【AR实验室】OpenGL ES绘制相机(OpenGL ES 1.0版本)

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0x00 - 前言


并且做一些移动端的AR应用以及目前看后的一些AR应用,基本上也并且 有有一个 套路:手机背景显示现实场景,并且 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的方式,就不一而足了。

什么都有有有说要在手机上进行现实场景的展现也是目前AR应用有有一个 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。什么都有有有我们都都都优先考虑使用OpenGL ES进行相机的绘制。当然,一些应用直接利用iOS的UIImage进行相机场景的展示,这也是可不时需的,不过考虑到与OpenGL ES的绘制环境兼容性、Android端的复用情况报告以及UIImage的传输速率情况报告,我决定还是使用OpenGL ES进行绘制,并且与里面的图形绘制(OpenGL ES)可不时需统一绘制环境,另外OpenGL ES是可不时需跨平台的,代码也可不时需很方便地移植到Android端,并且 OpenGL ES比UIImage更接近图形硬件,什么都有有有传输速率上要快这么 一丢丢。

利用相机绘制部分觉得将会有一些外理方案了,并且 基本上每个应用的绘制方式都是一样。目前来说我看后过比较好的就是ARToolKit的方式,并且 ARToolKit工程化程度将会很高了,想将其中的相机绘制部分分离出来为我本人所用,对于渣渣的我来说,有有一个 字——“比较慢”。什么都有有有此处我我本人写了有有一个 相机绘制的模块,觉得说在鲁棒性上还差什么都有有有,并且 基本可不时需用来做做小Demo。将会我们都都都想做有有一个 商用的AR应用,建议直接使用ARToolKit的相机绘制代码。

0x01 - 思路


将会我只会iOS,什么都有有有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,什么都有有有此处使用的OpenGL ES版本为1.0,当然,里面肯定会兼容2.0。

我们都都都都知道iOS中相机的绘制离不开AVCaptureSession。利用AVCaptureSession可不时需获取到实时相机拍摄内容。并且 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。主要涉及有有一个 部分,有有一个 是AVCaptureSession的使用,有有一个 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一些代理中的函数

- (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

配置相机功能参数觉得就是配置AVCaptureSession对象。这里面主要涉及到十个 类AVCaptureSession、AVCaptureDevice、AVCaptureDeviceInput和AVCaptureVideoDataOutput。这十个 类的关系如下:

AVCaptureSession是管理AVCaptureDeviceInput和AVCaptureVideoDataOutput,也就是管理输入输出过程,什么都有有有称作Session。相机的输入配置就是AVCaptureDeviceInput,主要外理否有有使用自动曝光、自动白平衡相似的,而输出配置就是AVCaptureVideoDataOutput,主要决定输出视频图像的格式相似的。AVCaptureDevice表示捕捉设备,将会具体捕获的内容不明确,什么都有有有都会区分捕捉视频的设备还是捕捉声音的设备。这里我们都都都从捕捉一些词可不时需看出觉得AVCaptureDevice和输入AVCaptureDeviceInput关扎好密。

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,并且的文章时需该信息。此处可不时需忽略
    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要传有有一个

参数
    // 第有有一个

参数是帮我锁定的buffer的基址,第十个

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));
    // 一些步特别要,将图像缓存区的内容转化为C语言中的unsigned char指针
    // 将会我们都都都在相机设置时,图像格式为BGRA,而里面OpenGL ES的纹理格式为RGBA
    // 这里使用OpenCV转换格式,当然,你也可不时需后该OpenCV,手动直接交换R和B有有一个

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,一起启动Session,就可不时需在函数

- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)captureOutput didOutputSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection

中获取到每帧图像,并进行外理。

- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)captureOutput didOutputSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection
{
    // 时间戳,并且的文章时需该信息。此处可不时需忽略
    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要传有有一个

参数
    // 第有有一个

参数是帮我锁定的buffer的基址,第十个

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));
    // 一些步特别要,将图像缓存区的内容转化为C语言中的unsigned char指针
    // 将会我们都都都在相机设置时,图像格式为BGRA,而里面OpenGL ES的纹理格式为RGBA
    // 这里使用OpenCV转换格式,当然,你也可不时需后该OpenCV,手动直接交换R和B有有一个

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,就可不时需使用贴纹理的方式将其绘制在手机屏幕上了。并且 在这并且还时需做一件事情,那就是初始化iOS的OpenGL ES 1.0绘制环境。

这里我们都都都将有有一个 普通UIView设置为可不时需进行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,并且self.layer返回的就都是CALayer
// 就是支持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,必须设置为不透明不能看见
        eaglLayer.opaque = TRUE;
        // 配置eaglLayer的绘制属性
        // kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking不维持上一次绘制内容,也就是每次绘制并且都重置一下并且的绘制内容
        // kEAGLDrawablePropertyColorFormat像素格式为RGBA,注意和相机直接给的BGRA不一致,时需转换
        eaglLayer.drawableProperties = [NSDictionary dictionaryWithObjectsAndKeys:
                                        [NSNumber numberWithBool:FALSE], kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking,
                                        kEAGLColorFormatRGBA8, kEAGLDrawablePropertyColorFormat,
                                        nil];
        // 此处使用OpenGL ES 1.0进行绘制,什么都有有有实例化ES1Renderer
        // ES1Renderer表示的是OpenGL ES 1.0绘制环境,里面详解
        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

上述我们都都都提供了EAGLView,大约给OpenGL ES提供了画布。而代码中的renderer是有有一个 具有渲染功能的对象,相似于画笔。考虑到并且时需兼容OpenGL ES 1.0和2.0,什么都有有有抽象了有有一个 ESRenderProtocol协议,OpenGL ES 1.0和2.0分别实现该协议中方式,并且EAGLView就不时需关心在不同的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时需遵循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
// 必须在在当前程序中设置好了该上下文环境,不能使用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,主就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并也有有一个

真正的buffer,就是用来管理render buffer、depth buffer、stencil buffer
        // render buffer大约主就是存储像素值的
        // 什么都有有有时需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);
        // 构建有有一个

绘制相机的纹理
        _camTexId = [self genTexWithWidth:640 height:4500];
    }
    
    return self;
}

#pragma mark - private methods
// 构建有有一个

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,
        4500,0,
        4500,640};
    
    // 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(4500, 0, _backingHeight*4500/_backingWidth, 0, 0, 1); // 852 = 568*4500/320
    // 模型视图矩阵
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
    glLoadIdentity();
    
    // OpenGL ES使用的是情况报告机方式
    // 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
    // 将会spriteVertices、spriteTexcoords、_camTexId还在CPU内存,时需传递给GPU外理
    // 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, 4500, 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);
    // 与里面的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中相似,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);
    // 情况报告检查
    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


将会我使用的为苹果机6手机手机7手机5s,分辨率为320x568,而相机图像分辨率为4500x640。什么都有有有为了让图像删改能显示在屏幕上,我选者了等宽显示。

为了方便我们都都都使用代码,现已将代码提交到GitHub上了,请猛戳此处。

0x05-参考资料


  • ObjC中国 - 在 iOS 上捕获视频