iOS CoreImage之滤镜简单使用

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发布时间：2017-09-07

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技术：ios

运行环境：ios8+

概述

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。

详细

>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](http://www.demodashi.com/demo/11609.html)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](/contentImages/image/jianshu/2525768-c7902222e7ac3d2d.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

①`UIImage`：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

②`CGImage`：是基于像素的矩阵，每个点都对应了图片中点的像素信息

③`CIImage `：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](/contentImages/image/jianshu/2525768-6e86864a2a7eed2d.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](/contentImages/image/jianshu/2525768-122207ff8e1f7a2f.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](/contentImages/image/jianshu/2525768-67fa5eb8aaf2ac62.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](/contentImages/image/jianshu/2525768-9a6508f9be3a1f28.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](/contentImages/image/jianshu/2525768-81315e96710d1a9c.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](/contentImages/image/jianshu/2525768-bfce0c969605bc45.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];
        }
    }
}

```
#####项目文件截图：
![](/contentImages/image/20170907/xsgT4KptWNtwoHK7aqA.jpg)
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。

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