iOS OpenGL渲染YUV数据
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本文主要介绍使用OpenGL ES来渲染I420(YUV420P) , NV12(YUV420SP)的方法，关于YUV的知识，可以看这里《YUV颜色编码解析》，同样会用到一些简单的OpenGL shader知识，可以看看OpenGL的着色器语言。为了书写方便，以下所谈的OpenGL特指OpenGL ES。
OpenGL ES是OpenGL的精简版本，主要针对于手机、游戏主机等嵌入式设备，它提供了一套设备图形硬件的软件接口，通过直接操作图形硬件，使我们能够高效地绘制图形。OpenGL在iOS架构中属于媒体层，与quartz(core graphics)类似，是相对底层的技术，可以控制每一帧的图形绘制。由于图形渲染是通过图形硬件(GPU)来完成的，相对于使用CPU，能够获得更高的帧率同时不会因为负载过大而造成卡顿。
OpenGL处于绘制接口的底层
创建GLView
我们需要创建一个用来展示OpenGL绘制内容的View，只需要将UIView的根图层(underlying layer)替换成CAEAGLLayer实例即可。通过覆盖UIView的类方法+(Class)layerClass，可以实现这一点，CAEAGLLayer默认是透明的，这会影响性能，所以将它设为不透明。
+ (class)layerClass {
return [CAEAGLLayer class];
}
- (void)setupLayer {
_eaglLayer = (CAEAGLLayer*) self.layer;
_eaglLayer.opaque = YES;
}创建EAGLContext
EAGLContext对象管理OpenGL绘制所需要的所有信息，和Quartz 2D所使用的CGContext类似。
- (void)setupContext {
//创建一个OpenGLES 2.0接口的context
EAGLRenderingAPI api = kEAGLRenderingAPIOpenGLES2;
_context = [[EAGLContext alloc] initWithAPI:api];
if (!_context) {
NSLog(@"Failed to initialize OpenGLES 2.0 context");
exit(1);
}
//将其设置为current context
if (![EAGLContext setCurrentContext:_context]) {
NSLog(@"Failed to set current OpenGL context");
exit(1);
}
}创建render buffer
render buffer用来存储将要绘制到屏幕上图像。OpenGL中的对象都需要创建、绑定，并且都是ID引用的。
- (void)setupRenderBuffer {
//创建一个render buffer对象,并绑定到GL_RENDERBUFFER目标上
glGenRenderbuffers(1, &_renderBuffer);
glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, _renderBuffer);
//为render buffer分配存储空间
[_context renderbufferStorage:GL_RENDERBUFFER fromDrawable:_eaglLayer];
}创建frame buffer
一个frame buffer对象包括render buffer, depth buffer, stencil buffer等，拥有OpenGL绘制时需要的信息。
- (void)setupFrameBuffer {
GLuint framebuffer;
glGenFramebuffers(1, &framebuffer);
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, framebuffer);
//将之前创建的render buffer附着到frame buffer作为其logical buffer
//GL_COLOR_ATTACHMENT0指定第一个颜色缓冲区附着点
glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0,
GL_RENDERBUFFER, _renderBuffer);
}glFramebufferRenderbuffer调用后，render buffer通过GL_COLOR_ATTACHMENT0引用使用render buffer
渲染
- (void)render {
//设置用来清除屏幕的颜色，类似于quartz中设置CGcontext画笔的颜色
glClearColor(0, 0, 0, 1.0);
//执行清除操作，设置render buffer中的像素颜色为上一步指定的颜色
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
//渲染render buffer中的图像到GLView的CAEAGLLayer
[_context presentRenderbuffer:GL_RENDERBUFFER];
}shader(着色器)
shader是上是在GPU上执行的程序，保存在.glsl文件中或以字符串形式写在OpenGL代码里，使用GLSL(OpenGL shading language)语言编写，shader在运行时编译，链接，最终在GPU上执行采样操作。
OpenGL中有两种shader：
- vertex shader（顶点着色器）：vertex shader在每个顶点上都执行执行一次，通过不同世界的坐标系转化定位顶点的最终位置。它可以数据给fragment shader，如纹理坐标、顶点坐标，变换矩阵等。
- fragment shader（片段着色器）：fragment shader在每个像素上都会执行一次，通过插值确定像素的最终显示颜色。
创建shader
以下是两个简单的shader，用来说明GLSL的语法特点。
vertex shader：
//attribute 关键字用来描述传入shader的变量
attribute vec4 vertexPosition; // 需要从外部获取的4分量vector
attribute vec4 pixelColor;
//varying 关键字用来描述从vertex shader传递给fragment shader的变量
//精度修饰符分为三种：highp, mediump, lowp
varying mediump vec4 finalPixelColor; //mediumP修饰代表中等精度，提高效率。
void main(void) {
finalPixelColor = pixelColor; // 将pixelColor的值通过finalPixelColor传递给fragment shader
gl_Position = vertexPosition; // gl_Position是vertex shader的内建变量，gl_Position中的顶点值最终输出到渲染管线中
}fragment shader：
varying mediump vec4 finalPixelColor;
void main(void) {
gl_FragColor = finalPixelColor; // gl_FragColor是fragment shader的内建变量，gl_FragColor中的像素值最终输出到渲染管线中
}
}使用shader
shader在运行时完成编译、链接，是在GPU上执行的小程序，以下是shader编译、链接的过程，为了阅读方便，省略了调试异常情况的判断和调试log输出。
//编译shader函数
- (GLuint)compileShader:(NSString*)shaderName withType:(GLenum)shaderType {
// 读取shader文件的内容为字符串
NSString* shaderPath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:shaderName
ofType:@"glsl"];
NSError* error;
NSString* shaderString = [NSString stringWithContentsOfFile:shaderPath
encoding:NSUTF8StringEncoding error:&error];
if (!shaderString) {
NSLog(@"Error loading shader: %@", error.localizedDescription);
exit(1);
}
// 创建shader对象，返回其引用
GLuint shaderHandle = glCreateShader(shaderType);
// 获取C字符串，作为源代码传给OpenGL
const char * shaderStringUTF8 = [shaderString UTF8String];
int shaderStringLength = [shaderString length];
glShaderSource(shaderHandle, 1, &shaderStringUTF8, &shaderStringLength);
// 运行时编译shader
glCompileShader(shaderHandle);
return shaderHandle;
}
//编译、链接shader
-（void)configuerShader{
// 创建并编译shader
GLuint vertexShader = [self compileShader:@"vertexShader"
withType:GL_VERTEX_SHADER];
GLuint fragmentShader = [self compileShader:@"fragmentShader"
withType:GL_FRAGMENT_SHADER];
//创建一个程序对象，返回其引用
_programHandle = glCreateProgram();
//将两个shader绑定到程序对象, 不需要时可以使用glDetachShader解绑
glAttachShader(programHandle, vertexShader);
glAttachShader(programHandle, fragmentShader);
//链接两个shader
glLinkProgram(_programHandle);
//选择创建的程序对象为当前使用的程序，类似setCurrentContext, 不需要时使用glDeleteProgram删除
glUseProgram(_programHandle);
}
-(void)configuerSlot{
//获取shader中attribute变量的引用
_vertexPosition = glGetAttribLocation(programHandle, "vertexPosition");
_pixelColor = glGetAttribLocation(programHandle, "pixelColor");
//启用attribute变量，使其对GPU可见，默认为关闭
glEnableVertexAttribArray(_vertexPosition);
glEnableVertexAttribArray(_pixelColor);
}
-(void)initOpenGl{
[self configuerShader];
[self coniigureSlot];
}使用OpenGL绘制一个简单的矩形
以上内容介绍了OpenGL的基本数据结构，现在先来绘制一个简单的矩形
初始化
现在需要给OpenGL提供attribute变量值与顶点数据。顶点数据用来提供绘制时的几何信息。OpenGL中只能绘制三角形，三角形保证了其内部像素都在同一个平面。要绘制复杂的几何图形，可以用三角形组合的方式实现。
顶点数据使用VBO（vertex buffer object）来传递给GPU。
初始化VBO
OpenGL需要有两种VBO来确定几何图形，vertex VBO提供顶点本身，index VBO提供三角形所使用的顶点的index序列。这样保证了显存中存储的顶点数据是唯一的，不会浪费资源。VBO中存储着CPU传给GPU的数据，存储在显存里，在执行大量重复的绘制操作时，可以提高效率。
初始化attribute变量
之前创建的shader中，有两个attribute变量，需要使用glVertexAttribPointer输入给shader。
//我们需要在一个矩形中绘制图像，需要两个三角形模拟，所以需要四个顶点，索引数组说明了两个三角形顶点组成。
//默认情况下，OpenGL 的Viewport左下角顶点为（-1，-1），右上角顶点为（1，1）。
const float vertices[] = {
1, -1, 0,//index 0
1, 1, 0,//index 1
-1, 1, 0,//index 2
-1, -1, 0 //index 3
}
const GLubyte Indices[] = {
0, 1, 2,
2, 3, 0
};
- (void)setupVBOs {
//顶点VBO
GLuint vertexBuffer;
glGenBuffers(1, &vertexBuffer);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
//将顶点坐标写入顶点VBO
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), Vertices, GL_STATIC_DRAW);
//索引VBO
GLuint indexBuffer;
glGenBuffers(1, &indexBuffer);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
//将顶点索引数据写入索引VBO
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(Indices), Indices, GL_STATIC_DRAW);
}
-（void）feedAttributeSlot{
//由于使用了VBO，所以最后一个参数传数据在VBO中的偏移量，这点需要注意
glVertexAttribPointer(_vertexPosition, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(float)*3, 0);
//没有使用VBO，直接传指针给函数,
float blueColor[] = {0, 0, 1, 0};
glVertexAttribPointer(_pixelColor, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, blueColor);
}注意此时写入VBO的只是一些二进制的数据，需要在读取数据是，给出数据类型才能正确读取。
绘制
- (void)render {
//绘制黑色背景
glClearColor(0, 0, 0, 1.0);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
//创建一个OpenGL绘制的窗口
glViewport(0, 0, self.frame.size.width, self.frame.size.height);
//使用顶点索引，绘制图形。调用函数后，vertex shader会在每个顶点执行一遍，确定顶点信息。fragment shader会在每个像素执行一遍，确定像素颜色。
//在使用VBO的情况下，最后一个参数传0
glDrawElements(GL_TRIANGLES, sizeof(Indices)/sizeof(Indices[0]),
GL_UNSIGNED_BYTE, 0);
//EACAGLContext 渲染OpenGL绘制好的图像到EACAGLLayer
[_context presentRenderbuffer:GL_RENDERBUFFER];
}由于shader中pixelColor变量类型是varying类型，在处理未知值是，会自动插值，默认为线性插值。如果对shader的GLSL语法不熟悉，可以看这篇文章。
所以，当顶点之间的颜色不同是，fragment shader在处理图形内部的像素后会返回一个根据顶点插值后的数值，整个图形是渐变色的。
这里因为四个顶点都设置为了蓝色，所以绘制出来是一个蓝色的矩形。
（添加图）
使用OpenGL绘制YUV数据
以上内容简单介绍了如何使用OpenGL绘制，现在重点如何使用OpenGL绘制YUV数据。
YUV是一种颜色编码格式，常用的格式有YUV444,YUV422P,YUV420P,YUV420SP等。
本文主要研究YUV420P的I420与YUV420SP的NV12。
纹理
我们需要将YUV数据纹理的方式加载到OpenGL，再将纹理贴到之前创建矩形上，完成绘制。
将每个顶点赋予一个纹理坐标，OpenGL会根据纹理坐标插值得到图形内部的像素值。OpenGL的纹理坐标系是归一化的，取值范围是0 - 1，左下角是原点。
三角形贴上纹理需要的纹理坐标
纹理目标、纹理对象、纹理单元
- 纹理目标是显卡的软件接口中定义的句柄，指向要进行当前操作的显存。
- 纹理对象是我们创建的用来存储纹理的显存，在实际使用过程中使用的是创建后返回的ID。
- 纹理单元是显卡中所有的可用于在shader中进行纹理采样的显存，数量与显卡类型相关，至少16个。在激活某个纹理单元后，纹理目标就该纹理单元，默认激活的是GL_TEXTURE0。
可以这么想象，纹理目标是转轮手枪正对弹膛的单孔，纹理对象就是子弹，纹理单元是手枪的六个弹孔。下面用代码说明它们之间的关系。
//创建一个纹理对象数组，数组里是纹理对象的ID
GLuint texture[3];
//创建纹理对象，第一个参数是要创建的数量，第二个参数是数组的基址
glGenTextures(3, &texture);
//激活GL_TEXTURE0这个纹理单元，用于之后的纹理采样
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
//绑定纹理对象texture[0]到纹理目标GL_TEXTURE_2D，接下来对纹理目标的操作都发生在此对象上
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[0]);
//创建图像，采样工作在GL_TEXTURE0中完成，图像数据存储在GL_TEXTURE_2D绑定的对象，即texture[0]中。
glTexImage(GL_TEXTURE_2D, ...);
//解除绑定，此时再对GL_TEXTURE_2D不会影响到texture[0]，texture[0]的内存不会回收。
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
//可以不断创建新的纹理对象，直到显存耗净修改shader
之前创建的简单shader现在要修改代码，实现对YUV数据的绘制。如果对GLSL语法与YUV不熟悉，可以看OpenGL的着色语言：GLSL和YUV颜色编码解析。
//vertex shader
ttribute vec4 position;
attribute mediump vec2 textureCoordinate;//要获取的纹理坐标
varying mediump vec2 coordinate;//传递给fragm shader的纹理坐标，会自动插值
void main(void) {
gl_Position = vertexPosition;
coordinate = textureCoordinate;
}//fragment shader
precision mediump float;
uniform sampler2D SamplerY;//sample2D的常量，用来获取I420数据的Y平面数据
uniform sampler2D SamplerU;//U平面
uniform sampler2D SamplerV;//V平面
uniform sampler2D SamplerNV12_Y;//NV12数据的Y平面
uniform sampler2D SamplerNV12_UV;//NV12数据的UV平面
varying highp vec2 coordinate;//纹理坐标
uniform int yuvType;//0 代表 I420, 1 代表 NV12
//用来做YUV --> RGB 的变换矩阵
const vec3 delyuv = vec3(-0.0/255.0,-128.0/255.0,-128.0/255.0);
const vec3 matYUVRGB1 = vec3(1.0,0.0,1.402);
const vec3 matYUVRGB2 = vec3(1.0,-0.344,-0.714);
const vec3 matYUVRGB3 = vec3(1.0,1.772,0.0);
void main()
{
vec3 CurResult;
highp vec3 yuv;
if (yuvType == 0){
yuv.x = texture2D(SamplerY, coordinate).r;//因为是YUV的一个平面，所以采样后的r,g,b,a这四个参数的数值是一样的
yuv.y = texture2D(SamplerU, coordinate).r;
yuv.z = texture2D(SamplerV, coordinate).r;
}
else{
yuv.x = texture2D(SamplerY, coordinate).r;
yuv.y = texture2D(SamplerUV, coordinate).r;//因为NV12是2平面的，对于UV平面，在加载纹理时，会指定格式，让U值存在r,g,b中，V值存在a中。
yuv.z = texture2D(SamplerUV, coordinate).a;//这里会在下面解释
}
yuv += delyuv;//读取值得范围是0-255，读取时要-128回归原值
//用数量积来模拟矩阵变换，转换成RGB值
CurResult.x = dot(yuv,matYUVRGB1);
CurResult.y = dot(yuv,matYUVRGB2);
CurResult.z = dot(yuv,matYUVRGB3);
//输出像素值给光栅器
gl_FragColor = vec4(CurResult.rgb, 1);
}加载YUV数据到纹理对象
现在有了可以处理YUV数据的shader，我们需要加载YUV数据，来让OpenGL完成绘制。
//创建纹理对象,需要3个纹理对象来获取不同平面的数据
-(void)setupTexture{
_planarTextureHandles = (GLuint *)malloc(3*sizeof(GLuint));
glGenTextures(3, _planarTextureHandles);
}
-(void)feedTextureWithImageData:(Byte*)imageData imageSize:(CGSize)imageSize type:(NSInteger)type{
//根据YUV编码的特点，获得不同平面的基址
Byte * yPlane = imageData;
Byte * uPlane = imageData + imageSize.width*imageSize.height;
Byte * vPlane = imageData + imageSize.width*imageSize.height * 5 / 4;
if (type == 0) {
[self textureYUV:yPlane widthType:imageSize.width heightType:imageSize.height index:0];
[self textureYUV:uPlane widthType:imageSize.width/2 heightType:imageSize.height/2 index:1];
[self textureYUV:vPlane widthType:imageSize.width/2 heightType:imageSize.height/2 index:2];
}else{
[self textureYUV:yPlane widthType:imageSize.width heightType:imageSize.height index:0];
[self textureNV12:uPlane widthType:imageSize.width/2 heightType:imageSize.height/2 index:1];
}
}
- (void) textureYUV: (Byte*)imageData widthType: (int) width heightType: (int) height index: (int) index
{
//将纹理对象绑定到纹理目标
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, _planarTextureHandles[index]);
//设置放大和缩小时，纹理的过滤选项为：线性过滤
glTexParameteri( GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR );
glTexParameteri( GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR );
//设置纹理X,Y轴的纹理环绕选项为：边缘像素延伸
glTexParameteri( GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
glTexParameteri( GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
//加载图像数据到纹理，GL_LUMINANCE指明了图像数据的像素格式为只有亮度，虽然第三个和第七个参数都使用了GL_LUMINANCE，
//但意义是不一样的，前者指明了纹理对象的颜色分量成分，后者指明了图像数据的像素格式
//获得纹理对象后，其每个像素的r,g,b,a值都为相同，为加载图像的像素亮度，在这里就是YUV某一平面的分量值
glTexImage2D( GL_TEXTURE_2D, 0, GL_LUMINANCE, width, height, 0, GL_LUMINANCE, GL_UNSIGNED_BYTE, imageData );
//解绑
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
}CADisplayLink定时绘制
现在已经能够将YUV数据加载到纹理对象了，下一步来改造render方法，将其绘制到屏幕上。可以用CADisplayLink定时调用render方法，可以根据屏幕刷新频率来控制YUV视频流的帧率。
- (void)render {
//绘制黑色背景
glClearColor(0, 0, 0, 1.0);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
//获取平面的scale
CGFloat scale = [[UIScreen mainScreen] scale];
CGFloat width = _frame.size.width*scale;
CGFloat height = _frame.size.height*scale;
//创建一个OpenGL绘制的窗口
glViewport(0, 0,width,height);
[self drawTexture];
//EACAGLContext 渲染OpenGL绘制好的图像到EACAGLLayer
[_context presentRenderbuffer:GL_RENDERBUFFER];
}
//fragment shader的sample数组
GLint sampleHandle[3];
//绘制纹理
- (void) drawTexture{
//传纹理坐标给fragment shader
glVertexAttribPointer([AVGLShareInstance shareInstance].texCoordAttributeLocation, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE,
sizeof(Vertex), (void*)offsetof(Vertex, TexCoord));
glEnableVertexAttribArray([AVGLShareInstance shareInstance].texCoordAttributeLocation);
//传纹理的像素格式给fragment shader
GLint yuvType = glGetUniformLocation(_programHandle, "yuvType");
glUniform1i([AVGLShareInstance shareInstance].drawTypeUniform, yuvType);
//type: 0是I420, 1是NV12
int planarCount = 0;
if (type == 0) {
planarCount = 3;//I420有3个平面
sampleHandle[1] = glGetUniformLocation(_programHandle, "samplerY");
sampleHandle[2] = glGetUniformLocation(_programHandle, "samplerU");
sampleHandle[3] = glGetUniformLocation(_programHandle, "samplerV");
}else{
planarCount = 2;//NV12有两个平面
sampleHandle[1] = glGetUniformLocation(_programHandle, "SamplerNV12_Y");
sampleHandle[2] = glGetUniformLocation(_programHandle, "SamplerNV12_UV");
}
for (int i=0; i可以想象的应用场景
使用OpenGL绘制视频，是实现简单AR最简单的方式，也可以根据业务来对视频播放做进一步的个性定制，比如动态打码，贴纸等。