.device newCommandQueue];

设置MTKView的读写操作 & 创建纹理缓冲区：
- MTKView中的framebufferOnly属性，默认的帧缓存是只读的即YES，由于view需要显示纹理，所以需要该属性改为可读写即NO；
- 通过CVMetalTextureCacheCreate方法创建CoreVideo中的metal纹理缓存区，因为采集的视频数据是通过CoreVideo转换为metal纹理的，主要的用于存储转换后的metal纹理；

	//注意: 在初始化MTKView 的基本操作以外. 还需要多下面2行代码.
    /*
     1. 设置MTKView 的drawable 纹理是可读写的(默认是只读);
     2. 创建CVMetalTextureCacheRef _textureCache; 这是Core Video的Metal纹理缓存
     */
    //允许读写操作
    self.mtkView.framebufferOnly = NO;
    
    /*
    CVMetalTextureCacheCreate(CFAllocatorRef  allocator,
    CFDictionaryRef cacheAttributes,
    id <MTLDevice>  metalDevice,
    CFDictionaryRef  textureAttributes,
    CVMetalTextureCacheRef * CV_NONNULL cacheOut )
    
    功能: 创建纹理缓存区
    参数1: allocator 内存分配器.默认即可.NULL
    参数2: cacheAttributes 缓存区行为字典.默认为NULL
    参数3: metalDevice
    参数4: textureAttributes 缓存创建纹理选项的字典. 使用默认选项NULL
    参数5: cacheOut 返回时，包含新创建的纹理缓存。
    */
    CVMetalTextureCacheCreate(NULL, NULL, self.mtkView.device, NULL, &_textureCache);

③ setupCaptureSession函数

设置AVCaptureSession & 视频采集的分辨率；

	// 设置AVCaptureSession & 视频采集的分辨率
	self.mCaptureSession = [[AVCaptureSession alloc] init];
	self.mCaptureSession.sessionPreset = AVCaptureSessionPreset1920x1080;

创建串行队列：串行队列创建的目的在于处理captureSession的交互时，不会影响主队列，在苹果官方文档中有如下图示，表示captureSession是如何管理设备的输入 & 输出，以及与主队列之间的关系，session管理输入和输出图示如下：

在这里插入图片描述

关于串行队列在官方文档中的描述：

在这里插入图片描述

实现逻辑如下：

 	self.mProcessQueue = dispatch_queue_create("mProcessQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);

设置输入设备
- 获取后置摄像头设备AVCaptureDevice：通过获取设备数组，循环判断找到后置摄像头，将后置摄像头设备为当前的输入设备；
- 通过摄像头设备创建AVCaptureDeviceInput：将AVCaptureDevice 转换为 AVCaptureDeviceInput，主要是因为 AVCaptureSession 无法直接使用 AVCaptureDevice，所以需要将device转换为deviceInput；
- 输入设备添加到captureSession中：在添加之前，需要通过captureSession的canAddInput函数判断是否可以添加输入设备，如果可以，则通过session的addInput函数添加输入设备；

	// 获取摄像头设备(前置/后置摄像头设备)
    NSArray *devices = [AVCaptureDevice devicesWithMediaType:AVMediaTypeVideo];
    AVCaptureDevice *inputCamera = nil;
    // 循环设备数组,找到后置摄像头.设置为当前inputCamera
    for (AVCaptureDevice *device in devices) {
    
    
        if ([device position] == AVCaptureDevicePositionBack) {
    
    
            //  拿到后置摄像头
            inputCamera = device;
        }
    }
    
	// 将AVCaptureDevice 转换为 AVCaptureDeviceInput，即输入
	// AVCaptureSession 无法直接使用 AVCaptureDevice，所哟需要将device转换为deviceInput
    self.mCaptureDeviceInput = [[AVCaptureDeviceInput alloc] initWithDevice:inputCamera error:nil];
    
	// 将设备添加到captureSession中,需要先判断能否添加输入
    if ([self.mCaptureSession canAddInput:self.mCaptureDeviceInput]) {
    
    
        [self.mCaptureSession addInput:self.mCaptureDeviceInput];
    }

设置输出设备
- 创建AVCaptureVideoDataOutput对象，即输出设备；
- 设置输出设备的setAlwaysDiscardsLateVideoFrames属性（表示视频帧延时使是否丢弃数据）为NO：
  - YES：处理现有帧的调度队列，在captureOutput:didOutputSampleBuffer:FromConnection:Delegate方法中被阻止时，对象会立即丢弃捕获的帧；
  - NO：在丢弃新帧之前，允许委托有更多的时间处理旧帧，但这样可能会内存增加
- 设置输出设备的setVideoSettings属性（即像素格式），表示每一个像素点颜色保存的格式，且设置的格式是BGRA，而不是YUV，主要是为了避免Shader转换，如果使用了YUV格式，就需要编写shader来进行颜色格式转换；
- 设置输出设备的视频捕捉输出的delegate；
- 将输出设备添加到captureSession中；

	// 创建AVCaptureVideoDataOutput对象，即输出 & 设置输出相关属性
    self.mCaptureDeviceOutput = [[AVCaptureVideoDataOutput alloc] init];
    /*设置视频帧延迟到底时是否丢弃数据
    YES: 处理现有帧的调度队列在captureOutput:didOutputSampleBuffer:FromConnection:Delegate方法中被阻止时，对象会立即丢弃捕获的帧。
    NO: 在丢弃新帧之前，允许委托有更多的时间处理旧帧，但这样可能会内存增加.
    */
    // 视频帧延迟是否需要丢帧
    [self.mCaptureDeviceOutput setAlwaysDiscardsLateVideoFrames:NO];
    
    // 设置像素格式：每一个像素点颜色保存的格式
    // 这里设置格式为BGRA，而不用YUV的颜色空间，避免使用Shader转换，如果使用YUV格式，需要编写shade来进行颜色格式转换
    // 注意:这里必须和后面CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage 保存图像像素存储格式保持一致.否则视频会出现异常现象.
    [self.mCaptureDeviceOutput setVideoSettings:[NSDictionary dictionaryWithObject:[NSNumber numberWithInt:kCVPixelFormatType_32BGRA] forKey:(id)kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey]];
    
    // 设置视频捕捉输出的代理方法：将采集的视频数据输出
    [self.mCaptureDeviceOutput setSampleBufferDelegate:self queue:self.mProcessQueue];
    
    
	// 添加输出，即添加到captureSession中
    if ([self.mCaptureSession canAddOutput:self.mCaptureDeviceOutput]) {
    
    
        [self.mCaptureSession addOutput:self.mCaptureDeviceOutput];
    }

输入与输出链接 & 设置视频输出方向：通过AVCaptureConnection链接输入和输出，并设置connect的视频输出方向，即设置videoOrientation属性；

	// 输入与输出链接
    AVCaptureConnection *connection = [self.mCaptureDeviceOutput connectionWithMediaType:AVMediaTypeVideo];
    
	// 设置视频输出方向
    // 注意: 一定要设置视频方向.否则视频会是朝向异常的.
    [connection setVideoOrientation:AVCaptureVideoOrientationPortrait];

输入与输出链接 & 设置视频输出方向：通过AVCaptureConnection链接输入和输出，并设置connect的视频输出方向，即设置videoOrientation属性；

	// 输入与输出链接
    AVCaptureConnection *connection = [self.mCaptureDeviceOutput connectionWithMediaType:AVMediaTypeVideo];
    
	// 设置视频输出方向
    // 注意: 一定要设置视频方向.否则视频会是朝向异常的
    [connection setVideoOrientation:AVCaptureVideoOrientationPortrait];

开始捕捉，即开始视频采集，也可以通过一个按钮来控制视频采集的开始与停止
- startRunning：开启捕捉
- stopRunning：停止捕捉

	// 开始捕捉
    [self.mCaptureSession startRunning];

三、AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate协议

① 整体流程

在视频采集的同时，采集到的视频数据，即视频帧会自动回调视频采集回调方法captureOutput:didOutputSampleBuffer:fromConnection:，在该方法中处理采集到的原始视频数据，将其转换为metal纹理；
didOutputSampleBuffer代理方法：主要是获取视频的帧数据，将其转换为metal纹理，函数流程如下：

在这里插入图片描述

② 流程分解说明

从sampleBuffer中获取位图：通过CMSampleBufferGetImageBuffer函数从sampleBuffer形参中获取视频像素缓存区对象，即视频帧数据，平常所说的位图：

	// 从sampleBuffer 获取视频像素缓存区对象，即获取位图
    CVPixelBufferRef pixelBuffer = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer);

获取捕捉视频帧的宽高：通过CoreVideo中的CVPixelBufferGetWidth和CVPixelBufferGetHeight函数获取宽高；

	size_t width = CVPixelBufferGetWidth(pixelBuffer);
	size_t height = CVPixelBufferGetHeight(pixelBuffer);

将位图转换为metal纹理：
- 通过CVMetalTextureRef创建临时纹理；
- 通过CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage函数创建metal纹理缓冲区，赋值给临时纹理；
- 判断临时纹理是否创建成功，如果临时纹理创建成功，则继续往下执行；
- 设置MTKView中的drawableSize属性，即表示可绘制纹理的大小；
- 通过CVMetalTextureGetTexture函数，获取纹理缓冲区的metal纹理对象；
- 释放临时纹理；

	// 将位图转换为纹理
    // 方法来自CoreVideo
    /* 根据视频像素缓存区 创建 Metal 纹理缓存区
    CVReturn CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage(CFAllocatorRef allocator,                         CVMetalTextureCacheRef textureCache,
    CVImageBufferRef sourceImage,
    CFDictionaryRef textureAttributes,
    MTLPixelFormat pixelFormat,
    size_t width,
    size_t height,
    size_t planeIndex,
    CVMetalTextureRef  *textureOut);
    
    功能: 从现有图像缓冲区创建核心视频Metal纹理缓冲区。
    参数1: allocator 内存分配器,默认kCFAllocatorDefault
    参数2: textureCache 纹理缓存区对象
    参数3: sourceImage 视频图像缓冲区
    参数4: textureAttributes 纹理参数字典.默认为NULL
    参数5: pixelFormat 图像缓存区数据的Metal 像素格式常量.注意如果MTLPixelFormatBGRA8Unorm和摄像头采集时设置的颜色格式不一致，则会出现图像异常的情况；
    参数6: width,纹理图像的宽度（像素）
    参数7: height,纹理图像的高度（像素）
    参数8: planeIndex 颜色通道.如果图像缓冲区是平面的，则为映射纹理数据的平面索引。对于非平面图像缓冲区忽略。
    参数9: textureOut,返回时，返回创建的Metal纹理缓冲区。
    */
    // 创建临时纹理
    CVMetalTextureRef tmpTexture = NULL;
    CVReturn status = CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage(kCFAllocatorDefault, self.textureCache, pixelBuffer, NULL, MTLPixelFormatBGRA8Unorm, width, height, 0, &tmpTexture);
    
	// 判断 tmpTexture 是否创建成功
    if (status == kCVReturnSuccess) {
    
    
    	// 创建成功
		// 设置可绘制纹理的大小
        self.mtkView.drawableSize = CGSizeMake(width, height);
        
		// 返回纹理缓冲区的metal纹理对象
        self.texture = CVMetalTextureGetTexture(tmpTexture);
        
		// 使用完毕，释放tmptexture
        CFRelease(tmpTexture);
    }

四、MTKViewDelegate协议

① 说明

将获取的metal纹理即刻渲染并显示到屏幕上，这里是通过MTKViewDelegate协议的drawInMTKView代理方法渲染并显示。
drawInMTKView代理方法
MTKView默认的帧速率与屏幕刷新频率一致，所以每当屏幕刷新时，都会回调视频采集方法和视图渲染方法，以下是视图渲染方法执行流程：

在这里插入图片描述

② 具体步骤

判断纹理是否获取成功：即纹理不为空，如果纹理为空，则没必要执行视图渲染流程；
通过commandQueue创建commandBuffer命令缓存区；
将MTKView的纹理作为目标渲染纹理，即获取view中纹理对象
设置高斯模糊滤镜：
- MetalPerformanceShaders是Metal的一个集成库，有一些滤镜处理的Metal实现；
- 此时的滤镜就等价于Metal中的MTLRenderCommandEncoder渲染命令编码器，类似于GLSL中program；
- 高斯模糊滤镜在渲染时，会触发离屏渲染，且其中的sigma值设置的越高，图像越模糊；

		// 设置滤镜（Metal封装了一些滤镜）
        // 高斯模糊 渲染时，会触发 离屏渲染
        /*
          MetalPerformanceShaders是Metal的一个集成库，有一些滤镜处理的Metal实现;
          MPSImageGaussianBlur 高斯模糊处理;
          */
        
         // 创建高斯滤镜处理filter
         // 注意:sigma值可以修改，sigma值越高图像越模糊;
        MPSImageGaussianBlur *filter = [[MPSImageGaussianBlur alloc] initWithDevice:self.mtkView.device sigma:5];
        
		// MPSImageGaussianBlur以一个Metal纹理作为输入，以一个Metal纹理作为输出；
        // 输入:摄像头采集的图像 self.texture
        // 输出:创建的纹理 drawingTexture(其实就是view.currentDrawable.texture)
        // filter等价于Metal中的MTLRenderCommandEncoder 渲染命令编码器，类似于GLSL中的program
        [filter encodeToCommandBuffer:commandBuffer sourceTexture:self.texture destinationTexture:drawingTexture];

将获取的纹理显示到屏幕上；
将commandBuffer通过commit提交给GPU；
清空当前纹理，为下一次纹理数据读取做准备；
如果不清空，也是可以的，下一次的纹理数据会将上次的数据覆盖；

	// 展示显示的内容
	[commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];
        
	// 提交命令
    [commandBuffer commit];
        
	// 清空当前纹理，准备下一次的纹理数据读取
	// 如果不清空，也是可以的，下一次的纹理数据会将上次的数据覆盖
	self.texture = NULL;

五、总结

① 视频采集流程

设置session；
创建串行队列；
设置输入设备；
设置输出设备；
输入与输出链接；
设置视频输出方向；
开始捕捉，即开始视频采集；
AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate协议处理采集后的视频数据；

在这里插入图片描述

② 如何判断采集的数据是音频还是视频

通过AVCaptureConnection判断
- 视频：包含视频输入设备 & 视频输出设备，通过AVCaptureConnection链接起来
- 音频：包含音频输入设备 & 音频输出设备，同样通过AVCaptureConnection链接起来
- 如果需要判断当前采集的输出是视频还是音频，需要将connect对象设置为全局变量，然后在采集回调方法captureOutput:didOutputSampleBuffer:fromConnection:中判断全局的connection 是否等于代理方法参数中的coneection ，如果相等，就是视频，反之是音频；
通过AVCaptureOutput判断
在采集回调方法captureOutput:didOutputSampleBuffer:fromConnection:中判断output形参的类型，如果是AVCaptureVideoDataOutput 类型则是视频，反之，是音频。

Metal之实现视频采集与实时渲染

一、视频渲染实现思路

① 思路说明

② 思路实现

③ 整体流程

二、初始化 Metal 和视频采集的准备工作

① 整体流程如下：

② setupMetal函数

③ setupCaptureSession函数

三 、AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate协议

① 整体流程

② 流程分解说明

四、MTKViewDelegate协议

① 说明

② 具体步骤

五、总结

① 视频采集流程

② 如何判断采集的数据是音频还是视频

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三、AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate协议