本文主要介绍使用OpenGL ES来渲染I420(YUV420P) , NV12(YUV420SP)的方法，关于YUV的知识，可以看这里《YUV颜色编码解析》，同样会用到一些简单的OpenGL shader知识，可以看看OpenGL的着色器语言。为了书写方便，以下所谈的OpenGL特指OpenGL ES。

OpenGL ES是OpenGL的精简版本，主要针对于手机、游戏主机等嵌入式设备，它提供了一套设备图形硬件的软件接口，通过直接操作图形硬件，使我们能够高效地绘制图形。OpenGL在iOS架构中属于媒体层，与quartz(core graphics)类似，是相对底层的技术，可以控制每一帧的图形绘制。由于图形渲染是通过图形硬件(GPU)来完成的，相对于使用CPU，能够获得更高的帧率同时不会因为负载过大而造成卡顿。

OpenGL处于绘制接口的底层

创建GLView

我们需要创建一个用来展示OpenGL绘制内容的View，只需要将UIView的根图层(underlying layer)替换成CAEAGLLayer实例即可。通过覆盖UIView的类方法+(Class)layerClass，可以实现这一点，CAEAGLLayer默认是透明的，这会影响性能，所以将它设为不透明。

+ (class)layerClass {
    return [CAEAGLLayer class];
}
- (void)setupLayer {
    _eaglLayer = (CAEAGLLayer*) self.layer;
    _eaglLayer.opaque = YES;
}

创建EAGLContext

EAGLContext对象管理OpenGL绘制所需要的所有信息，和Quartz 2D所使用的CGContext类似。

- (void)setupContext {   
//创建一个OpenGLES 2.0接口的context
    EAGLRenderingAPI api = kEAGLRenderingAPIOpenGLES2;
    _context = [[EAGLContext alloc] initWithAPI:api];
    if (!_context) {
        NSLog(@"Failed to initialize OpenGLES 2.0 context");
        exit(1);
    }
 //将其设置为current context
    if (![EAGLContext setCurrentContext:_context]) {
        NSLog(@"Failed to set current OpenGL context");
        exit(1);
    }
}

创建render buffer

render buffer用来存储将要绘制到屏幕上图像。OpenGL中的对象都需要创建、绑定，并且都是ID引用的。

- (void)setupRenderBuffer {
    //创建一个render buffer对象,并绑定到GL_RENDERBUFFER目标上
    glGenRenderbuffers(1, &_renderBuffer);
    glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, _renderBuffer); 
    //为render buffer分配存储空间
    [_context renderbufferStorage:GL_RENDERBUFFER fromDrawable:_eaglLayer];    
}

创建frame buffer

一个frame buffer对象包括render buffer, depth buffer, stencil buffer等，拥有OpenGL绘制时需要的信息。

- (void)setupFrameBuffer {    
    GLuint framebuffer;
    glGenFramebuffers(1, &framebuffer);
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, framebuffer);
    //将之前创建的render buffer附着到frame buffer作为其logical buffer
    //GL_COLOR_ATTACHMENT0指定第一个颜色缓冲区附着点
    glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, 
        GL_RENDERBUFFER, _renderBuffer);
 }

glFramebufferRenderbuffer调用后，render buffer通过GL_COLOR_ATTACHMENT0引用使用render buffer

渲染

- (void)render {
//设置用来清除屏幕的颜色，类似于quartz中设置CGcontext画笔的颜色
    glClearColor(0, 0, 0, 1.0);
    //执行清除操作，设置render buffer中的像素颜色为上一步指定的颜色
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    //渲染render buffer中的图像到GLView的CAEAGLLayer
    [_context presentRenderbuffer:GL_RENDERBUFFER];
}

shader(着色器)

shader是上是在GPU上执行的程序，保存在.glsl文件中或以字符串形式写在OpenGL代码里，使用GLSL(OpenGL shading language)语言编写，shader在运行时编译，链接，最终在GPU上执行采样操作。
OpenGL中有两种shader：

1. vertex shader（顶点着色器）：vertex shader在每个顶点上都执行执行一次，通过不同世界的坐标系转化定位顶点的最终位置。它可以数据给fragment shader，如纹理坐标、顶点坐标，变换矩阵等。
2. fragment shader（片段着色器）：fragment shader在每个像素上都会执行一次，通过插值确定像素的最终显示颜色。

创建shader

以下是两个简单的shader，用来说明GLSL的语法特点。

vertex shader：

//attribute 关键字用来描述传入shader的变量
attribute vec4 vertexPosition; // 需要从外部获取的4分量vector
attribute vec4 pixelColor; 
//varying 关键字用来描述从vertex shader传递给fragment shader的变量
//精度修饰符分为三种：highp, mediump, lowp
varying mediump vec4 finalPixelColor; //mediumP修饰代表中等精度，提高效率。
 
void main(void) { 
    finalPixelColor = pixelColor; // 将pixelColor的值通过finalPixelColor传递给fragment shader
    gl_Position = vertexPosition; // gl_Position是vertex shader的内建变量，gl_Position中的顶点值最终输出到渲染管线中
}

fragment shader：

varying mediump vec4 finalPixelColor; 
 
void main(void) { 
    gl_FragColor = finalPixelColor; // gl_FragColor是fragment shader的内建变量，gl_FragColor中的像素值最终输出到渲染管线中
}
}

使用shader

shader在运行时完成编译、链接，是在GPU上执行的小程序，以下是shader编译、链接的过程，为了阅读方便，省略了调试异常情况的判断和调试log输出。

//编译shader函数
- (GLuint)compileShader:(NSString*)shaderName withType:(GLenum)shaderType {
    // 读取shader文件的内容为字符串
    NSString* shaderPath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:shaderName 
        ofType:@"glsl"];
    NSError* error;
    NSString* shaderString = [NSString stringWithContentsOfFile:shaderPath 
        encoding:NSUTF8StringEncoding error:&error];
    if (!shaderString) {
        NSLog(@"Error loading shader: %@", error.localizedDescription);
        exit(1);
    }
    // 创建shader对象，返回其引用
    GLuint shaderHandle = glCreateShader(shaderType);    
    // 获取C字符串，作为源代码传给OpenGL
    const char * shaderStringUTF8 = [shaderString UTF8String];    
    int shaderStringLength = [shaderString length];
    glShaderSource(shaderHandle, 1, &shaderStringUTF8, &shaderStringLength);
    // 运行时编译shader
    glCompileShader(shaderHandle);
    return shaderHandle;
}
//编译、链接shader
-（void)configuerShader{
    // 创建并编译shader
    GLuint vertexShader = [self compileShader:@"vertexShader" 
        withType:GL_VERTEX_SHADER];
    GLuint fragmentShader = [self compileShader:@"fragmentShader" 
        withType:GL_FRAGMENT_SHADER];
    //创建一个程序对象，返回其引用
    _programHandle = glCreateProgram();
    //将两个shader绑定到程序对象, 不需要时可以使用glDetachShader解绑
    glAttachShader(programHandle, vertexShader);
    glAttachShader(programHandle, fragmentShader);
    //链接两个shader
    glLinkProgram(_programHandle);
    //选择创建的程序对象为当前使用的程序，类似setCurrentContext, 不需要时使用glDeleteProgram删除
    glUseProgram(_programHandle);
  }
-(void)configuerSlot{
   //获取shader中attribute变量的引用
   _vertexPosition = glGetAttribLocation(programHandle, "vertexPosition");
   _pixelColor = glGetAttribLocation(programHandle, "pixelColor");
   //启用attribute变量，使其对GPU可见，默认为关闭
   glEnableVertexAttribArray(_vertexPosition);
   glEnableVertexAttribArray(_pixelColor);
 }

-(void)initOpenGl{
  [self configuerShader];
  [self coniigureSlot];
}

使用OpenGL绘制一个简单的矩形

以上内容介绍了OpenGL的基本数据结构，现在先来绘制一个简单的矩形

初始化

现在需要给OpenGL提供attribute变量值与顶点数据。顶点数据用来提供绘制时的几何信息。OpenGL中只能绘制三角形，三角形保证了其内部像素都在同一个平面。要绘制复杂的几何图形，可以用三角形组合的方式实现。
顶点数据使用VBO（vertex buffer object）来传递给GPU。

初始化VBO

OpenGL需要有两种VBO来确定几何图形，vertex VBO提供顶点本身，index VBO提供三角形所使用的顶点的index序列。这样保证了显存中存储的顶点数据是唯一的，不会浪费资源。VBO中存储着CPU传给GPU的数据，存储在显存里，在执行大量重复的绘制操作时，可以提高效率。

初始化attribute变量

之前创建的shader中，有两个attribute变量，需要使用glVertexAttribPointer输入给shader。

//我们需要在一个矩形中绘制图像，需要两个三角形模拟，所以需要四个顶点，索引数组说明了两个三角形顶点组成。
//默认情况下，OpenGL 的Viewport左下角顶点为（-1，-1），右上角顶点为（1，1）。
const float vertices[] = {
 1, -1, 0,//index 0
 1,  1, 0,//index 1
-1,  1, 0,//index 2
-1, -1, 0 //index 3
}
const GLubyte Indices[] = {
     0, 1, 2,
     2, 3, 0
};

- (void)setupVBOs {
    //顶点VBO
    GLuint vertexBuffer;
    glGenBuffers(1, &vertexBuffer);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
    //将顶点坐标写入顶点VBO
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), Vertices, GL_STATIC_DRAW);
    //索引VBO
    GLuint indexBuffer;
    glGenBuffers(1, &indexBuffer);
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
    //将顶点索引数据写入索引VBO
    glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(Indices), Indices, GL_STATIC_DRAW);
  }
-（void）feedAttributeSlot{
    //由于使用了VBO，所以最后一个参数传数据在VBO中的偏移量，这点需要注意
    glVertexAttribPointer(_vertexPosition, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(float)*3, 0);
    //没有使用VBO，直接传指针给函数,
    float blueColor[] = {0, 0, 1, 0};
    glVertexAttribPointer(_pixelColor, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, blueColor);
  }

注意此时写入VBO的只是一些二进制的数据，需要在读取数据是，给出数据类型才能正确读取。

绘制

- (void)render {
    //绘制黑色背景
    glClearColor(0, 0, 0, 1.0);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    //创建一个OpenGL绘制的窗口
    glViewport(0, 0, self.frame.size.width, self.frame.size.height);
    //使用顶点索引，绘制图形。调用函数后，vertex shader会在每个顶点执行一遍，确定顶点信息。fragment shader会在每个像素执行一遍，确定像素颜色。
    //在使用VBO的情况下，最后一个参数传0
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, sizeof(Indices)/sizeof(Indices[0]), 
        GL_UNSIGNED_BYTE, 0);
    //EACAGLContext 渲染OpenGL绘制好的图像到EACAGLLayer
    [_context presentRenderbuffer:GL_RENDERBUFFER];
} 

由于shader中pixelColor变量类型是varying类型，在处理未知值是，会自动插值，默认为线性插值。如果对shader的GLSL语法不熟悉，可以看这篇文章。

所以，当顶点之间的颜色不同是，fragment shader在处理图形内部的像素后会返回一个根据顶点插值后的数值，整个图形是渐变色的。

这里因为四个顶点都设置为了蓝色，所以绘制出来是一个蓝色的矩形。

（添加图）

使用OpenGL绘制YUV数据

以上内容简单介绍了如何使用OpenGL绘制，现在重点如何使用OpenGL绘制YUV数据。
YUV是一种颜色编码格式，常用的格式有YUV444,YUV422P,YUV420P,YUV420SP等。
本文主要研究YUV420P的I420与YUV420SP的NV12。

纹理

我们需要将YUV数据纹理的方式加载到OpenGL，再将纹理贴到之前创建矩形上，完成绘制。
将每个顶点赋予一个纹理坐标，OpenGL会根据纹理坐标插值得到图形内部的像素值。OpenGL的纹理坐标系是归一化的，取值范围是0 - 1，左下角是原点。

三角形贴上纹理需要的纹理坐标

纹理目标、纹理对象、纹理单元

1. 纹理目标是显卡的软件接口中定义的句柄，指向要进行当前操作的显存。
2. 纹理对象是我们创建的用来存储纹理的显存，在实际使用过程中使用的是创建后返回的ID。
3. 纹理单元是显卡中所有的可用于在shader中进行纹理采样的显存，数量与显卡类型相关，至少16个。在激活某个纹理单元后，纹理目标就该纹理单元，默认激活的是GL_TEXTURE0。

可以这么想象，纹理目标是转轮手枪正对弹膛的单孔，纹理对象就是子弹，纹理单元是手枪的六个弹孔。下面用代码说明它们之间的关系。

//创建一个纹理对象数组，数组里是纹理对象的ID
GLuint texture[3];
//创建纹理对象，第一个参数是要创建的数量，第二个参数是数组的基址
glGenTextures(3, &texture);
//激活GL_TEXTURE0这个纹理单元，用于之后的纹理采样
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
//绑定纹理对象texture[0]到纹理目标GL_TEXTURE_2D，接下来对纹理目标的操作都发生在此对象上
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[0]);
//创建图像，采样工作在GL_TEXTURE0中完成，图像数据存储在GL_TEXTURE_2D绑定的对象，即texture[0]中。
glTexImage(GL_TEXTURE_2D, ...);
//解除绑定，此时再对GL_TEXTURE_2D不会影响到texture[0]，texture[0]的内存不会回收。
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
//可以不断创建新的纹理对象，直到显存耗净

修改shader

之前创建的简单shader现在要修改代码，实现对YUV数据的绘制。如果对GLSL语法与YUV不熟悉，可以看OpenGL的着色语言：GLSL和YUV颜色编码解析。

//vertex shader
ttribute vec4 position;
attribute mediump vec2 textureCoordinate;//要获取的纹理坐标
varying mediump vec2 coordinate;//传递给fragm shader的纹理坐标，会自动插值

void main(void) { 
    gl_Position = vertexPosition; 
    coordinate = textureCoordinate;
}

//fragment shader
precision mediump float;

uniform sampler2D SamplerY;//sample2D的常量，用来获取I420数据的Y平面数据
uniform sampler2D SamplerU;//U平面
uniform sampler2D SamplerV;//V平面

uniform sampler2D SamplerNV12_Y;//NV12数据的Y平面
uniform sampler2D SamplerNV12_UV;//NV12数据的UV平面

varying highp vec2 coordinate;//纹理坐标

uniform int yuvType;//0 代表 I420, 1 代表 NV12

//用来做YUV --> RGB 的变换矩阵
const vec3 delyuv = vec3(-0.0/255.0,-128.0/255.0,-128.0/255.0);
const vec3 matYUVRGB1 = vec3(1.0,0.0,1.402);
const vec3 matYUVRGB2 = vec3(1.0,-0.344,-0.714);
const vec3 matYUVRGB3 = vec3(1.0,1.772,0.0);

void main()
{
    vec3 CurResult;
    highp vec3 yuv;
    
    if (yuvType == 0){
        yuv.x = texture2D(SamplerY, coordinate).r;//因为是YUV的一个平面，所以采样后的r,g,b,a这四个参数的数值是一样的
        yuv.y = texture2D(SamplerU, coordinate).r;
        yuv.z = texture2D(SamplerV, coordinate).r;
    }
    else{
        yuv.x = texture2D(SamplerY, coordinate).r;
        yuv.y = texture2D(SamplerUV, coordinate).r;//因为NV12是2平面的，对于UV平面，在加载纹理时，会指定格式，让U值存在r,g,b中，V值存在a中。
        yuv.z = texture2D(SamplerUV, coordinate).a;//这里会在下面解释
    }
    
    yuv += delyuv;//读取值得范围是0-255，读取时要-128回归原值
    //用数量积来模拟矩阵变换，转换成RGB值
    CurResult.x = dot(yuv,matYUVRGB1);
    CurResult.y = dot(yuv,matYUVRGB2);
    CurResult.z = dot(yuv,matYUVRGB3);
    //输出像素值给光栅器
    gl_FragColor = vec4(CurResult.rgb, 1);
}

加载YUV数据到纹理对象

现在有了可以处理YUV数据的shader，我们需要加载YUV数据，来让OpenGL完成绘制。

//创建纹理对象,需要3个纹理对象来获取不同平面的数据
-(void)setupTexture{
    _planarTextureHandles = (GLuint *)malloc(3*sizeof(GLuint));
    glGenTextures(3, _planarTextureHandles);
}
-(void)feedTextureWithImageData:(Byte*)imageData imageSize:(CGSize)imageSize type:(NSInteger)type{
    //根据YUV编码的特点，获得不同平面的基址
    Byte * yPlane =  imageData;
    Byte * uPlane =  imageData + imageSize.width*imageSize.height;
    Byte * vPlane =  imageData + imageSize.width*imageSize.height * 5 / 4;
    if (type == 0) {
        [self textureYUV:yPlane widthType:imageSize.width heightType:imageSize.height index:0];
        [self textureYUV:uPlane widthType:imageSize.width/2 heightType:imageSize.height/2 index:1];
        [self textureYUV:vPlane widthType:imageSize.width/2 heightType:imageSize.height/2 index:2];
    }else{
        [self textureYUV:yPlane widthType:imageSize.width heightType:imageSize.height index:0];
        [self textureNV12:uPlane widthType:imageSize.width/2 heightType:imageSize.height/2 index:1];
    }
}
- (void) textureYUV: (Byte*)imageData widthType: (int) width heightType: (int) height index: (int) index
{
    //将纹理对象绑定到纹理目标
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, _planarTextureHandles[index]);
    //设置放大和缩小时，纹理的过滤选项为：线性过滤
    glTexParameteri( GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR );
    glTexParameteri( GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR );
    //设置纹理X,Y轴的纹理环绕选项为：边缘像素延伸
    glTexParameteri( GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    glTexParameteri( GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    //加载图像数据到纹理，GL_LUMINANCE指明了图像数据的像素格式为只有亮度，虽然第三个和第七个参数都使用了GL_LUMINANCE，
    //但意义是不一样的，前者指明了纹理对象的颜色分量成分，后者指明了图像数据的像素格式
    //获得纹理对象后，其每个像素的r,g,b,a值都为相同，为加载图像的像素亮度，在这里就是YUV某一平面的分量值
    glTexImage2D( GL_TEXTURE_2D, 0, GL_LUMINANCE, width, height, 0, GL_LUMINANCE, GL_UNSIGNED_BYTE, imageData );
    //解绑
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
}

CADisplayLink定时绘制

现在已经能够将YUV数据加载到纹理对象了，下一步来改造render方法，将其绘制到屏幕上。可以用CADisplayLink定时调用render方法，可以根据屏幕刷新频率来控制YUV视频流的帧率。

- (void)render {
    //绘制黑色背景
    glClearColor(0, 0, 0, 1.0);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    //获取平面的scale
    CGFloat scale = [[UIScreen mainScreen] scale];
    CGFloat width = _frame.size.width*scale;
    CGFloat height = _frame.size.height*scale;
    //创建一个OpenGL绘制的窗口
    glViewport(0, 0,width,height);
    [self drawTexture];
    //EACAGLContext 渲染OpenGL绘制好的图像到EACAGLLayer
    [_context presentRenderbuffer:GL_RENDERBUFFER];
} 
//fragment shader的sample数组
GLint sampleHandle[3];
//绘制纹理
- (void) drawTexture{
    //传纹理坐标给fragment shader
    glVertexAttribPointer([AVGLShareInstance shareInstance].texCoordAttributeLocation, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE,
                          sizeof(Vertex), (void*)offsetof(Vertex, TexCoord));
    glEnableVertexAttribArray([AVGLShareInstance shareInstance].texCoordAttributeLocation);
    //传纹理的像素格式给fragment shader
    GLint yuvType = glGetUniformLocation(_programHandle, "yuvType");
    glUniform1i([AVGLShareInstance shareInstance].drawTypeUniform, yuvType);
    //type: 0是I420, 1是NV12
    int planarCount = 0;
    if (type == 0) {
        planarCount = 3;//I420有3个平面
        sampleHandle[1] = glGetUniformLocation(_programHandle, "samplerY");
        sampleHandle[2] = glGetUniformLocation(_programHandle, "samplerU");
        sampleHandle[3] = glGetUniformLocation(_programHandle, "samplerV");
    }else{
        planarCount = 2;//NV12有两个平面
        sampleHandle[1] = glGetUniformLocation(_programHandle, "SamplerNV12_Y");
        sampleHandle[2] = glGetUniformLocation(_programHandle, "SamplerNV12_UV");
    }
        for (int i=0; i<planarCount; i++){
            glActiveTexture(GL_TEXTURE0+i);
            glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, _planarTextureHandles[i]);
            glUniform1i(sampleHandle[i], i);
        }
    //绘制函数，使用三角形作为图元构造要绘制的几何图形，由于顶点的indexs使用了VBO，所以最后一个参数传0
    //调用这个函数后，vertex shader先在每个顶点执行一次，之后fragment shader在每个像素执行一次，绘制后的图像存储在render buffer中。
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6,GL_UNSIGNED_BYTE, 0);
}

可以想象的应用场景

使用OpenGL绘制视频，是实现简单AR最简单的方式，也可以根据业务来对视频播放做进一步的个性定制，比如动态打码，贴纸等。