iOS CoreImage之滤镜简单使用
老骥伏枥，志在千里
前记
最近一直在研究图像处理方面，既上一篇iOS Quart2D绘图之UIImage简单使用后，就一直在学习关于CoreImage图像滤镜处理。中间也看了不少文章，也得到了不少帮助，下面就结合这些知识和我自己的认识，记录一下，方便自己，方便他人
- 作用：对图像进行滤镜操作，比如模糊、颜色改变、锐化、人脸识别等。
-
Core Graphics对比：基于Quartz 2D绘图引擎的绘图API，通过它可以进行绘图功能、常用的剪切裁剪合成等。
简介
Core Image是一个很强大的框架。它可以让你简单地应用各种滤镜来处理图像，比如修改鲜艳程度, 色泽, 或者曝光。 它利用GPU（或者CPU）来非常快速、甚至实时地处理图像数据和视频的帧。并且隐藏了底层图形处理的所有细节，通过提供的API就能简单的使用了，无须关心OpenGL或者OpenGL ES是如何充分利用GPU的能力的，也不需要你知道GCD在其中发挥了怎样的作用，Core Image处理了全部的细节
大概方式.png
实现方式
Core Image滤镜需要一副输入图像（生成图像的滤镜除外）以及一些定制滤镜行为的参数。被请求时，Core Image将滤镜应用于输入图像，并提供一副输出图像。在应用滤镜方面，Core Image的效率极高：仅当输出图像被请求时才应用滤镜，而不是在指定时就应用它们；另外，Core Image尽可能将滤镜合并，以最大限度地减少应用滤镜的计算量。
涉及API
-
CIImage：这是一个模型对象，它保存能构建图像的数据，可以是图像的Data，可以是一个文件，也可以是CIFilter输出的对象。 -
CIContext：上下文，是框架真正工作的地方，它需要分配必要的内存，并编译和运行滤镜内核来执行图像处理。建立一个上下文是非常昂贵的，所以你会经常想创建一个反复使用的上下文。 -
CIFilter：滤镜对象，主要是对图像进行处理的类。通过设置一些键值来控制滤镜的具体效果
注：Core Image和Core Graphics使用的是左下原点坐标
到此有一个疑问？就是苹果怎么会弄出这么多image，比如CIImage、UIImage、CGImageRef，有什么区别呢？为了弄清这个问题，我也特别搜寻了一番，下面也记录一下
①UIImage：管理图片数据，主要用来展现，Image对象并没有提供直接访问相关的图片数据的操作, 因此你总是通过已经存在的图片数据来创建它
②CGImage：是基于像素的矩阵，每个点都对应了图片中点的像素信息
③CIImage：包含了创建图片的所有必要的数据，但其本身没有渲染成图片，它代表的是图像数据或者生成图像数据的流程（如滤镜）。拥有与之关联的图片数据, 但本质上并不是一张图片，你可以CIImage对象作为一个图片的"配方"。CIImage对象拥有生成一张图片所具备的所有信息，但Core Image并不会真正的去渲染一张图片, 除非被要求这么做。
使用方式
- 1 .
CIImage创建，在使用滤镜之前，你必须要先有一个CIImage对象，在拥有该对象后结合CIFilter才能实现我们的滤镜效果。这里需要注意的是，如果直接使用image.cIImage，那么很遗憾的告诉你，你将得到一个nil，哈哈
如下：
image.CIImage.png
原因在
UIImage的API中有介绍// returns underlying CIImage or nil if CGImageRef based，应该是说图片可能不是基于CIImage而创建的正确的方式为
//得到CIImage
CIImage *inputCIImage = [[CIImage alloc] initWithImage:_image];
- 2 .
CIFilter创建方式大概有下面三种
+(nullable CIFilter *) filterWithName:(NSString *) name
+(nullable CIFilter *)filterWithName:(NSString *)name
keysAndValues:key0, ... NS_REQUIRES_NIL_TERMINATION NS_SWIFT_UNAVAILABLE("");
+(nullable CIFilter *)filterWithName:(NSString *)name
withInputParameters:(nullable NSDictionary<NSString *,id> *)params NS_AVAILABLE(10_10, 8_0);
方法上都差不多，只是后面两个在初始化的时候加入了一些键值，在API文档中，可以查到很多键值，这里需要说明下，键值kCIInputImageKey是我们必须要设置的，这是为我们的滤镜对象设置输入图像，图像的值为CIImage对象，方法如下
[_filter setValue:inputCIImage forKey:kCIInputImageKey];
方法中的name就是我们需要用的滤镜效果，具体效果，可以在官网上面进行查询，如下
filter.png
下面，我们以冲印效果为例，冲印属于
CICategoryColorEffect中的CIPhotoEffectProcess
//创建滤镜对象
CIFilter *ciFilter = [CIFilter filterWithName:@"CIPhotoEffectProcess" keysAndValues:kCIInputImageKey,ciImage, nil];
大概效果如下
冲印.png
注意：
1、在设置键值的时候，我们需要有选择性的进行设置，具体怎么选择呢？
比如上面的冲印效果，在官方文档是这么展示的
冲印展示.png
只有一个必须输入的
inputImage，因此不需要其它参数就可以实现又比如高斯模糊
CIGaussianBlur，在官方文档中，是这么展示的
高斯模糊展示.png
如果我们需要控制其模糊半径，可以这么设置
[ciFilter setValue:@(20.f) forKey:@"inputRadius"];
2、CIFilter 并不是线程安全的，这意味着 一个 CIFilter对象不能在多个线程间共享。如果你的操作是多线程的，每个线程都必须创建自己的 CIFilter 对象，而CIContext和CIImage对象都是不可修改的, 意味着它们可以在线程之间安全的共享。多个线程可以使用同样的GPU或者CPU的CIContext对象来渲染CIImage对象
在CIFilter类中，还有一些其他函数，可能是我们需要用到的，这里也简单说明下
//输入的键值信息
NSArray<NSString *> *inputKeys;
//输出的键值信息
NSArray<NSString *> *outputKeys;
//返回滤镜的属性描述信息
NSDictionary<NSString *,id> *attributes;
//将所有输入键值的值设为默认值（曾经乱用，导致我的滤镜效果完全没有任何反应，差点怀疑人生...）
- (void)setDefaults;
//根据滤镜的key查找其下面的所以子类效果
+ (NSArray<NSString *> *)filterNamesInCategory:(nullable NSString *)category
- 3 .
CIContext在创建结果图片的时候需要用到，刚开始用的时候，出于好奇用了两种不同的方法来返回结果，本以为....我会有一个方式获取不到处理后的结果，然而大跌眼镜，居然有....
CIImage *outPutImage = [ciFilter outputImage];
//获取上下文
CIContext *context = [CIContext contextWithOptions:nil];
CGImageRef cgImage = [context createCGImage:outPutImage fromRect:outPutImage.extent];
UIImage *filter_image = [UIImage imageWithCGImage:cgImage];
CGImageRelease(cgImage);
// UIImage *filter_image = [UIImage imageWithCIImage:outPutImage];
就是上面屏蔽的代码部分imageWithCIImage，这就使我纳闷了，于是猜测并查阅资料，原来在调用该方法的时候，其实是隐式的声明了CIContext，这样看来，哇！好简单，省了我一堆代码，然而，这却引起另外的问题了，就是每次都会重新创建一个 CIContext，然而 CIContext的代价是非常高的。并且，CIContext 和 CIImage 对象是不可变的，在线程之间共享这些对象是安全的。所以多个线程可以使用同一个 GPU 或者 CPU
CIContext对象来渲染 CIImage 对象。所以我们不应该使用 imageWithCIImage 来生成UIImage，而应该用上述另外一种方式来获取结果图像。
Core Image 效率
Core Image在处理图像的时候，可以有两种选择GPU、CPU，在Context中可以对其进行设置，通过设置键值，这里的键值为kCIContextUseSoftwareRenderer，默认情况下，是为GPU处理方式，如果将其设置为YES，则为CPU处理
如下
//CPU处理
CIContext *context = [CIContext contextWithOptions:[NSDictionary dictionaryWithObject:[NSNumber numberWithBool:YES] forKey:kCIContextUseSoftwareRenderer]];
如果通过GPU的话，速度就会更快，利用了GPU硬件的并行优势，可以使用 OpenGLES 或者Metal 来渲染图像，这种方式CPU完全没有负担，应用程序的运行循环不会受到图像渲染的影响。但是也有个问题，就是如果APP运行到后台的时候，GPU就会停止处理，等回到前台的时候又继续，而如果采取CPU来处理的话，就不会出现这么一种情况，在前面的图中，我们可以看到CPU是采用GCD的方式来对图像进行渲染。所以在使用的时候，还是需要分情况，如果是处理复杂的操作，比如高斯模糊这样的，建议还是用GPU来处理，可以节省CPU的开销，如果在后台还需要操作的话，可以使用CPU来操作。
//
CIImage *outPutImage = [ciFilter outputImage];
//获取上下文
CIContext *context = [CIContext contextWithOptions:nil];
CGImageRef cgImage = [context createCGImage:outPutImage fromRect:outPutImage.extent];
UIImage *filter_image = [UIImage imageWithCGImage:cgImage];
CGImageRelease(cgImage);
上面的这段代码是通过GPU的方式来处理图像，然后得到结果UIImage，最后再赋值给UIImageView。
1.jpg
分析下这个过程：
1、将图像上传到GPU，然后进行滤镜处理
2、得到CGImageRef cgImage的时候，又将图像复制到了CPU上
3、在赋值给UIImageView进行显示的时候，又需要通过GPU处理位图数据，进行渲染
这样的话，我们就在GPU-CPU-GPU上循环操作，在性能上肯定是有一定的损耗的，那么为了避免这种问题，我们该这怎么办呢？
查看API，我们可以看到有这么一个函数
+ (CIContext *)contextWithEAGLContext:(EAGLContext *)eaglContext
EAGLContext：是基于OpenGL ES的上下文
通过上面的函数，我们通过OpenGL ES的上下文创建的Core Image的上下文就可以实时渲染了，并且渲染图像的过程始终在 GPU上进行，但是要显示图像，又该怎么办呢？如果还是用UIImageView的话，那么势必会回到CPU上，这里，我们可以用GLKView，一个属于GLKIT中的类，通过GLKView和其属性@property (nonatomic, retain) EAGLContext *context来将图像绘制出来，这样的话，就能保证我们的滤镜，一直在GPU上进行，大大的提高效率。
针对该方案，我自定义了一个类似UIImageView的类FilterImageView
//FilterImageView.h
#import <GLKit/GLKit.h>
@interface FilterImageView : GLKView
@property (nonatomic,strong) UIImage *image;
@property (nonatomic,strong) CIFilter *filter;
@end
.m文件核心代码
//FilterImageView.m
- (id)initWithFrame:(CGRect)frame
{
EAGLContext *context = [[EAGLContext alloc] initWithAPI:kEAGLRenderingAPIOpenGLES2];
self = [super initWithFrame:frame context:context];
if (self) {
_ciContext = [CIContext contextWithEAGLContext:context options:[NSDictionary dictionaryWithObject:[NSNumber numberWithBool:NO] forKey:kCIContextUseSoftwareRenderer]];
//超出父视图 进行剪切
self.clipsToBounds = YES;
}
return self;
}
- (void)drawRect:(CGRect)rect
{
if (_ciContext && _image) {
//得到CIImage
CIImage *inputCIImage = [[CIImage alloc] initWithImage:_image];
CGRect inRect = [self imageBoundsForContentModeWithFromRect:inputCIImage.extent
toRect:CGRectMake(0, 0, self.drawableWidth, self.drawableHeight)];
if (_filter) {
[_filter setValue:inputCIImage forKey:kCIInputImageKey];
//根据filter得到输出图像
if (_filter.outputImage) {
//渲染开始
[_ciContext drawImage:_filter.outputImage
inRect:inRect
fromRect:inputCIImage.extent];
}
}else{
[_ciContext drawImage:inputCIImage
inRect:inRect
fromRect:inputCIImage.extent];
}
}
}
如此之后，我们就能提高滤镜的效率，特别是一些复杂的。
关于滤镜，能写的就只要这么多了，在学习中，也确实发现这是一个好东西，可以做很多炫酷的东西出来，为此，特意做了一个简单的Demo，目前还未完善，希望各位勿喷。
参考文章
- iOS中图形图像处理第一部分:位图图像原图修改 主要是讲解图像的基本原理和修改图像原理
- 官方文档 关于所有滤镜的效果展示和简单使用
- swift讲解 CoreImage 用swift讲解的关于滤镜的，讲的非常详细。
- Core Image 你需要了解的那些事~ 讲的很详细的一篇
