iOS 扫描二维码/条形码

级别：★★☆☆☆
标签：「iOS 原生扫描」「AVCaptureSession」「AVCaptureDevice」「rectOfInterest」
作者： Xs·H
审校： QiShare团队

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最近做IoT项目，在智能设备配网过程中有一个扫描设备或说明书上的二维码/条形码来读取设备信息的需求，要达到的效果大体如下：

想到几年前在帐号卫士中开发过扫码功能，就扒出来封装了一下（可以从QiQRCode中获取），以方便在项目中复用。
封装共包括QiCodeManager和QiCodePreviewView两个类。QiCodeManager负责扫描功能（二维码/条形码的识别和读取等），QiCodePreviewView负责扫描界面（扫码框、扫描线、提示语等）。可按照如下方式在项目中使用两个类。

// 初始化扫码界面
_previewView = [[QiCodePreviewView alloc] initWithFrame:self.view.bounds];
_previewView.autoresizingMask = UIViewAutoresizingFlexibleHeight;
[self.view addSubview:_previewView];

// 初始化扫码管理类
__weak typeof(self) weakSelf = self;
_codeManager = [[QiCodeManager alloc] initWithPreviewView:_previewView completion:^{
    // 开始扫描
    [weakSelf.codeManager startScanningWithCallback:^(NSString * _Nonnull code) {} autoStop:YES];
}];

QiCodePreviewView内部使用CAShapeLayer绘制了遮罩maskLayer、扫描框rectLayer、框角标cornerLayer和扫描线lineLayer。因为此部分涉及代码较多，本文不做详解，可从QiQRCode中查看源码。关于CAShapeLayer的使用，QiShare在iOS 绘制圆角文章中有介绍到。

接下来重点介绍一下QiCodeManager中扫码功能的实现过程。

一、识别（捕捉）二维码/条形码

QiCodeManager是基于iOS 7+，对AVFoundation框架中的AVCaptureSession及相关类进行的封装。AVCaptureSession是AVFoundation框架中捕捉音视频等数据的核心类。要实现扫码功能，除了用到AVCaptureSession之外，还要用到AVCaptureDevice、AVCaptureDeviceInput、AVCaptureMetadataOutput和AVCaptureVideoPreviewLayer。核心代码如下：

// input
AVCaptureDevice *device = [AVCaptureDevice defaultDeviceWithMediaType:AVMediaTypeVideo];
AVCaptureDeviceInput *input = [AVCaptureDeviceInput deviceInputWithDevice:device error:nil];

// output
AVCaptureMetadataOutput *output = [[AVCaptureMetadataOutput alloc] init];
[output setMetadataObjectsDelegate:self queue:dispatch_get_main_queue()];

// session
_session = [[AVCaptureSession alloc] init];
_session.sessionPreset = AVCaptureSessionPresetHigh;
if ([_session canAddInput:input]) {
    [_session addInput:input];
}
if ([_session canAddOutput:output]) {
    [_session addOutput:output];
    // output在被add到session后才可设置metadataObjectTypes属性
    output.metadataObjectTypes = @[AVMetadataObjectTypeQRCode, AVMetadataObjectTypeCode128Code, AVMetadataObjectTypeEAN13Code]；    
}

// previewLayer
AVCaptureVideoPreviewLayer *previewLayer = [AVCaptureVideoPreviewLayer layerWithSession:_session];
previewLayer.frame = previewView.layer.bounds;
previewLayer.videoGravity = AVLayerVideoGravityResizeAspectFill;
[previewView.layer insertSublayer:previewLayer atIndex:0];

// AVCaptureMetadataOutputObjectsDelegate
- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)output didOutputMetadataObjects:(NSArray<__kindof AVMetadataObject *> *)metadataObjects fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection {
    
    AVMetadataMachineReadableCodeObject *code = metadataObjects.firstObject;
    if (code.stringValue) { }
}

以“面向人脑”的编程思想对上述代码进行解释：
1、我们需要使用AVCaptureVideoPreviewLayer的实例previewLayer显示扫描二维码/条形码时看到的影像；
2、但是previewLayer的初始化需要AVCaptureSession的实例session对数据的输入输出进行控制；
3、那我们就初始化一个session，并将输出流的质量设置为高质量AVCaptureSessionPresetHigh；
4、因为session是依靠AVCaptureDeviceInput和AVCaptureMetadataOutput来控制数据输入输出的；
5、那就用AVCaptureDevice的实例device初始化一个input，指明device为AVMediaTypeVideo类型；
6、再初始化一个output，设置好delegate和queue以及所支持的元数据类型（二维码和不同格式的条形码）；
7、然后将input和output添加到session中就OK了，调用[session startRunning];就可以扫描二维码了；
8、最终从-captureOutput:didOutputMetadataObjects:fromConnection:方法中得到捕捉到的二维码/条形码数据。

至此，在previewLayer范围内就可以识别二维码/条形码了。

二、指定识别二维码/条形码的区域

如果要控制在previewLayer的指定区域内识别二维码/条形码，可以通过修改output的rectOfInterest属性来达到目的。代码如下：

// 计算rect坐标
CGFloat y = rectFrame.origin.y;
CGFloat x = previewView.bounds.size.width - rectFrame.origin.x - rectFrame.size.width;
CGFloat h = rectFrame.size.height;
CGFloat w = rectFrame.size.width;
CGFloat rectY = y / previewView.bounds.size.height;
CGFloat rectX = x / previewView.bounds.size.width;
CGFloat rectH = h / previewView.bounds.size.height;
CGFloat rectW = w / previewView.bounds.size.width;

// 坐标赋值
output.rectOfInterest = CGRectMake(rectY, rectX, rectH, rectW);

1、上述的CGRectMake(rectY, rectX, rectH, rectW)与CGRectMake(x, y, w, h)的传统定义不同，可以将rectOfInterest理解成被翻转过的CGRect;
2、而rectY, rectX, rectH, rectW也不是控件或区域的值，而是所对应的比例，如上述代码中的计算公式，y, x, h, w的值可参考下图；
3、rectOfInterest的默认值为CGRectMake(.0, .0, 1.0, 1.0)，表示识别二维码/条形码的区域为全屏（previewLayer区域）。

PS: 其实iOS提供了官方API来将标准rect转换成rectOfInterest，但只有在[session startRunning]之后调用才有效果，而且还会时不时地出现卡顿式地闪一下。代码如下：

// 可以在[session startRunning]之后用此语句设置扫码区域
metadataOutput.rectOfInterest = [previewLayer metadataOutputRectOfInterestForRect:rectFrame];

三、拉近二维码/条形码（放大视频内容）

当二维码/条形码离我们较远时，拉近二维码/条形码会是一个不错的功能，效果如下：

上述效果是使用双指缩放的方式来实现的，具体代码如下：

// 添加缩放手势
UIPinchGestureRecognizer *pinchGesture = [[UIPinchGestureRecognizer alloc] initWithTarget:self action:@selector(pinch:)];
[previewView addGestureRecognizer:pinchGesture];

- (void)pinch:(UIPinchGestureRecognizer *)gesture {
    
    AVCaptureDevice *device = [AVCaptureDevice defaultDeviceWithMediaType:AVMediaTypeVideo];
    
    // 设定有效缩放范围，防止超出范围而崩溃
    CGFloat minZoomFactor = 1.0;
    CGFloat maxZoomFactor = device.activeFormat.videoMaxZoomFactor;
    if (@available(iOS 11.0, *)) {
        minZoomFactor = device.minAvailableVideoZoomFactor;
        maxZoomFactor = device.maxAvailableVideoZoomFactor;
    }
    
    static CGFloat lastZoomFactor = 1.0;
    if (gesture.state == UIGestureRecognizerStateBegan) {
        // 记录上次缩放的比例，本次缩放在上次的基础上叠加
        lastZoomFactor = device.videoZoomFactor;// lastZoomFactor为外部变量
    }
    else if (gesture.state == UIGestureRecognizerStateChanged) {
        CGFloat zoomFactor = lastZoomFactor * gesture.scale;
        zoomFactor = fmaxf(fminf(zoomFactor, maxZoomFactor), minZoomFactor);
        [device lockForConfiguration:nil];// 修改device属性之前须lock
        device.videoZoomFactor = zoomFactor;// 修改device的视频缩放比例
        [device unlockForConfiguration];// 修改device属性之后unlock
    }
}

上述代码的核心逻辑比较简单：
1、在previewView上添加一个双指捏合的手势 pinchGesture，并设定target和selector；
2、在selector方法中根据gesture.scale调整device.videoZoomFactor;
3、注意在修改device属性之前要lock一下，修改完后unlock一下。

四、弱光环境下开启手电筒

弱光环境对扫码功能有较大的影响，通过监测光线亮度给用户提供打开手电筒的选择会提升不少的体验，如下图：

弱光监测的代码如下：

- (void)observeLightStatus:(void (^)(BOOL, BOOL))lightObserver {
    
    _lightObserver = lightObserver;
    
    AVCaptureVideoDataOutput *lightOutput = [[AVCaptureVideoDataOutput alloc] init];
    [lightOutput setSampleBufferDelegate:self queue:dispatch_get_main_queue()];
    
    if ([_session canAddOutput:lightOutput]) {
        [_session addOutput:lightOutput];
    }
}

// AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate
- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)output didOutputSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection {
    
    // 通过sampleBuffer获取到光线亮度值brightness
    CFDictionaryRef metadataDicRef = CMCopyDictionaryOfAttachments(NULL, sampleBuffer, kCMAttachmentMode_ShouldPropagate);
    NSDictionary *metadataDic = (__bridge NSDictionary *)metadataDicRef;
    CFRelease(metadataDicRef);
    NSDictionary *exifDic = metadataDic[(__bridge NSString *)kCGImagePropertyExifDictionary];
    CGFloat brightness = [exifDic[(__bridge NSString *)kCGImagePropertyExifBrightnessValue] floatValue];
    
    // 初始化一些变量，作为是否透传brightness的因数
    AVCaptureDevice *device = [AVCaptureDevice defaultDeviceWithMediaType:AVMediaTypeVideo];
    BOOL torchOn = device.torchMode == AVCaptureTorchModeOn;
    BOOL dimmed = brightness < 1.0;
    static BOOL lastDimmed = NO;
    
    // 控制透传逻辑：第一次监测到光线或者光线明暗变化（dimmed变化）时透传
    if (_lightObserver) {
        if (!_lightObserverHasCalled) {
            _lightObserver(dimmed, torchOn);
            _lightObserverHasCalled = YES;
            lastDimmed = dimmed;
        }
        else if (dimmed != lastDimmed) {
            _lightObserver(dimmed, torchOn);
            lastDimmed = dimmed;
        }
    }
}

弱光监测是依赖AVCaptureVideoDataOutput和AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate来实现的。
1、初始化AVCaptureVideoDataOutput的实例lightOutput后，设定delegate并将lightOutput添加到session中；
2、实现AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate的回调方法-captureOutput:didOutputSampleBuffer:fromConnection:；
3、对回调方法中的sampleBuffer进行各种操作（具体参考上述代码细节），并最终获取到光线亮度brightness；
4、根据brightness的值设定弱光的标准以及是否透传给业务逻辑（这里认为brightness < 1.0为弱光）。

调用- observeLightStatus:方法并实现blck即可接收透传过来的光线状态和手电筒状态，并根据状态对UI做相应的调整，代码如下：

__weak typeof(self) weakSelf = self;
[self observeLightStatus:^(BOOL dimmed, BOOL torchOn) {
    if (dimmed || torchOn) {// 变为弱光或者手电筒处于开启状态
        [weakSelf.previewView stopScanning];// 停止扫描动画
        [weakSelf.previewView showTorchSwitch];// 显示手电筒开关
    } else {// 变为亮光并且手电筒处于关闭状态
        [weakSelf.previewView startScanning];// 开始扫描动画
        [weakSelf.previewView hideTorchSwitch];// 隐藏手电筒开关
    }
}];

当出现手电筒开关时，我们可以通过点击开关改变手电筒的状态。开关手电筒的代码如下：

+ (void)switchTorch:(BOOL)on {
    
    AVCaptureDevice *device = [AVCaptureDevice defaultDeviceWithMediaType:AVMediaTypeVideo];
    AVCaptureTorchMode torchMode = on? AVCaptureTorchModeOn: AVCaptureTorchModeOff;
    
    if (device.hasFlash && device.hasTorch && torchMode != device.torchMode) {
        [device lockForConfiguration:nil];// 修改device属性之前须lock
        [device setTorchMode:torchMode];// 修改device的手电筒状态
        [device unlockForConfiguration];// 修改device属性之后unlock
    }
}

手电筒开关（按钮）封装在QiCodePreviewView中，QiCodeManager中通过QiCodePreviewViewDelegate的- codeScanningView:didClickedTorchSwitch:方法获取手电筒开关的点击事件，并做相应的逻辑处理。代码如下：

// QiCodePreviewViewDelegate
- (void)codeScanningView:(QiCodePreviewView *)scanningView didClickedTorchSwitch:(UIButton *)switchButton {
    
    switchButton.selected = !switchButton.selected;
    
    [QiCodeManager switchTorch:switchButton.selected];
    _lightObserverHasCalled = switchButton.selected;
}

综上，扫描二维码/条形码的功能就实现完了。此外，QiCodeManager中还封装了生成二维码/条形码的方法，下篇文章介绍。

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示例源码：QiQRCode可从GitHub的QiShare开源库中获取。

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