AVCapture之2——YUV转RGB

上次我用AVFoundation的提供的AVCaptureVideoPreviewLayer，把摄像头捕获的数据显示出来。但是一般情况下，数据有可能是网络或者文件中的，这时AVCaptureVideoPreviewLayer就没法用了。

先普及一点视频编码的知识。视频就像电影，由一张张图片连续起来。但是我们存储的时候也这样，就太浪费空间了。一般取一张关键的图片（I帧），下一张图片只保存上一图片不同部分（P帧）。等到下一个画面出现，再重复上面的动作。所以最后保存的是 IPPPPPIPPPPP这种形式，每一段重复称之为GOP。有的编码方式还有B帧，即前向参考帧。视频编码很复杂，推荐这篇文章 http://www.skywind.me/blog/archives/1609 （需翻墙）。

解码播放的流程就相对简单：

1. 收到一段GOP数据，丢给解码器
2. 解码器还原出一帧一帧的图像，丢给前端
3. 前端把图像绘制出来

需要特别指出的是，视频中的图像是YUV编码格式，类似于RGB。为什么要选YUV，因为比较省空间。

上一篇文章提到，AVCaptureSession能够指定不同的输出端，可以是文件，可以是AVCaptureVideoPreviewLayer，当然也可以是原始数据AVCaptureVideoDataOutput。

    //-- Create the output for the capture session.
    AVCaptureVideoDataOutput * dataOutput = [[AVCaptureVideoDataOutput alloc] init];
    [dataOutput setAlwaysDiscardsLateVideoFrames:YES]; // Probably want to set this to NO when recording
    
    //-- Set to YUV420.
    [dataOutput setVideoSettings:[NSDictionary dictionaryWithObject:[NSNumber numberWithInt:kCVPixelFormatType_420YpCbCr8BiPlanarFullRange]
                                                             forKey:(id)kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey]]; // Necessary for manual preview
    
    // Set dispatch to be on the main thread so OpenGL can do things with the data
    [dataOutput setSampleBufferDelegate:self queue:dispatch_get_main_queue()];
    
    [_captureSession addOutput:dataOutput];

dataOutput需要指定kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey，这里用的YUV格式，h264解码出来的也是这种格式。

设置好后，摄像头捕捉的数据就回调到这个方法

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

sampleBuffer就是我们需要的数据对象。

CMSampleBuffer

我们这里是Uncompressed Image，而Image就保存在CVPixelBuffer中。

渲染方式有两种：

1. CVPixelBuffer转换为CGImage，交给NSImageView或UIImageView
2. 交给OpenGL渲染

这次选方法1

/*
 
  http://stackoverflow.com/questions/8838481/kcvpixelformattype-420ypcbcr8biplanarfullrange-frame-to-uiimage-conversion
*/
#define clamp(a) (a>255?255:(a<0?0:a))

- (NSImage *)imageFromSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer {
    CVImageBufferRef imageBuffer = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer);
    CVPixelBufferLockBaseAddress(imageBuffer,0);
    
    size_t width = CVPixelBufferGetWidth(imageBuffer);
    size_t height = CVPixelBufferGetHeight(imageBuffer);
    uint8_t *yBuffer = CVPixelBufferGetBaseAddressOfPlane(imageBuffer, 0);
    size_t yPitch = CVPixelBufferGetBytesPerRowOfPlane(imageBuffer, 0);
    uint8_t *cbCrBuffer = CVPixelBufferGetBaseAddressOfPlane(imageBuffer, 1);
    size_t cbCrPitch = CVPixelBufferGetBytesPerRowOfPlane(imageBuffer, 1);
    
    int bytesPerPixel = 4;
    uint8_t *rgbBuffer = malloc(width * height * bytesPerPixel);
    
    for(int y = 0; y < height; y++) {
        uint8_t *rgbBufferLine = &rgbBuffer[y * width * bytesPerPixel];
        uint8_t *yBufferLine = &yBuffer[y * yPitch];
        uint8_t *cbCrBufferLine = &cbCrBuffer[(y >> 1) * cbCrPitch];
        
        for(int x = 0; x < width; x++) {
            int16_t y = yBufferLine[x];
            int16_t cb = cbCrBufferLine[x & ~1] - 128;
            int16_t cr = cbCrBufferLine[x | 1] - 128;
            
            uint8_t *rgbOutput = &rgbBufferLine[x*bytesPerPixel];
            
            int16_t r = (int16_t)roundf( y + cr *  1.4 );
            int16_t g = (int16_t)roundf( y + cb * -0.343 + cr * -0.711 );
            int16_t b = (int16_t)roundf( y + cb *  1.765);
            
            rgbOutput[0] = 0xff;
            rgbOutput[1] = clamp(b);
            rgbOutput[2] = clamp(g);
            rgbOutput[3] = clamp(r);
        }
    }
    
    CGColorSpaceRef colorSpace = CGColorSpaceCreateDeviceRGB();
    CGContextRef context = CGBitmapContextCreate(rgbBuffer, width, height, 8, width * bytesPerPixel, colorSpace, kCGBitmapByteOrder32Little | kCGImageAlphaNoneSkipLast);
    CGImageRef quartzImage = CGBitmapContextCreateImage(context);
//    UIImage *image = [UIImage imageWithCGImage:quartzImage];
    NSImage *image = [[NSImage alloc] initWithCGImage:quartzImage size:NSZeroSize];
    
    CGContextRelease(context);
    CGColorSpaceRelease(colorSpace);
    CGImageRelease(quartzImage);
    free(rgbBuffer);
    
    CVPixelBufferUnlockBaseAddress(imageBuffer, 0);
    
    return image;
}


- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)captureOutput
didOutputSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer
       fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection
{
    NSImage *nsImage = [self imageFromSampleBuffer:sampleBuffer];
    [self.cameraView performSelectorOnMainThread:@selector(setImage:) withObject:nsImage waitUntilDone:YES];
}

转换过程比较繁琐，基本原理就是取出YUV的数据，通过一些数学变换变成RGB，然后再在内存中绘制。

工程代码：https://github.com/annidy/AVCapturePreview2

UIImageView刷新图片是非常耗CPU，整个流程跑下来CPU占用率60%多，而fsp也只有13左右，其中50%都是setImage消耗，而用AVCaptureVideoPreviewLayer总CPU不到5%。

cpu占用率

结论：通过ImageView渲染方式理论上可行，但是有比较大的性能问题。