前言

Metal入门教程（一）图片绘制
 Metal入门教程（二）三维变换

前面的教程介绍了如何绘制一张图片和如何把图片显示到3D物体上并进行三维变换，这次介绍如何用Metal渲染摄像头采集到的图像。

Metal系列教程的代码地址；
OpenGL ES系列教程在这里；

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正文

核心思路

用AVFoundation采集摄像头数据得到CMSampleBufferRef，用CoreVideo提供的方法将图像数据转为Metal的纹理，再用MetalPerformanceShaders的高斯模糊滤镜对图像进行处理，结果展示到屏幕上。

效果展示

123.gif

具体步骤

1、Metal相关设置

- (void)setupMetal {
    self.mtkView = [[MTKView alloc] initWithFrame:self.view.bounds];
    self.mtkView.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();
    [self.view insertSubview:self.mtkView atIndex:0];
    self.mtkView.delegate = self;
    self.mtkView.framebufferOnly = NO;
    self.commandQueue = [self.mtkView.device newCommandQueue];
    CVMetalTextureCacheCreate(NULL, NULL, self.mtkView.device, NULL, &_textureCache);
}

除了正常创建和初始化MTKView之外，这里还多两行代码：

设置MTKView的dramwable纹理是可读写的；（默认是只读）
创建CVMetalTextureCacheRef _textureCache，这是Core Video的Metal纹理缓存；

2、摄像头采集设置

- (void)setupCaptureSession {
    self.mCaptureSession = [[AVCaptureSession alloc] init];
    self.mCaptureSession.sessionPreset = AVCaptureSessionPreset1920x1080;
    self.mProcessQueue = dispatch_queue_create("mProcessQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL); // 串行队列
    AVCaptureDevice *inputCamera = nil;
    NSArray *devices = [AVCaptureDevice devicesWithMediaType:AVMediaTypeVideo];
    for (AVCaptureDevice *device in devices) {
        if ([device position] == AVCaptureDevicePositionBack) {
            inputCamera = device;
        }
    }
    self.mCaptureDeviceInput = [[AVCaptureDeviceInput alloc] initWithDevice:inputCamera error:nil];
    if ([self.mCaptureSession canAddInput:self.mCaptureDeviceInput]) {
        [self.mCaptureSession addInput:self.mCaptureDeviceInput];
    }
    self.mCaptureDeviceOutput = [[AVCaptureVideoDataOutput alloc] init];
    [self.mCaptureDeviceOutput setAlwaysDiscardsLateVideoFrames:NO];
    // 这里设置格式为BGRA，而不用YUV的颜色空间，避免使用Shader转换
    [self.mCaptureDeviceOutput setVideoSettings:[NSDictionary dictionaryWithObject:[NSNumber numberWithInt:kCVPixelFormatType_32BGRA] forKey:(id)kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey]];
    [self.mCaptureDeviceOutput setSampleBufferDelegate:self queue:self.mProcessQueue];
    if ([self.mCaptureSession canAddOutput:self.mCaptureDeviceOutput]) {
        [self.mCaptureSession addOutput:self.mCaptureDeviceOutput];
    }
    AVCaptureConnection *connection = [self.mCaptureDeviceOutput connectionWithMediaType:AVMediaTypeVideo];
    [connection setVideoOrientation:AVCaptureVideoOrientationPortrait]; // 设置方向
    [self.mCaptureSession startRunning];
}

创建AVCaptureSession、AVCaptureDeviceInput和AVCaptureVideoDataOutput，注意在创建AVCaptureVideoDataOutput时，需要指定内容格式，这里使用的是BGRA的格式；
同时需要设定采集的方向，否则图像会出现旋转；

3、摄像头采集回调

- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)captureOutput didOutputSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection {
    CVPixelBufferRef pixelBuffer = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer);
    
    size_t width = CVPixelBufferGetWidth(pixelBuffer);
    size_t height = CVPixelBufferGetHeight(pixelBuffer);
    
    CVMetalTextureRef tmpTexture = NULL;
    // 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；
    CVReturn status = CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage(kCFAllocatorDefault, self.textureCache, pixelBuffer, NULL, MTLPixelFormatBGRA8Unorm, width, height, 0, &tmpTexture);
    if(status == kCVReturnSuccess)
    {
        self.mtkView.drawableSize = CGSizeMake(width, height);
        self.texture = CVMetalTextureGetTexture(tmpTexture);
        CFRelease(tmpTexture);
    }
}

这是demo的核心内容，摄像头回传CMSampleBufferRef数据，找到CVPixelBufferRef，用CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage创建CoreVideo的Metal纹理缓存CVMetalTextureRef，最后通过CVMetalTextureGetTexture得到Metal的纹理；
这个过程与Metal入门教程（一）图片绘制使用device newTextureWithDescriptor创建纹理，再通过texture replaceRegion的方式上传纹理数据类似，但是性能上有提升。

4、渲染处理

- (void)drawInMTKView:(MTKView *)view {
    if (self.texture) {
        id<MTLCommandBuffer> commandBuffer = [self.commandQueue commandBuffer]; // 创建指令缓冲
        id<MTLTexture> drawingTexture = view.currentDrawable.texture; // 把MKTView作为目标纹理
        
        MPSImageGaussianBlur *filter = [[MPSImageGaussianBlur alloc] initWithDevice:self.mtkView.device sigma:1]; // 这里的sigma值可以修改，sigma值越高图像越模糊
        [filter encodeToCommandBuffer:commandBuffer sourceTexture:self.texture destinationTexture:drawingTexture]; // 把摄像头返回图像数据的原始数据
        
        [commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable]; // 展示数据
        [commandBuffer commit];
        
        self.texture = NULL;
    }
}

这也是demo的核心内容，MetalPerformanceShaders是Metal的一个集成库，有一些滤镜处理的Metal实现，demo选用其中的高斯模糊处理MPSImageGaussianBlur；
MPSImageGaussianBlur以一个Metal纹理作为输入，以一个Metal纹理作为输出；
这里的输入是从摄像头采集的图像，也即是第三步创建的纹理；输出的纹理是MTKView的currentDrawable.texture；
在绘制完之后调用presentDrawable:展示渲染结果。

注意事项

1、运行后Crash，提示frameBufferOnly texture not supported for compute
这是因为MTKView的drawable纹理默认是只用来展示渲染结果，只允许作为framebuffer attachments，需要设置framebufferOnly为NO；

self.mtkView.framebufferOnly = NO;

2、图像显示异常，偏绿or偏蓝
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，以下两行代码需要设置同样的格式：

    [self.mCaptureDeviceOutput setVideoSettings:[NSDictionary dictionaryWithObject:[NSNumber numberWithInt:kCVPixelFormatType_32BGRA] forKey:(id)kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey]];

    CVReturn status = CVMetalTextureCacheCreateTextureFromImage(kCFAllocatorDefault, self.textureCache, pixelBuffer, NULL, MTLPixelFormatBGRA8Unorm, width, height, 0, &tmpTexture);

3、图像显示异常，倒置or旋转
如果出现图像朝向异常的情况，可以通过下面的两种方式进行修改：

修改AVCaptureConnection的朝向：
[connection setVideoOrientation:AVCaptureVideoOrientationPortrait];
或者给MTKView增加旋转变换：
self.mtkView.transform = CGAffineTransformMakeRotation(M_PI / 2);

总结

本文有两个核心点：从CVPixelBufferRef创建Metal纹理以及MetalPerformanceShaders的使用和理解，这两个点也引入后续Metal更复杂的能力，分别是视频渲染和自定义Shader计算。
同时从这个demo可以看到相对OpenGL，Metal对图像的处理更为方便，代码也更为精简。
代码的地址在这里，欢迎交流。