iOS8 Core Image In Swift：视频实时滤镜

栏目：互联网时间：2014-09-30 01:33:10

iOS8 Core Image In Swift：自动改善图像以及内置滤镜的使用

iOS8 Core Image In Swift：更复杂的滤镜

iOS8 Core Image In Swift：人脸检测以及马赛克

在Core Image之前，我们虽然也能在视频录制或照片拍摄中对图像进行实时处理，但远没有Core Image使用起来方便，我们稍后会通过一个Demo回顾一下以前的做法，在此之前的例子都可以在模拟器和真机中测试，而这个例子因为会用到摄像头，所以只能在真机上测试。

视频采集

我们要进行实时滤镜的前提，就是对摄像头以及UI操作的完全控制，那么我们将不能使用系统提供的Controller，需要自己去绘制一切。

先建立一个Single View Application工程（我命名名RealTimeFilter），还是在Storyboard里关掉Auto Layout和Size Classes，然后放一个Button进去，Button的事件连到VC的openCamera方法上，然后我们给VC加两个属性：

class ViewController: UIViewController , AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate {

var captureSession: AVCaptureSession!

var previewLayer: CALayer!

......

一个previewLayer用来做预览窗口，还有一个AVCaptureSession则是重点。

除此之外，我还对VC实现了AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate协议，这个会在后面说。
要使用AV框架，必须先引入库：import AVFoundation

在viewDidLoad里实现如下：

override func viewDidLoad() {

super.viewDidLoad()

previewLayer = CALayer()

previewLayer.bounds = CGRectMake(0, 0, self.view.frame.size.height, self.view.frame.size.width);

previewLayer.position = CGPointMake(self.view.frame.size.width / 2.0, self.view.frame.size.height / 2.0);

previewLayer.setAffineTransform(CGAffineTransformMakeRotation(CGFloat(M_PI / 2.0)));

self.view.layer.insertSublayer(previewLayer, atIndex: 0)

setupCaptureSession()

}

这里先对previewLayer进行初始化，注意bounds的宽、高和设置的旋转，这是因为AVFoundation产出的图像是旋转了90度的，所以这里预先调整过来，然后把layer插到最下面，全屏显示，最后调用初始化captureSession的方法：

func setupCaptureSession() {

captureSession = AVCaptureSession()

captureSession.beginConfiguration()

captureSession.sessionPreset = AVCaptureSessionPresetLow

let captureDevice = AVCaptureDevice.defaultDeviceWithMediaType(AVMediaTypeVideo)

let deviceInput = AVCaptureDeviceInput.deviceInputWithDevice(captureDevice, error: nil) as AVCaptureDeviceInput

if captureSession.canAddInput(deviceInput) {

captureSession.addInput(deviceInput)

}

let dataOutput = AVCaptureVideoDataOutput()

dataOutput.videoSettings = [kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey : kCVPixelFormatType_420YpCbCr8BiPlanarFullRange]

dataOutput.alwaysDiscardsLateVideoFrames = true

if captureSession.canAddOutput(dataOutput) {

captureSession.addOutput(dataOutput)

}

let queue = dispatch_queue_create("VideoQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL)

dataOutput.setSampleBufferDelegate(self, queue: queue)

captureSession.commitConfiguration()

}

从这个方法开始，就算正式开始了。

首先实例化一个AVCaptureSession对象，AVFoundation基于会话的概念，会话（session）被用于控制输入到输出的过程
beginConfiguration与commitConfiguration总是成对调用，当后者调用的时候，会批量配置session，且是线程安全的，更重要的是，可以在session运行中执行，总是使用这对方法是一个好的习惯
然后设置它的采集质量，除了AVCaptureSessionPresetLow以外还有很多其他选项，感兴趣可以自己看看。
获取采集设备，默认的摄像设备是后置摄像头。
把上一步获取到的设备作为输入设备添加到当前session中，先用canAddInput方法判断一下是个好习惯。
添加完输入设备后再添加输出设备到session中，我在这里添加的是AVCaptureVideoDataOutput，表示视频里的每一帧，除此之外，还有AVCaptureMovieFileOutput（完整的视频）、AVCaptureAudioDataOutput（音频）、AVCaptureStillImageOutput（静态图）等。关于videoSettings属性设置，可以先看看文档说明：

后面有写到虽然videoSettings是指定一个字典，但是目前只支持kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey，我们用它指定像素的输出格式，这个参数直接影响到生成图像的成功与否，由于我打算先做一个实时灰度的效果，所以这里使用kCVPixelFormatType_420YpCbCr8BiPlanarFullRange的输出格式，关于这个格式的详细说明，可以看最后面的参数资料3（YUV的维基）。
后面设置了alwaysDiscardsLateVideoFrames参数，表示丢弃延迟的帧；同样用canAddInput方法判断并添加到session中。
最后设置delegate回调（AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate协议）和回调时所处的GCD队列，并提交修改的配置。

我们现在完成一个session的建立过程，但这个session还没有开始工作，就像我们访问数据库的时候，要先打开数据库---然后建立连接---访问数据---关闭连接---关闭数据库一样，我们在openCamera方法里启动session：

@IBAction func openCamera(sender: UIButton) {

sender.enabled = false

captureSession.startRunning()

}

session启动之后，不出意外的话，回调就开始了，并且是实时回调（这也是为什么要把delegate回调放在一个GCD队列中的原因），我们处理

optional func captureOutput(captureOutput: AVCaptureOutput!, didOutputSampleBuffer sampleBuffer: CMSampleBuffer!, fromConnection connection: AVCaptureConnection!)

这个回调就可以了：

Core Image之前的方式

func captureOutput(captureOutput: AVCaptureOutput!,

didOutputSampleBuffer sampleBuffer: CMSampleBuffer!,

fromConnection connection: AVCaptureConnection!) {

let imageBuffer = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer)

CVPixelBufferLockBaseAddress(imageBuffer, 0)

let width = CVPixelBufferGetWidthOfPlane(imageBuffer, 0)

let height = CVPixelBufferGetHeightOfPlane(imageBuffer, 0)

let bytesPerRow = CVPixelBufferGetBytesPerRowOfPlane(imageBuffer, 0)

let lumaBuffer = CVPixelBufferGetBaseAddressOfPlane(imageBuffer, 0)

let grayColorSpace = CGColorSpaceCreateDeviceGray()

let context = CGBitmapContextCreate(lumaBuffer, width, height, 8, bytesPerRow, grayColorSpace, CGBitmapInfo.allZeros)

let cgImage = CGBitmapContextCreateImage(context)

dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), {

self.previewLayer.contents = cgImage

})

}

当数据缓冲区的内容更新的时候，AVFoundation就会马上调这个回调，所以我们可以在这里收集视频的每一帧，经过处理之后再渲染到layer上展示给用户。

首先这个回调给我们了一个CMSampleBufferRef类型的sampleBuffer，这是Core Media对象，我们可以通过CMSampleBufferGetImageBuffer方法把它转成Core Video对象。
然后我们把缓冲区的base地址给锁住了，锁住base地址是为了使缓冲区的内存地址变得可访问，否则在后面就取不到必需的数据，显示在layer上就只有黑屏，更详细的原因可以看这里：
http://stackoverflow.com/questions/6468535/cvpixelbufferlockbaseaddress-why-capture-still-image-using-avfoundation
接下来从缓冲区取图像的信息，包括宽、高、每行的字节数等
因为视频的缓冲区是YUV格式的，我们要把它的luma部分提取出来
我们为了把缓冲区的图像渲染到layer上，需要用Core Graphics创建一个颜色空间和图形上下文，然后通过创建的颜色空间把缓冲区的图像渲染到上下文中
cgImage就是从缓冲区创建的Core Graphics图像了（CGImage），最后我们在主线程把它赋值给layer的contents予以显示

现在在真机上编译、运行，应该能看到如下的实时灰度效果：

（这张图是通过手机截屏获取的，容易手抖，所以不是很清晰）

用Core Image处理

通过以上几步可以看到，代码不是很多，没有Core Image也能处理，但是比较费劲，难以理解、不好维护，如果想多增加一些效果（这仅仅是一个灰度效果），代码会变得非常臃肿，所以拓展性也不好。

事实上，我们想通过Core Image改造上面的代码也很简单，先从添加CIFilter和CIContext开始，这是Core Image的核心内容。

在VC上新增两个属性：

var filter: CIFilter!

lazy var context: CIContext = {

let eaglContext = EAGLContext(API: EAGLRenderingAPI.OpenGLES2)

let options = [kCIContextWorkingColorSpace : NSNull()]

return CIContext(EAGLContext: eaglContext, options: options)

}()

申明一个CIFilter对象，不用实例化；懒加载一个CIContext，这个CIContext的实例通过contextWithEAGLContext:方法构造，和我们之前所使用的不一样，虽然通过contextWithOptions:方法也能构造一个GPU的CIContext，但前者的优势在于：渲染图像的过程始终在GPU上进行，并且永远不会复制回CPU存储器上，这就保证了更快的渲染速度和更好的性能。

实际上，通过contextWithOptions:创建的GPU的context，虽然渲染是在GPU上执行，但是其输出的image是不能显示的，
只有当其被复制回CPU存储器上时，才会被转成一个可被显示的image类型，比如UIImage。

我们先创建了一个EAGLContext，再通过EAGLContext创建一个CIContext，并且通过把working color space设为nil来关闭颜色管理功能，颜色管理功能会降低性能，而且只有当对颜色保真度要求很高的时候才需要颜色管理功能，在其他情况下，特别是实时处理中，颜色保真都不是特别重要（性能第一，视频帧延迟很高的app大家都不会喜欢的）。

然后我们把session的配置过程稍微修改一下，只修改一处代码即可：

kCVPixelFormatType_420YpCbCr8BiPlanarFullRange

替换为

kCVPixelFormatType_32BGRA

我们把上面那个难以理解的格式替换为BGRA像素格式，大多数情况下用此格式即可。

再把session的回调进行一些修改，变成我们熟悉的方式，就像这样：

func captureOutput(captureOutput: AVCaptureOutput!,

didOutputSampleBuffer sampleBuffer: CMSampleBuffer!,

fromConnection connection: AVCaptureConnection!) {

let imageBuffer = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer)

// CVPixelBufferLockBaseAddress(imageBuffer, 0)

// let width = CVPixelBufferGetWidthOfPlane(imageBuffer, 0)

// let height = CVPixelBufferGetHeightOfPlane(imageBuffer, 0)

// let bytesPerRow = CVPixelBufferGetBytesPerRowOfPlane(imageBuffer, 0)

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