一、視頻渲染實現思路

① 思路說明

• 通過AVFoundation進行視頻數據的采集，并將采集到的原始數據存儲到CMSampleBufferRef中，即視頻幀數據（視頻幀其實本質也是一張圖片）。
• 通過CoreVideo將CMSampleBufferRef中存儲的圖像數據，轉換為Metal可以直接使用的紋理。
• 將Metal紋理進行渲染，并即刻顯示到屏幕上。

② 思路實現

• 在實際的開發應用中，AVFoundation 提供了一個 layer，即AVCaptureVideoPreviewLayer 預覽層，我們可以使用預覽層直接預覽視頻采集后的即可渲染，用于直接實現上面思路中的第二步和第三步。
• 根據官方文檔之AVCaptureVideoPreviewLayer說明，AVCaptureVideoPreviewLayer 是 CALayer 的子類，用于在輸入設備捕獲視頻時顯示視頻，此預覽圖層與捕獲會話結合使用，主要有以下三步：
  • 創建預覽層對象；
  • 將預覽層與captureSession鏈接；
  • 將預覽層加到view的子layer中。

// 創建一個預覽層let previewLayer = AVCaptureVideoPreviewLayer()// 將預覽層與捕獲會話連接previewLayer.session = captureSession// 將預覽圖層添加到視圖的圖層層次結構中view.layer.addSublayer（previewLayer）

③ 整體流程

• viewDidLoad函數：初始化Metal和視頻采集的準備工作；
• MTKViewDelegate協議方法：視頻采集數據轉換為紋理；
• AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate協議方法：將采集轉換后的紋理渲染到屏幕上。

二、初始化 Metal 和視頻采集的準備工作

① 整體流程如下：

② setupMetal函數

• 初始化MTKView，用于顯示視頻采集數據轉換后的紋理；

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

• 創建命令隊列：通過MTKView中的device創建；

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

• 設置MTKView的讀寫操作 & 創建紋理緩沖區：
  • MTKView中的framebufferOnly屬性，默認的幀緩存是只讀的即YES，由于view需要顯示紋理，所以需要該屬性改為可讀寫即NO；
  • 通過CVMetalTextureCacheCreate方法創建CoreVideo中的metal紋理緩存區，因為采集的視頻數據是通過CoreVideo轉換為metal紋理的，主要的用于存儲轉換后的metal紋理；

//注意: 在初始化MTKView 的基本操作以外. 還需要多下面2行代碼./*1. 設置MTKView 的drawable 紋理是可讀寫的(默認是只讀);2. 創建CVMetalTextureCacheRef _textureCache; 這是Core Video的Metal紋理緩存*///允許讀寫操作self.mtkView.framebufferOnly = NO;/*CVMetalTextureCacheCreate(CFAllocatorRef allocator,CFDictionaryRef cacheAttributes,id <MTLDevice> metalDevice,CFDictionaryRef textureAttributes,CVMetalTextureCacheRef * CV_NONNULL cacheOut )功能: 創建紋理緩存區參數1: allocator 內存分配器.默認即可.NULL參數2: cacheAttributes 緩存區行為字典.默認為NULL參數3: metalDevice參數4: textureAttributes 緩存創建紋理選項的字典. 使用默認選項NULL參數5: cacheOut 返回時，包含新創建的紋理緩存。*/CVMetalTextureCacheCreate(NULL, NULL, self.mtkView.device, NULL, &_textureCache);

③ setupCaptureSession函數

• 設置AVCaptureSession & 視頻采集的分辨率；

// 設置AVCaptureSession & 視頻采集的分辨率self.mCaptureSession = [[AVCaptureSession alloc] init];self.mCaptureSession.sessionPreset = AVCaptureSessionPreset1920x1080;

• 創建串行隊列：串行隊列創建的目的在于處理captureSession的交互時，不會影響主隊列，在蘋果官方文檔中有如下圖示，表示captureSession是如何管理設備的輸入 & 輸出，以及與主隊列之間的關系，session管理輸入和輸出圖示如下：

• 關于串行隊列在官方文檔中的描述：

• 實現邏輯如下：

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

• 設置輸入設備
  • 獲取后置攝像頭設備AVCaptureDevice：通過獲取設備數組，循環判斷找到后置攝像頭，將后置攝像頭設備為當前的輸入設備；
  • 通過攝像頭設備創建AVCaptureDeviceInput：將AVCaptureDevice 轉換為 AVCaptureDeviceInput，主要是因為 AVCaptureSession 無法直接使用 AVCaptureDevice，所以需要將device轉換為deviceInput；
  • 輸入設備添加到captureSession中：在添加之前，需要通過captureSession的canAddInput函數判斷是否可以添加輸入設備，如果可以，則通過session的addInput函數添加輸入設備；

// 獲取攝像頭設備(前置/后置攝像頭設備)NSArray *devices = [AVCaptureDevice devicesWithMediaType:AVMediaTypeVideo];AVCaptureDevice *inputCamera = nil;// 循環設備數組,找到后置攝像頭.設置為當前inputCamerafor (AVCaptureDevice *device in devices) {if ([device position] == AVCaptureDevicePositionBack) {// 拿到后置攝像頭inputCamera = device;}}// 將AVCaptureDevice 轉換為 AVCaptureDeviceInput，即輸入// AVCaptureSession 無法直接使用 AVCaptureDevice，所喲需要將device轉換為deviceInputself.mCaptureDeviceInput = [[AVCaptureDeviceInput alloc] initWithDevice:inputCamera error:nil];// 將設備添加到captureSession中,需要先判斷能否添加輸入if ([self.mCaptureSession canAddInput:self.mCaptureDeviceInput]) {[self.mCaptureSession addInput:self.mCaptureDeviceInput];}

• 設置輸出設備
  • 創建AVCaptureVideoDataOutput對象，即輸出設備；
  • 設置輸出設備的setAlwaysDiscardsLateVideoFrames屬性（表示視頻幀延時使是否丟棄數據）為NO：
    • YES：處理現有幀的調度隊列，在captureOutput:didOutputSampleBuffer:FromConnection:Delegate方法中被阻止時，對象會立即丟棄捕獲的幀；
    • NO：在丟棄新幀之前，允許委托有更多的時間處理舊幀，但這樣可能會內存增加
  • 設置輸出設備的setVideoSettings屬性（即像素格式），表示每一個像素點顏色保存的格式，且設置的格式是BGRA，而不是YUV，主要是為了避免Shader轉換，如果使用了YUV格式，就需要編寫shader來進行顏色格式轉換；
  • 設置輸出設備的視頻捕捉輸出的delegate；
  • 將輸出設備添加到captureSession中；

// 創建AVCaptureVideoDataOutput對象，即輸出 & 設置輸出相關屬性self.mCaptureDeviceOutput = [[AVCaptureVideoDataOutput alloc] init];/*設置視頻幀延遲到底時是否丟棄數據YES: 處理現有幀的調度隊列在captureOutput:didOutputSampleBuffer:FromConnection:Delegate方法中被阻止時，對象會立即丟棄捕獲的幀。NO: 在丟棄新幀之前，允許委托有更多的時間處理舊幀，但這樣可能會內存增加.*/// 視頻幀延遲是否需要丟幀[self.mCaptureDeviceOutput setAlwaysDiscardsLateVideoFrames:NO];// 設置像素格式：每一個像素點顏色保存的格式// 這里設置格式為BGRA，而不用YUV的顏色空間，避免使用Shader轉換，如果使用YUV格式，需要編寫shade來進行顏色格式轉換// 注意:這里必須和后面CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage 保存圖像像素存儲格式保持一致.否則視頻會出現異常現象.[self.mCaptureDeviceOutput setVideoSettings:[NSDictionary dictionaryWithObject:[NSNumber numberWithInt:kCVPixelFormatType_32BGRA] forKey:(id)kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey]];// 設置視頻捕捉輸出的代理方法：將采集的視頻數據輸出[self.mCaptureDeviceOutput setSampleBufferDelegate:self queue:self.mProcessQueue];// 添加輸出，即添加到captureSession中if ([self.mCaptureSession canAddOutput:self.mCaptureDeviceOutput]) {[self.mCaptureSession addOutput:self.mCaptureDeviceOutput];}

• 輸入與輸出鏈接 & 設置視頻輸出方向：通過AVCaptureConnection鏈接輸入和輸出，并設置connect的視頻輸出方向，即設置videoOrientation屬性；

// 輸入與輸出鏈接AVCaptureConnection *connection = [self.mCaptureDeviceOutput connectionWithMediaType:AVMediaTypeVideo];// 設置視頻輸出方向// 注意: 一定要設置視頻方向.否則視頻會是朝向異常的.[connection setVideoOrientation:AVCaptureVideoOrientationPortrait];

• 輸入與輸出鏈接 & 設置視頻輸出方向：通過AVCaptureConnection鏈接輸入和輸出，并設置connect的視頻輸出方向，即設置videoOrientation屬性；

// 輸入與輸出鏈接AVCaptureConnection *connection = [self.mCaptureDeviceOutput connectionWithMediaType:AVMediaTypeVideo];// 設置視頻輸出方向// 注意: 一定要設置視頻方向.否則視頻會是朝向異常的[connection setVideoOrientation:AVCaptureVideoOrientationPortrait];

• 開始捕捉，即開始視頻采集，也可以通過一個按鈕來控制視頻采集的開始與停止
  • startRunning：開啟捕捉
  • stopRunning：停止捕捉

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

三 、AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate協議

① 整體流程

• 在視頻采集的同時，采集到的視頻數據，即視頻幀會自動回調視頻采集回調方法captureOutput:didOutputSampleBuffer:fromConnection:，在該方法中處理采集到的原始視頻數據，將其轉換為metal紋理；
• didOutputSampleBuffer代理方法：主要是獲取視頻的幀數據，將其轉換為metal紋理，函數流程如下：

② 流程分解說明

• 從sampleBuffer中獲取位圖：通過CMSampleBufferGetImageBuffer函數從sampleBuffer形參中獲取視頻像素緩存區對象，即視頻幀數據，平常所說的位圖：

// 從sampleBuffer 獲取視頻像素緩存區對象，即獲取位圖CVPixelBufferRef pixelBuffer = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer);

• 獲取捕捉視頻幀的寬高：通過CoreVideo中的CVPixelBufferGetWidth和CVPixelBufferGetHeight函數獲取寬高；

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

• 將位圖轉換為metal紋理：
  • 通過CVMetalTextureRef創建臨時紋理；
  • 通過CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage函數創建metal紋理緩沖區，賦值給臨時紋理；
  • 判斷臨時紋理是否創建成功，如果臨時紋理創建成功，則繼續往下執行；
  • 設置MTKView中的drawableSize屬性，即表示可繪制紋理的大小；
  • 通過CVMetalTextureGetTexture函數，獲取紋理緩沖區的metal紋理對象；
  • 釋放臨時紋理；

// 將位圖轉換為紋理// 方法來自CoreVideo/* 根據視頻像素緩存區 創建 Metal 紋理緩存區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: 從現有圖像緩沖區創建核心視頻Metal紋理緩沖區。參數1: allocator 內存分配器,默認kCFAllocatorDefault參數2: textureCache 紋理緩存區對象參數3: sourceImage 視頻圖像緩沖區參數4: textureAttributes 紋理參數字典.默認為NULL參數5: pixelFormat 圖像緩存區數據的Metal 像素格式常量.注意如果MTLPixelFormatBGRA8Unorm和攝像頭采集時設置的顏色格式不一致，則會出現圖像異常的情況；參數6: width,紋理圖像的寬度（像素）參數7: height,紋理圖像的高度（像素）參數8: planeIndex 顏色通道.如果圖像緩沖區是平面的，則為映射紋理數據的平面索引。對于非平面圖像緩沖區忽略。參數9: textureOut,返回時，返回創建的Metal紋理緩沖區。*/// 創建臨時紋理CVMetalTextureRef tmpTexture = NULL;CVReturn status = CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage(kCFAllocatorDefault, self.textureCache, pixelBuffer, NULL, MTLPixelFormatBGRA8Unorm, width, height, 0, &tmpTexture);// 判斷 tmpTexture 是否創建成功if (status == kCVReturnSuccess) {// 創建成功// 設置可繪制紋理的大小self.mtkView.drawableSize = CGSizeMake(width, height);// 返回紋理緩沖區的metal紋理對象self.texture = CVMetalTextureGetTexture(tmpTexture);// 使用完畢，釋放tmptextureCFRelease(tmpTexture);}

四、MTKViewDelegate協議

① 說明

• 將獲取的metal紋理即刻渲染并顯示到屏幕上，這里是通過MTKViewDelegate協議的drawInMTKView代理方法渲染并顯示。
• drawInMTKView代理方法
  MTKView默認的幀速率與屏幕刷新頻率一致，所以每當屏幕刷新時，都會回調 視頻采集方法和視圖渲染方法，以下是視圖渲染方法執行流程：

② 具體步驟

• 判斷紋理是否獲取成功：即紋理不為空，如果紋理為空，則沒必要執行視圖渲染流程；
• 通過commandQueue創建commandBuffer命令緩存區；
• 將MTKView的紋理作為目標渲染紋理，即獲取view中紋理對象
• 設置高斯模糊濾鏡：
  • MetalPerformanceShaders是Metal的一個集成庫，有一些濾鏡處理的Metal實現；
  • 此時的濾鏡就等價于Metal中的MTLRenderCommandEncoder渲染命令編碼器，類似于GLSL中program；
  • 高斯模糊濾鏡在渲染時，會觸發離屏渲染，且其中的sigma值設置的越高，圖像越模糊；

// 設置濾鏡（Metal封裝了一些濾鏡）// 高斯模糊 渲染時，會觸發 離屏渲染/*MetalPerformanceShaders是Metal的一個集成庫，有一些濾鏡處理的Metal實現;MPSImageGaussianBlur 高斯模糊處理;*/// 創建高斯濾鏡處理filter// 注意:sigma值可以修改，sigma值越高圖像越模糊;MPSImageGaussianBlur *filter = [[MPSImageGaussianBlur alloc] initWithDevice:self.mtkView.device sigma:5];// MPSImageGaussianBlur以一個Metal紋理作為輸入，以一個Metal紋理作為輸出；// 輸入:攝像頭采集的圖像 self.texture// 輸出:創建的紋理 drawingTexture(其實就是view.currentDrawable.texture)// filter等價于Metal中的MTLRenderCommandEncoder 渲染命令編碼器，類似于GLSL中的program[filter encodeToCommandBuffer:commandBuffer sourceTexture:self.texture destinationTexture:drawingTexture];

• 將獲取的紋理顯示到屏幕上；
• 將commandBuffer通過commit提交給GPU；
• 清空當前紋理，為下一次紋理數據讀取做準備；
  如果不清空，也是可以的，下一次的紋理數據會將上次的數據覆蓋；

// 展示顯示的內容[commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];// 提交命令[commandBuffer commit];// 清空當前紋理，準備下一次的紋理數據讀取// 如果不清空，也是可以的，下一次的紋理數據會將上次的數據覆蓋self.texture = NULL;

五、總結

① 視頻采集流程

• 設置session；
• 創建串行隊列；
• 設置輸入設備；
• 設置輸出設備；
• 輸入與輸出鏈接；
• 設置視頻輸出方向；
• 開始捕捉，即開始視頻采集；
• AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate協議處理采集后的視頻數據；

② 如何判斷采集的數據是音頻還是視頻

• 通過AVCaptureConnection判斷
  • 視頻：包含視頻輸入設備 & 視頻輸出設備，通過AVCaptureConnection鏈接起來
  • 音頻：包含音頻輸入設備 & 音頻輸出設備，同樣通過AVCaptureConnection鏈接起來
  • 如果需要判斷當前采集的輸出是視頻還是音頻，需要將connect對象設置為全局變量，然后在采集回調方法captureOutput:didOutputSampleBuffer:fromConnection:中判斷全局的connection 是否等于代理方法參數中的coneection ，如果相等，就是視頻，反之是音頻；
• 通過AVCaptureOutput判斷
  在采集回調方法captureOutput:didOutputSampleBuffer:fromConnection:中判斷output形參的類型，如果是AVCaptureVideoDataOutput 類型則是視頻，反之，是音頻。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Metal之实现视频采集与实时渲染的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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