CVPixelBufferRef 、 CGImageRef

CGImageRef的基本概念及方法说明

在IOS开发中,我们时常会用到裁剪图片,重绘图片等方法,CGImageRef(像素位图)便是我们经常会使用到的一个对象.

CGImageRef是什么

CGImageRef是定义在QuartzCore框架中的一个结构体指针,用C语言编写.在CGImage.h文件中,我们可以看到下面的定义:

typedef struct CGImage * CGImageRef;

CGImageRef 和 struct CGImage * 是完全等价的.这个结构用来创建像素位图,可以通过操作存储的像素位来编辑图片.

QuartzCore这个框架是可移植的.

CGImageRef相关的一些方法说明

返回标识符

CFTypeID CGImageGetTypeID(void)

//CFTypeID定义如下：

#if __LLP64__
typedef unsigned long long CFTypeID;
typedef unsigned long long CFOptionFlags;
typedef unsigned long long CFHashCode;
typedef signed long long CFIndex;
#else
typedef unsigned long CFTypeID;
typedef unsigned long CFOptionFlags;
typedef unsigned long CFHashCode;
typedef signed long CFIndex;
#endif
123456789101112131415

//这个方法返回的是一个编号,每个Core Foundation框架中得结构都会有一个这样的编号,它没有特殊的意义,只是一个标识符.

创建出一个CGImageRef类型的对象的方法

    CGImageRef CGImageCreate(size_t width, size_t height,

    size_t bitsPerComponent, size_t bitsPerPixel, size_t bytesPerRow,

    CGColorSpaceRef space, CGBitmapInfo bitmapInfo, CGDataProviderRef provider,

    const CGFloat decode[], bool shouldInterpolate,

    CGColorRenderingIntent intent);

参数解释:

参数	说明
sizt_t	定义的一个可移植性的单位,在64位机器中为8字节,32位位4字节.
width	图片宽度像素
height	图片高度像素
bitsPerComponent	每个颜色的比特数,例如在rgba-32模式下为8
bitsPerPixel	每个像素的总比特数
bytesPerRow	每一行占用的字节数,注意这里的单位是字节
space	颜色空间模式,例如const CFStringRef kCGColorSpaceGenericRGB 这个函数可以返回一个颜色空间对象
bitmapInfo	位图像素布局
provider	数据源提供者
decode[]	解码渲染数组
shouldInterpolate	是否抗锯齿
intent	图片相关参数

bitmapInfo的枚举:

typedef CF_OPTIONS(uint32_t, CGBitmapInfo) {
  kCGBitmapAlphaInfoMask = 0x1F,
  kCGBitmapFloatComponents = (1 << 8),

  kCGBitmapByteOrderMask = 0x7000,
  kCGBitmapByteOrderDefault = (0 << 12),
  kCGBitmapByteOrder16Little = (1 << 12),
  kCGBitmapByteOrder32Little = (2 << 12),
  kCGBitmapByteOrder16Big = (3 << 12),
  kCGBitmapByteOrder32Big = (4 << 12)
}

用于创建mask图片图层,可以设置其显示部分与不显示部分达到特殊的效果的方法,参数意义同上.

  CGImageRef CGImageMaskCreate(size_t width, size_t height,

    size_t bitsPerComponent, size_t bitsPerPixel, size_t bytesPerRow,

    CGDataProviderRef provider, const CGFloat decode[], bool shouldInterpolate)

复制一个CGImageRef对象

CGImageRef CGImageCreateCopy(CGImageRef image)

通过JPEG数据源获取图像

CGImageRef CGImageCreateWithJPEGDataProvider(CGDataProviderRef

    source, const CGFloat decode[], bool shouldInterpolate,

    CGColorRenderingIntent intent)

通过PNG数据源获取图像

CGImageRef CGImageCreateWithPNGDataProvider(CGDataProviderRef source,

    const CGFloat decode[], bool shouldInterpolate,

    CGColorRenderingIntent intent)

截取图像的一个区域重绘图像

CGImageRef CGImageCreateWithImageInRect(CGImageRef image, CGRect rect)

截取mask图像的某一区域重绘

CGImageRef CGImageCreateWithMask(CGImageRef image, CGImageRef mask)

通过颜色分量数组创建位图

CGImageRef CGImageCreateWithMaskingColors(CGImageRef image,  const CGFloat components[])

通过颜色空间模式复制位图

CGImageRef CGImageCreateCopyWithColorSpace(CGImageRef image, CGColorSpaceRef space)

引用+1 -1

CGImageRef CGImageRetain(CGImageRef image)
void CGImageRelease(CGImageRef image)

最后必须要调用CGImageRelease释放位图对象否则会造成内存泄露

返回是否为Mask图层

bool CGImageIsMask(CGImageRef image)

获取相应属性

size_t CGImageGetWidth(CGImageRef image)
size_t CGImageGetHeight(CGImageRef image)

size_t CGImageGetBitsPerComponent(CGImageRef image)

size_t CGImageGetBitsPerPixel(CGImageRef image)

size_t CGImageGetBytesPerRow(CGImageRef image)

CGColorSpaceRef CGImageGetColorSpace(CGImageRef image)CG_EXTERN CGImageAlphaInfo CGImageGetAlphaInfo(CGImageRef image)

CGDataProviderRef CGImageGetDataProvider(CGImageRef image)

const CGFloat *CGImageGetDecode(CGImageRef image)

bool CGImageGetShouldInterpolate(CGImageRef image)

CGColorRenderingIntent CGImageGetRenderingIntent(CGImageRef image)

CGBitmapInfo CGImageGetBitmapInfo(CGImageRef image)

CGImageRef与UIImage互转

UIImage虽然可以加载、显示各种格式的位图,甚至可以同时加载图片,接下来依次播放多张图片形成动画.但UIImage的功能依然有限,它不能对图片进行缩放、旋转,不能”挖取”源图片的指定区域等,这些功能可借助Quartz 2D的CGImageRef来实现.实际运用中我们就需要UIImage与CGImageRef之间相互转换,方法如下

//CGImageRef  转换成UIImage  

CGImageRef cgRef= CGBitmapContextCreateImage(context);  
UIImage* image = [UIImage imageWithCGImage: cgRef];  


//UIImage转换成CGImageRef  

UIImage *uiImage = [UIImage imageNamed:@"abc.png"];  
CGImageRef cgRef1 = uiImage.CGImage;

深入理解 CVPixelBufferRef

在iOS里，我们经常能看到 CVPixelBufferRef 这个类型，在Camera 采集返回的数据里得到一个CMSampleBufferRef，而每个CMSampleBufferRef里则包含一个 CVPixelBufferRef，在视频硬解码的返回数据里也是一个 CVPixelBufferRef。

顾名思义，CVPixelBufferRef 是一种像素图片类型，由于CV开头，所以它是属于 CoreVideo 模块的。

它是一个C对象，而不是Objective C对象，所以它不是一个类，而是一个类似Handle的东西。从代码头文件的定义来看

CVPixelBufferRef 就是用 CVBufferRef typedef而来的，而CVBufferRef 本质上就是一个void *，至于这个void *具体指向什么数据只有系统才知道了。

所以我们看到所有对 CVPixelBufferRef 进行操作的函数都是纯 C 函数，这很符合iOS CoreXXXX系列 API 的风格。

比如 CVPixelBufferGetWidth， CVPixelBufferGetBytesPerRow

通过API可以看出来，CVPixelBufferRef里包含很多图片相关属性，比较重要的有 width，height，PixelFormatType等。

由于可以有不同的PixelFormatType，说明他可以支持多种位图格式，除了常见的 RGB32以外，还可以支持比如 kCVPixelFormatType_420YpCbCr8BiPlanarFullRange，这种YUV多平面的数据格式，这个类型里 BiPlanar 表示双平面，说明它是一个 NV12的YUV，包含一个Y平面和一个UV平面。通过CVPixelBufferGetBaseAddressOfPlane可以得到每个平面的数据指针。在得到 Address之前需要调用CVPixelBufferLockBaseAddress，这说明CVPixelBufferRef的内部存储不仅是内存也可能是其它外部存储，比如现存，所以在访问前要lock下来实现地址映射，同时lock也保证了没有读写冲突。

由于是C对象，它是不受 ARC 管理的，就是说要开发者自己来管理引用计数，控制对象的生命周期，可以用CVPixelBufferRetain，CVPixelBufferRelease函数用来加减引用计数，其实和CFRetain和CFRelease是等效的，所以可以用 CFGetRetainCount来查看当前引用计数。

如果要显示 CVPixelBufferRef 里的内容，通常有以下几个思路。

把 CVPixelBufferRef 转换成 UIImage，就可以直接赋值给UIImageView的image属性，显示在UIImageView上，示例代码\

+ (UIImage*)uiImageFromPixelBuffer:(CVPixelBufferRef)p {
    CIImage* ciImage = [CIImage imageWithCVPixelBuffer:p];
    
    CIContext* context = [CIContext contextWithOptions:@{kCIContextUseSoftwareRenderer : @(YES)}];
    
    CGRect rect = CGRectMake(0, 0, CVPixelBufferGetWidth(p), CVPixelBufferGetHeight(p));
    CGImageRef videoImage = [context createCGImage:ciImage fromRect:rect];
    
    UIImage* image = [UIImage imageWithCGImage:videoImage];
    CGImageRelease(videoImage);
    
    return image;
}

从代码可以看出来，这个转换有点复杂，中间经历了多个步骤，所以性能是很差的，只适合偶尔转换一张图片，用于调试截图等，用于显示视频肯定是不行的。

另一个思路是用OpenGL来渲染，CVPixelBufferRef是可以转换成一个 openGL texture的，方法如下：\

CVOpenGLESTextureRef pixelBufferTexture;        CVOpenGLESTextureCacheCreateTextureFromImage(kCFAllocatorDefault,
                                             _textureCache,
                                             pixelBuffer,
                                             NULL,
                                             GL_TEXTURE_2D,
                                             GL_RGBA,
                                             width,
                                             height,
                                             GL_BGRA,
                                             GL_UNSIGNED_BYTE,
                                             0,
                                             &pixelBufferTexture);

其中，_textureCache 代表一个 Texture缓存，每次生产的Texture都是从缓存获取的，这样可以省掉反复创建Texture的开销，_textureCache要实现创建好，创建方法如下

CVOpenGLESTextureCacheCreate(kCFAllocatorDefault, NULL, _context, NULL, &_textureCache);

其中 _context 是 openGL的 context，在iOS里就是 EAGLContext *

pixelBufferTexture还不是openGL的Texture，调用CVOpenGLESTextureGetName才能获得在openGL可以使用的Texture ID。

当获得了 Texture ID后就可以用openGL来绘制了，这里推荐用 GLKView 来做绘制

    glUseProgram(_shaderProgram);
        
    glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureId);
    glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
    
    glDrawArrays(GL_TRIANGLE_FAN, 0, 4);

当然这不是全部代码，完整的绘制openGL代码还有很多，openGL是著名的啰嗦冗长，还有openGL Context创建 shader编译 DataBuffer加载等。

本质上这段代码是为了把 Texture的内容绘制到 openGL的frame buffer里，然后再把frame buffer贴到 CAEAGLayer。

这个从CVPixelBufferRef获取的texture，和原来的CVPixelBufferRef 对象共享同一个存储，就是说如果改变了Texture的内容，那么CVPixelBufferRef的内容也会改变。利用这一点我们就可可以用openGL的绘制方法向CVPixelBufferRef对象输出内容了。比如可以给CVPixelBufferRef的内容加图形特效打水印等。

除了从系统API里获得CVPixelBufferRef外，我们也可以自己创建CVPixelBufferRef

+(CVPixelBufferRef)createPixelBufferWithSize:(CGSize)size {
    const void *keys[] = {
        kCVPixelBufferOpenGLESCompatibilityKey,
        kCVPixelBufferIOSurfacePropertiesKey,
    };
    const void *values[] = {
        (__bridge const void *)([NSNumber numberWithBool:YES]),
        (__bridge const void *)([NSDictionary dictionary])
    };
    
    OSType bufferPixelFormat = kCVPixelFormatType_32BGRA;
    
    CFDictionaryRef optionsDictionary = CFDictionaryCreate(NULL, keys, values, 2, NULL, NULL);
    
    CVPixelBufferRef pixelBuffer = NULL;
    CVPixelBufferCreate(kCFAllocatorDefault,
                        size.width,
                        size.height,
                        bufferPixelFormat,
                        optionsDictionary,
                        &pixelBuffer);
    
    CFRelease(optionsDictionary);
    
    return pixelBuffer;
}

创建一个 BGRA 格式的PixelBuffer，注意kCVPixelBufferOpenGLESCompatibilityKey和kCVPixelBufferIOSurfacePropertiesKey这两个属性，这是为了实现和openGL兼容，另外有些地方要求CVPixelBufferRef必须是 IO Surface。

CVPixelBufferRef是iOS视频采集处理编码流程的重要中间数据媒介和纽带，理解CVPixelBufferRef有助于写出高性能可靠的视频处理。

要进一步理解CVPixelBufferRef还需要学习 YUV，color range，openGL等知识。