Opengl ES之YUV資料渲染

思想覺悟發表於2022-11-23

YUV回顧

記得在音影片基礎知識介紹中，筆者專門介紹過YUV的相關知識，可以參考：
《音影片基礎知識-YUV影像》

YUV資料量相比RGB較小，因此YUV適用於傳輸，但是YUV圖不能直接用於顯示，需要轉換為RGB格式才能顯示，因而YUV資料渲染實際上就是使用Opengl ES將YUV資料轉換程RGB資料，然後顯示出來的過程。

也就是說Opengl ES之所以能渲染YUV資料其實就是使用了Opengl強大的平行計算能力，快速地將YUV資料轉換程了RGB資料。

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YUV的格式比較多，我們今天就以YUV420SP為例，而YUV420SP又分為NV12和NV21兩種，因此今天我們的主題就是如何使用Opengl ES對NV12和NV21資料進行渲染顯示。

在著色器中使用texture2D對YUV資料進行歸一化處理後Y資料的對映範圍是0到1，而U和V的資料對映範圍是-0.5到0.5。

因為YUV格式影像 UV 分量的預設值分別是 127 ，Y 分量預設值是 0 ，8 個 bit 位的取值範圍是 0 ~ 255，由於在 shader 中紋理取樣值需要進行歸一化，所以 UV 分量的取樣值需要分別減去 0.5 ，確保 YUV 到 RGB 正確轉換。

YUV資料準備

首先我們可以使用ffmpeg命令列將一張png圖片轉換成YUV格式的圖片：

ffmpeg -i 圖片名稱.png -s 圖片寬x圖片高 -pix_fmt nv12或者nv21 輸出名稱.yuv)

透過上面這個命令列我們就可以將一張圖片轉換成yuv格式的圖片，此時我們可以使用軟體YUVViewer看下你轉換的圖片對不對，如果本身轉換出來的圖片就是錯的，那麼後面的程式就白搭了...

注意：轉換圖片的寬高最好是2的冪次方，筆者測試了下發現如果寬高不是2的冪次方的話雖然能正常轉換，但是檢視的時候要麼有色差，要麼有缺陷，也有可能正常。

又或者你可以極客一點，直接使用ffmpeg程式碼解碼影片的方式獲得YUV資料並儲存，這個可以參考筆者之前的文章：

《FFmpeg連載3-影片解碼》

同時在上面的文章中筆者也介紹了透過ffplay命令列的方式檢視YUV資料的方法。

YUV資料渲染

YUV 渲染步驟：

  • 生成 2 個紋理，分別用於承載Y資料和UV資料，編譯連結著色器程式；

NV21和NV12格式的YUV資料是隻有兩個平面的，它們的排列順序是YYYY UVUV或者YYYY VUVU因此我們的片元著色器需要兩個紋理取樣。

  • 確定紋理座標及對應的頂點座標；
  • 分別載入 NV21 的兩個 Plane 資料到 2 個紋理，載入紋理座標和頂點座標資料到著色器程式；
  • 繪製。

YUV與RGB的轉換格式圖：

YUV與RGB的轉換公式

在OpenGLES的內建矩陣實際上是一列一列地構建的，比如YUV和RGB的轉換矩陣的構建是：

// 標準轉換，捨棄了部分小數精度
mat3 convertMat = mat3(1.0, 1.0, 1.0,      //第一列
                       0.0，-0.338，1.732， //第二列
                       1.371，-0.698， 0.0);//第三列

OpenGLES 實現 YUV 渲染需要用到 GL_LUMINANCE 和 GL_LUMINANCE_ALPHA 格式的紋理，其中 GL_LUMINANCE 紋理用來載入 NV21 Y Plane 的資料，GL_LUMINANCE_ALPHA 紋理用來載入 UV Plane 的資料。

廢話少說，show me the code

YUVRenderOpengl.h

#ifndef NDK_OPENGLES_LEARN_YUVRENDEROPENGL_H
#define NDK_OPENGLES_LEARN_YUVRENDEROPENGL_H
#include "BaseOpengl.h"

class YUVRenderOpengl: public BaseOpengl{

public:
    YUVRenderOpengl();

    virtual ~YUVRenderOpengl();

    virtual void onDraw() override;

    // 設定yuv資料
    virtual void setYUVData(void *y_data,void *uv_data, int width, int height, int yuvType);

private:
    GLint positionHandle{-1};
    GLint textureHandle{-1};
    GLint y_textureSampler{-1};
    GLint uv_textureSampler{-1};
    GLuint y_textureId{0};
    GLuint uv_textureId{0};
};

#endif //NDK_OPENGLES_LEARN_YUVRENDEROPENGL_H

YUVRenderOpengl.cpp


#include "YUVRenderOpengl.h"

#include "../utils/Log.h"

// 頂點著色器
static const char *ver = "#version 300 es\n"
                         "in vec4 aPosition;\n"
                         "in vec2 aTexCoord;\n"
                         "out vec2 TexCoord;\n"
                         "void main() {\n"
                         "  TexCoord = aTexCoord;\n"
                         "  gl_Position = aPosition;\n"
                         "}";

// 片元著色器 nv12
//static const char *fragment = "#version 300 es\n"
//                              "precision mediump float;\n"
//                              "out vec4 FragColor;\n"
//                              "in vec2 TexCoord;\n"
//                              "uniform sampler2D y_texture; \n"
//                              "uniform sampler2D uv_texture;\n"
//                              "void main()\n"
//                              "{\n"
//                              "vec3 yuv;\n"
//                              "yuv.x = texture(y_texture, TexCoord).r;\n"
//                              "yuv.y = texture(uv_texture, TexCoord).r-0.5;\n"
//                              "yuv.z = texture(uv_texture, TexCoord).a-0.5;\n"
//                              "vec3 rgb =mat3( 1.0,1.0,1.0,\n"
//                              "0.0,-0.344,1.770,1.403,-0.714,0.0) * yuv;\n"
//                              "FragColor = vec4(rgb, 1);\n"
//                              "}";

/**
 *  僅僅是以下兩句不同而已
 *  "yuv.y = texture(uv_texture, TexCoord).r-0.5;\n"
 *  "yuv.z = texture(uv_texture, TexCoord).a-0.5;\n"
 */
// 片元著色器nv21 僅僅是
static const char *fragment = "#version 300 es\n"
                              "precision mediump float;\n"
                              "out vec4 FragColor;\n"
                              "in vec2 TexCoord;\n"
                              "uniform sampler2D y_texture; \n"
                              "uniform sampler2D uv_texture;\n"
                              "void main()\n"
                              "{\n"
                              "vec3 yuv;\n"
                              "yuv.x = texture(y_texture, TexCoord).r;\n"
                              "yuv.y = texture(uv_texture, TexCoord).a-0.5;\n"
                              "yuv.z = texture(uv_texture, TexCoord).r-0.5;\n"
                              "vec3 rgb =mat3( 1.0,1.0,1.0,\n"
                              "0.0,-0.344,1.770,1.403,-0.714,0.0) * yuv;\n"
                              "FragColor = vec4(rgb, 1);\n"
                              "}";

// 使用繪製兩個三角形組成一個矩形的形式(三角形帶)
// 第一第二第三個點組成一個三角形，第二第三第四個點組成一個三角形
const static GLfloat VERTICES[] = {
        0.5f,-0.5f, // 右下
        0.5f,0.5f, // 右上
        -0.5f,-0.5f, // 左下
        -0.5f,0.5f // 左上
};

// 貼圖紋理座標（參考手機螢幕座標系統，原點在左上角）
//由於對一個OpenGL紋理來說，它沒有內在的方向性，因此我們可以使用不同的座標把它定向到任何我們喜歡的方向上，然而大多數計算機影像都有一個預設的方向，它們通常被規定為y軸向下，X軸向右
const static GLfloat TEXTURE_COORD[] = {
        1.0f,1.0f, // 右下
        1.0f,0.0f, // 右上
        0.0f,1.0f, // 左下
        0.0f,0.0f // 左上
};

YUVRenderOpengl::YUVRenderOpengl() {
    initGlProgram(ver,fragment);
    positionHandle = glGetAttribLocation(program,"aPosition");
    textureHandle = glGetAttribLocation(program,"aTexCoord");
    y_textureSampler = glGetUniformLocation(program,"y_texture");
    uv_textureSampler = glGetUniformLocation(program,"uv_texture");
    LOGD("program:%d",program);
    LOGD("positionHandle:%d",positionHandle);
    LOGD("textureHandle:%d",textureHandle);
    LOGD("y_textureSampler:%d",y_textureSampler);
    LOGD("uv_textureSampler:%d",uv_textureSampler);
}

YUVRenderOpengl::~YUVRenderOpengl() {

}

void YUVRenderOpengl::setYUVData(void *y_data, void *uv_data, int width, int height, int yuvType) {

    // 準備y資料紋理
    glGenTextures(1, &y_textureId);
    glActiveTexture(GL_TEXTURE2);
    glUniform1i(y_textureSampler, 2);

    // 繫結紋理
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, y_textureId);
    // 為當前繫結的紋理物件設定環繞、過濾方式
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_LUMINANCE, width, height, 0, GL_LUMINANCE, GL_UNSIGNED_BYTE, y_data);
    // 生成mip貼圖
    glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);

    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, y_textureId);
    // 解繫結
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);

    // 準備uv資料紋理
    glGenTextures(1, &uv_textureId);
    glActiveTexture(GL_TEXTURE3);
    glUniform1i(uv_textureSampler, 3);

    // 繫結紋理
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, uv_textureId);
    // 為當前繫結的紋理物件設定環繞、過濾方式
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
    // 注意寬高
    // 注意要使用 GL_LUMINANCE_ALPHA
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_LUMINANCE_ALPHA, width/2, height/2, 0, GL_LUMINANCE_ALPHA, GL_UNSIGNED_BYTE, uv_data);
    // 生成mip貼圖
    glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, uv_textureId);
    // 解繫結
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
}

void YUVRenderOpengl::onDraw() {

    glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    glUseProgram(program);

    // 啟用紋理
    glActiveTexture(GL_TEXTURE2);
    // 繫結紋理
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, y_textureId);
    glUniform1i(y_textureSampler, 2);

    // 啟用紋理
    glActiveTexture(GL_TEXTURE3);
    // 繫結紋理
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, uv_textureId);
    glUniform1i(uv_textureSampler, 3);

    /**
     * size 幾個數字表示一個點，顯示是兩個數字表示一個點
     * normalized 是否需要歸一化，不用，這裡已經歸一化了
     * stride 步長，連續頂點之間的間隔，如果頂點直接是連續的，也可填0
     */
    // 啟用頂點資料
    glEnableVertexAttribArray(positionHandle);
    glVertexAttribPointer(positionHandle,2,GL_FLOAT,GL_FALSE,0,VERTICES);

    // 紋理座標
    glEnableVertexAttribArray(textureHandle);
    glVertexAttribPointer(textureHandle,2,GL_FLOAT,GL_FALSE,0,TEXTURE_COORD);

    // 4個頂點繪製兩個三角形組成矩形
    glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP,0,4);

    glUseProgram(0);

    // 禁用頂點
    glDisableVertexAttribArray(positionHandle);
    if(nullptr != eglHelper){
        eglHelper->swapBuffers();
    }

    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
}

注意看著色器程式碼的註釋，NV12和NV21的渲染僅僅是著色器程式碼有細小差別而已。

YUVRenderActivity.java

public class YUVRenderActivity extends BaseGlActivity {

    // 注意改成你自己圖片的寬高
    private int yuvWidth = 640;
    private int yuvHeight = 428;

    private String nv21Path;
    private String nv12Path;
    private Handler handler = new Handler(Looper.getMainLooper());

    @Override
    protected void onCreate(@Nullable Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        // 注意申請磁碟寫許可權
        // 複製資源
        nv21Path = getFilesDir().getAbsolutePath() + "/nv21.yuv";
        FileUtils.copyAssertToDest(this,"nv21.yuv",nv21Path);

        nv12Path = getFilesDir().getAbsolutePath() + "/nv12.yuv";
        FileUtils.copyAssertToDest(this,"nv12.yuv",nv12Path);
    }

    @Override
    public BaseOpengl createOpengl() {
        YUVRenderOpengl yuvRenderOpengl = new YUVRenderOpengl();
        return yuvRenderOpengl;
    }

    @Override
    protected void onResume() {
        super.onResume();
        handler.postDelayed(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 注意nv12和nv21的偏遠著色器有點不一樣的，需要手動改下除錯  YUVRenderOpengl.cpp
//                if(!TextUtils.isEmpty(nv12Path)){
//                    loadYuv(nv12Path,BaseOpengl.YUV_DATA_TYPE_NV12);
//                }

                if(!TextUtils.isEmpty(nv21Path)){
                    loadYuv(nv21Path,BaseOpengl.YUV_DATA_TYPE_NV21);
                }
            }
        },200);
    }

    @Override
    protected void onStop() {
        handler.removeCallbacksAndMessages(null);
        super.onStop();
    }

    private void loadYuv(String path,int yuvType){
        try {
            InputStream inputStream = new FileInputStream(new File(path));
            Log.v("fly_learn_opengl","---length:" + inputStream.available());
            byte[] yData = new byte[yuvWidth * yuvHeight];
            inputStream.read(yData,0,yData.length);
            byte[] uvData = new byte[yuvWidth * yuvHeight / 2];
            inputStream.read(uvData,0,uvData.length);
            Log.v("fly_learn_opengl","---read:" + (yData.length + uvData.length) + "available:" + inputStream.available());
            myGLSurfaceView.setYuvData(yData,uvData,yuvWidth,yuvHeight);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

這個主要看懂loadYuv方法，對於YUV資料的讀取即可。

思考

都說YUV的格式較多，本文我們介紹瞭如何使用Opengl ES渲染YUV420SP資料，那麼對於YUV420P資料，使用Opengl ES如何渲染呢？歡迎關注評論解答交流。

專欄系列

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Opengl ES之紋理貼圖
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