【AR实验室】OpenGL ES绘制相机(OpenGL ES 1.0版本)

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0x00 - 前言


过后做某些移动端的AR应用以及目前看后的某些AR应用,基本上过后 全都全都套路:手机背景显示现实场景,而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。

全都说要在手机上进行现实场景的展现也是目前AR应用全都比较重要的模块。一般来说,在移动端,基本上过后 使用OpenGL ES进行绘制。全都亲们优先考虑使用OpenGL ES进行相机的绘制。当然,某些应用直接利用iOS的UIImage进行相机场景的展示,这也是能只能的,不过考虑到与OpenGL ES的绘制环境兼容性、Android端的复用情況以及UIImage的时延情況,我决定还是使用OpenGL ES进行绘制,全都与后面 的图形绘制(OpenGL ES)能只能统一绘制环境,另外OpenGL ES是能只能跨平台的,代码还还可以只能很方便地移植到Android端,而且OpenGL ES比UIImage更接近图形硬件,全都时延上要快这样一丢丢。

利用相机绘制帕累托图确实过后有某些补救方案了,而且基本上每个应用的绘制方式过后 一样。目前来说我看后过比较好的全都ARToolKit的方式,而且ARToolKit工程化程度过后很高了,想将其中的相机绘制帕累托图分离出来为我本人所用,对于渣渣的我来说,全都字——“真难”。全都此处我我本人写了全都相机绘制的模块,确实说在鲁棒性上还差全都,而且基本能只能用来做做小Demo。过后亲们想做全都商用的AR应用,建议直接使用ARToolKit的相机绘制代码。

0x01 - 思路


过后我只会iOS,全都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,全都此处使用的OpenGL ES版本为1.0,当然,后面 肯定会兼容2.0。

亲们都知道iOS中相机的绘制离不开AVCaptureSession。利用AVCaptureSession能只能获取到实时相机拍摄内容。过后利用OpenGL ES中绘制纹理的方式将该内容绘制到屏幕上。整个思路全都这样简单。主要涉及全都帕累托图,也都不 AVCaptureSession的使用,也都不 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帕累托图。第一帕累托图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。另一帕累托图是利用AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate你你什儿 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

配置相机功能参数确实全都配置AVCaptureSession对象。这后面 主要涉及到俩个类AVCaptureSession、AVCaptureDevice、AVCaptureDeviceInput和AVCaptureVideoDataOutput。什儿 个类的关系如下:

AVCaptureSession是管理AVCaptureDeviceInput和AVCaptureVideoDataOutput,也全都管理输入输出过程,全都称作Session。相机的输入配置全都AVCaptureDeviceInput,主要补救是是否是使用自动曝光、自动白平衡例如于的,而输出配置全都AVCaptureVideoDataOutput,主要决定输出视频图像的格式例如于的。AVCaptureDevice表示捕捉设备,过后具体捕获的内容不明确,全都过后区分捕捉视频的设备还是捕捉声音的设备。这里亲们从捕捉你你什儿 词能只能看出确实AVCaptureDevice和输入AVCaptureDeviceInput关扎牢密。

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,过后的文章还要该信息。此处能只能忽略
    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要传全都参数
    // 第全都参数是我能只能锁定的buffer的基址,第俩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));
    // 你你什儿

步怪怪的要,将图像缓存区的内容转化为C语言中的unsigned char指针
    // 过后亲们在相机设置时,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,你还还可以只能不必OpenCV,手动直接交换R和B全都分量即可
    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);
    
    // 绘制帕累托图
    // ...
}

2.2 获取拍摄内容

设置好了相机的各种参数,同去启动Session,就能只能在函数

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

中获取到每帧图像,并进行补救。

- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)captureOutput didOutputSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection
{
    // 时间戳,过后的文章还要该信息。此处能只能忽略
    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要传全都参数
    // 第全都参数是我能只能锁定的buffer的基址,第俩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));
    // 你你什儿

步怪怪的要,将图像缓存区的内容转化为C语言中的unsigned char指针
    // 过后亲们在相机设置时,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,你还还可以只能不必OpenCV,手动直接交换R和B全都分量即可
    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,就能只能使用贴纹理的方式将其绘制在手机屏幕上了。而且在这过后还还要做一件事情,那全都初始化iOS的OpenGL ES 1.0绘制环境。

这里亲们将全都普通UIView设置为能只能进行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,全都self.layer返回的就过后

CALayer
// 全都支持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,只能设置为不透明还还可以看见
        eaglLayer.opaque = TRUE;
        // 配置eaglLayer的绘制属性
        // kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking不维持上一次绘制内容,也全都每次绘制过后都重置一下过后的绘制内容
        // kEAGLDrawablePropertyColorFormat像素格式为RGBA,注意和相机直接给的BGRA不一致,还要转换
        eaglLayer.drawableProperties = [NSDictionary dictionaryWithObjectsAndKeys:
                                        [NSNumber numberWithBool:FALSE], kEAGLDrawablePropertyRetainedBacking,
                                        kEAGLColorFormatRGBA8, kEAGLDrawablePropertyColorFormat,
                                        nil];
        // 此处使用OpenGL ES 1.0进行绘制,全都实例化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

上述亲们提供了EAGLView,大概给OpenGL ES提供了画布。而代码中的renderer是全都具有渲染功能的对象,例如于于画笔。考虑到过后还要兼容OpenGL ES 1.0和2.0,全都抽象了全都ESRenderProtocol协议,OpenGL ES 1.0和2.0分别实现该协议中方式,全都EAGLView就不还要关心在不同的OpenGL ES环境中不同的绘制实现。这里主要使用OpenGL ES 1.0,对应的全都ES1Renderer类,注意ES1Renderer还要遵循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
// 只能在在当前守护进程中设置好了该上下文环境,还还可以使用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,主全都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并过后

全都真正的buffer,全都用来管理render buffer、depth buffer、stencil buffer
        // render buffer大概主全都存储像素值的
        // 全都还要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);
        // 构建全都绘制相机的纹理
        _camTexId = [self genTexWithWidth:640 height:4150];
    }
    
    return self;
}

#pragma mark - private methods
// 构建全都宽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,
        4150,0,
        4150,640};
    
    // 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(4150, 0, _backingHeight*4150/_backingWidth, 0, 0, 1); // 852 = 568*4150/320
    // 模型视图矩阵
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
    glLoadIdentity();
    
    // OpenGL ES使用的是情況机方式
    // 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
    // 过后spriteVertices、spriteTexcoords、_camTexId还在CPU内存,还要传递给GPU补救
    // 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, 4150, 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);
    // 与后面

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中例如于,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);
    // 情況检查
    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


过后我使用的为iPhone5手机6手机手机5s,分辨率为320x568,而相机图像分辨率为4150x640。全都为了让图像详细能显示在屏幕上,我选择了等宽显示。

为了方便亲们使用代码,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