0x00 - 前言
之前做一些移动端的AR应用以及目前看到的一些AR应用，基本上都是这样一个套路：手机背景显示现实场景，然后在该背景上进行图形学绘制。至于图形学绘制时，相机外参的解算使用的是V-SLAM、Marker-Based还是GPS的方法，就不一而足了。
所以说要在手机上进行现实场景的展现也是目前AR应用一个比较重要的模块。一般来说，在移动端，基本上都是使用OpenGL ES进行绘制。所以我们优先考虑使用OpenGL ES进行相机的绘制。当然，有些应用直接利用iOS的UIImage进行相机场景的展示，这也是可以的，不过考虑到与OpenGL ES的绘制环境兼容性、Android端的复用情况以及UIImage的效率情况，我决定还是使用OpenGL ES进行绘制，这样与后面的图形绘制（OpenGL ES）可以统一绘制环境，另外OpenGL ES是可以跨平台的，代码也可以很方便地移植到Android端，并且OpenGL ES比UIImage更接近图形硬件，所以效率上要快那么一丢丢。
利用相机绘制部分其实已经有一些解决方案了，但是基本上每个应用的绘制方式都不一样。目前来说我看到过比较好的就是ARToolKit的方式，但是ARToolKit工程化程度已经很高了，想将其中的相机绘制部分分离出来为自己所用，对于渣渣的我来说，两个字——“太难”。所以此处我自己写了一个相机绘制的模块，虽然说在鲁棒性上还差很多，但是基本可以用来做做小Demo。如果大家想做一个商用的AR应用，建议直接使用ARToolKit的相机绘制代码。
0x01 - 思路
因为我只会iOS，所以这里主要讲解的是在iOS上利用OpenGL ES绘制相机。另外，相对于OpenGL ES 2.0，1.0更为简单，所以此处使用的OpenGL ES版本为1.0，当然，后面肯定会兼容2.0。
我们都知道iOS中相机的绘制离不开AVCaptureSession。利用AVCaptureSession可以获取到实时相机拍摄内容。随后利用OpenGL ES中绘制纹理的方式将该内容绘制到屏幕上。整个思路就是这么简单。主要涉及两个部分，一个是AVCaptureSession的使用，一个是iOS上OpenGl ES的绘制。
0x02 - AVCaptureSession获取拍摄内容
AVCaptureSession使用流程主要分为两部分。第一部分是配置相机输入输出的功能参数，比如拍摄分辨率、相机焦距、曝光、白平衡等等。另一部分是利用AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate这个代理中的函数
- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)captureOutput didOutputSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection;
获取到具体的拍摄内容。
2.1 配置相机功能参数
配置相机功能参数其实就是配置AVCaptureSession对象。这里面主要涉及到四个类AVCaptureSession、AVCaptureDevice、AVCaptureDeviceInput和AVCaptureVideoDataOutput。这四个类的关系如下：
AVCaptureSession是管理AVCaptureDeviceInput和AVCaptureVideoDataOutput，也就是管理输入输出过程，所以称作Session。相机的输入配置就是AVCaptureDeviceInput，主要解决是否使用自动曝光、自动白平衡之类的，而输出配置就是AVCaptureVideoDataOutput，主要决定输出视频图像的格式之类的。AVCaptureDevice表示捕捉设备，因为具体捕获的内容不明确，所以还会区分捕捉视频的设备还是捕捉声音的设备。这里我们从捕捉这个词可以看出其实AVCaptureDevice和输入AVCaptureDeviceInput关系紧密。
简单介绍一下代码中对于AVCaptureSession对象session的配置：
- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)captureOutput didOutputSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection { // 时间戳，以后的文章需要该信息。此处可以忽略 CMTime timestamp = CMSampleBufferGetPresentationTimeStamp(sampleBuffer); if (CMTIME_IS_VALID(self.preTimeStamp)) { self.videoFrameRate = 1.0 / CMTimeGetSeconds(CMTimeSubtract(timestamp, self.preTimeStamp)); } self.preTimeStamp = timestamp; // 获取图像缓存区内容 CVImageBufferRef pixelBuffer = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer); // 锁定pixelBuffer的基址，与下面解锁基址成对 // CVPixelBufferLockBaseAddress要传两个参数 // 第一个参数是你要锁定的buffer的基址,第二个参数目前还未定义,直接传'0'即可 CVPixelBufferLockBaseAddress(pixelBuffer, 0); // 获取图像缓存区的宽高 int buffWidth = static_cast<int>(CVPixelBufferGetWidth(pixelBuffer)); int buffHeight = static_cast<int>(CVPixelBufferGetHeight(pixelBuffer)); // 这一步很重要，将图像缓存区的内容转化为C语言中的unsigned char指针 // 因为我们在相机设置时，图像格式为BGRA，而后面OpenGL ES的纹理格式为RGBA // 这里使用OpenCV转换格式，当然，你也可以不用OpenCV，手动直接交换R和B两个分量即可 unsigned char* imageData = (unsigned char*)CVPixelBufferGetBaseAddress(pixelBuffer); _imgMat = cv::Mat(buffWidth, buffHeight, CV_8UC4, imageData); cv::cvtColor(_imgMat, _imgMat, CV_BGRA2RGBA); // 解锁pixelBuffer的基址 CVPixelBufferUnlockBaseAddress(pixelBuffer, 0); // 绘制部分 // ... }
2.2 获取拍摄内容
设置好了相机的各种参数，同时启动Session，就可以在函数
- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)captureOutput didOutputSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection
中获取到每帧图像，并进行处理。
- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)captureOutput didOutputSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection { // 时间戳，以后的文章需要该信息。此处可以忽略 CMTime timestamp = CMSampleBufferGetPresentationTimeStamp(sampleBuffer); if (CMTIME_IS_VALID(self.preTimeStamp)) { self.videoFrameRate = 1.0 / CMTimeGetSeconds(CMTimeSubtract(timestamp, self.preTimeStamp)); } self.preTimeStamp = timestamp; // 获取图像缓存区内容 CVImageBufferRef pixelBuffer = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer); // 锁定pixelBuffer的基址 // CVPixelBufferLockBaseAddress要传两个参数 // 第一个参数是你要锁定的buffer的基址,第二个参数目前还未定义,直接传'0'即可 CVPixelBufferLockBaseAddress(pixelBuffer, 0); // 获取图像缓存区的宽高 int buffWidth = static_cast<int>(CVPixelBufferGetWidth(pixelBuffer)); int buffHeight = static_cast<int>(CVPixelBufferGetHeight(pixelBuffer)); // 这一步很重要，将图像缓存区的内容转化为C语言中的unsigned char指针 // 因为我们在相机设置时，图像格式为BGRA，而后面OpenGL ES的纹理格式为RGBA // 这里使用OpenCV转换格式，当然，你也可以不用OpenCV，手动直接交换R和B两个分量即可 unsigned char* imageData = (unsigned char*)CVPixelBufferGetBaseAddress(pixelBuffer); cv::Mat imgMat(buffWidth, buffHeight, CV_8UC4, imageData); cv::cvtColor(imgMat, imgMat, CV_BGRA2RGBA); }
0x03 – OpenGL ES绘制相机
有了相机捕获的每帧图像后，就可以使用贴纹理的方式将其绘制在手机屏幕上了。但是在这之前还需要做一件事情，那就是初始化iOS的OpenGL ES 1.0绘制环境。
这里我们将一个普通UIView设置为可以进行OpenGL ES 1.0进行绘制的EAGLView。
@implementation EAGLView // 默认UIView的layerClass为[CALayer class] // 重写layerClass为CAEAGLLayer，这样self.layer返回的就不是CALayer // 而是支持OpenGL ES的CAEAGLLayer + (Class)layerClass { return [CAEAGLLayer class]; } #pragma mark - init methods - (instancetype)initWithFrame:(CGRect)frame { if (self = [super initWithFrame:frame]) { CAEAGLLayer *eaglLayer = (CAEAGLLayer *)self.layer; // layer默认时透明的，只有设置为不透明才能看见 eaglLayer.opaque = TRUE; // 配置eaglLayer的绘制属性 // kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking不维持上一次绘制内容，也就说每次绘制之前都重置一下之前的绘制内容 // kEAGLDrawablePropertyColorFormat像素格式为RGBA，注意和相机直接给的BGRA不一致，需要转换 eaglLayer.drawableProperties = [NSDictionary dictionaryWithObjectsAndKeys: [NSNumber numberWithBool:FALSE], kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking, kEAGLColorFormatRGBA8, kEAGLDrawablePropertyColorFormat, nil]; // 此处使用OpenGL ES 1.0进行绘制，所以实例化ES1Renderer // ES1Renderer表示的是OpenGL ES 1.0绘制环境，后面详解 if (!_renderder) { _renderder = [[ES1Renderer alloc] init]; if (!_renderder) { return nil; } } } return self; } #pragma mark - life cycles - (void)layoutSubviews { // 利用renderer渲染器进行绘制 [_renderder resizeFromLayer:(CAEAGLLayer *)self.layer]; } @end
上述我们提供了EAGLView，相当于给OpenGL ES提供了画布。而代码中的renderer是一个具有渲染功能的对象，类似于画笔。考虑到以后需要兼容OpenGL ES 1.0和2.0，所以抽象了一个ESRenderProtocol协议，OpenGL ES 1.0和2.0分别实现该协议中方法，这样EAGLView就不需要关心在不同的OpenGL ES环境中不同的绘制实现。这里主要使用OpenGL ES 1.0，对应的就是ES1Renderer类，注意ES1Renderer需要遵循ESRenderProtocol协议。下面为ES1Renderer.h内容。
#import <Foundation/Foundation.h> #import <OpenGLES/ES1/gl.h> #import <OpenGLES/ES1/glext.h> #import "ESRenderProtocol.h" @class PJXVideoBuffer; @interface ES1Renderer : NSObject <ESRenderProtocol> // OpenGL ES绘制上下文环境 // 只有在在当前线程中设置好了该上下文环境，才能使用OpenGL ES的功能 @property (nonatomic, strong) EAGLContext *context; // 绘制camera的纹理id @property (nonatomic, assign) GLuint camTexId; // render buffer和frame buffer @property (nonatomic, assign) GLuint defaultFrameBuffer; @property (nonatomic, assign) GLuint colorRenderBuffer; // 获取到render buffer的宽高 @property (nonatomic, assign) GLint backingWidth; @property (nonatomic, assign) GLint backingHeight; // 引用了videoBuffer，主要用于启动捕捉图像的Session以及获取捕捉到的图像 @property (nonatomic, strong) PJXVideoBuffer *videoBuffer; @end
ES1Renderer.mm内容，主要是构建绘制上下文环境，并将videoBuffer生成的相机图像变成纹理绘制到屏幕上。
#import "ES1Renderer.h" #import "PJXVideoBuffer.h" @implementation ES1Renderer #pragma mark - init methods // 1.构建和设置绘制上下文环境 // 2.生成frame buffer和render buffer并绑定 // 3.生成相机纹理 - (instancetype)init { if (self = [super init]) { // 构建OpenGL ES 1.0绘制上下文环境 _context = [[EAGLContext alloc] initWithAPI:kEAGLRenderingAPIOpenGLES1]; // 设置当前绘制上下文环境为OpenGL ES 1.0 if (!_context || ![EAGLContext setCurrentContext:_context]) { return nil; } // 生成frame buffer和render buffer // frame buffer并不是一个真正的buffer，而是用来管理render buffer、depth buffer、stencil buffer // render buffer相当于主要是存储像素值的 // 所以需要glFramebufferRenderbufferOES将render buffer绑定到frame buffer的GL_COLOR_ATTACHMENT0_OES上 glGenFramebuffersOES(1, &_defaultFrameBuffer); glGenRenderbuffersOES(1, &_colorRenderBuffer); glBindFramebufferOES(GL_FRAMEBUFFER_OES, _defaultFrameBuffer); glBindRenderbufferOES(GL_RENDERBUFFER_OES, _colorRenderBuffer); glFramebufferRenderbufferOES(GL_FRAMEBUFFER_OES, GL_COLOR_ATTACHMENT0_OES, GL_RENDERBUFFER_OES, _colorRenderBuffer); // 构建一个绘制相机的纹理 _camTexId = [self genTexWithWidth:640 height:480]; } return self; } #pragma mark - private methods // 构建一个宽width高height的纹理对象 - (GLuint)genTexWithWidth:(GLuint)width height:(GLuint)height { GLuint texId; // 生成并绑定纹理对象 glGenTextures(1, &texId); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texId); // 注意这里纹理的像素格式为GL_RGBA glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, width, height, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL); // 各种纹理参数，这里不赘述 glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_GENERATE_MIPMAP, GL_FALSE); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR); // 解绑纹理对象 glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0); return texId; } #pragma mark - ESRenderProtocol - (void)render { // 设置绘制上下文 [EAGLContext setCurrentContext:_context]; glBindFramebufferOES(GL_FRAMEBUFFER_OES, _defaultFrameBuffer); // 相机纹理坐标 static GLfloat spriteTexcoords[] = { 0,0, 1,0, 0,1, 1,1}; // 相机顶点坐标 static GLfloat spriteVertices[] = { 0,0, 0,640, 480,0, 480,640}; // 清除颜色缓存 glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); // 视口矩阵 glViewport(0, 0, _backingWidth, _backingHeight); // 投影矩阵 glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); // 正投影 glOrthof(480, 0, _backingHeight*480/_backingWidth, 0, 0, 1); // 852 = 568*480/320 // 模型视图矩阵 glMatrixMode(GL_MODELVIEW); glLoadIdentity(); // OpenGL ES使用的是状态机方式 // 以下开启的意义是在GPU上分配对应空间 glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY); // 开启顶点数组 glEnableClientState(GL_TEXTURE_COORD_ARRAY); // 开启纹理坐标数组 glEnable(GL_TEXTURE_2D); // 开启2D纹理 // 因为spriteVertices、spriteTexcoords、_camTexId还在CPU内存，需要传递给GPU处理 // 将spriteVertices传递到顶点数组中 glVertexPointer(2, GL_FLOAT, 0, spriteVertices); // 将spriteTexcoords传递到纹理坐标数组中 glTexCoordPointer(2, GL_FLOAT, 0, spriteTexcoords); // 将camTexId纹理对象绑定到2D纹理 glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, _camTexId); // 根据videoBuffer获取imgMat（相机图像） glTexSubImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 0, 0, 640, 480, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, _videoBuffer.imgMat.data); // 绘制纹理 glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP, 0, 4); // 解绑2D纹理 glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0); // 与上面的glEnable*一一对应 glDisable(GL_TEXTURE_2D); glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY); glDisableClientState(GL_TEXTURE_COORD_ARRAY); // 将render buffer内容绘制到屏幕上 glBindRenderbufferOES(GL_RENDERBUFFER_OES, _colorRenderBuffer); [_context presentRenderbuffer:GL_RENDERBUFFER_OES]; } - (BOOL)resizeFromLayer:(CAEAGLLayer *)layer { // 与init中类似，重新绑定一下而已 glBindRenderbufferOES(GL_RENDERBUFFER_OES, _colorRenderBuffer); [_context renderbufferStorage:GL_RENDERBUFFER_OES fromDrawable:layer]; glGetRenderbufferParameterivOES(GL_RENDERBUFFER_OES, GL_RENDERBUFFER_WIDTH_OES, &_backingWidth); glGetRenderbufferParameterivOES(GL_RENDERBUFFER_OES, GL_RENDERBUFFER_HEIGHT_OES, &_backingHeight); // 状态检查 if (glCheckFramebufferStatusOES(GL_FRAMEBUFFER_OES) != GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE_OES) { PJXLog(@"Failed to make complete framebuffer object %x", glCheckFramebufferStatusOES(GL_FRAMEBUFFER_OES)); return NO; } // 实例化videoBuffer并启动捕获图像任务 if (_videoBuffer == nil) { // 注意PJXVideoBuffer的delegate为ES1Renderer，主要在videoBuffer中执行render函数来绘制相机 _videoBuffer = [[PJXVideoBuffer alloc] initWithDelegate:self]; [_videoBuffer.session startRunning]; } return YES; } @end
0x04-效果显示
因为我使用的为iPhone5s，分辨率为320x568，而相机图像分辨率为480x640。所以为了让图像全部能显示在屏幕上，我选择了等宽显示。
为了方便大家使用代码，现已将代码提交到GitHub上了，请猛戳此处。