作为一个图片处理和滤镜添加的框架，GPUImage最核心的类自然是GPUImageFilter，基本上所有的具体的滤镜都继承于它。GPUImageFilter提供了一个滤镜所需要的基本功能，并且提供了一些hook给子类进行覆盖，来实现具体的图片处理。
GPUImageFilter的主要功能包括了：
-
GPUImageFilter是一个GPUImageOutput的子类，但是同时它也实现了GPUImageInput协议。因此，它包含了一个Input和Output的所有功能。 - 渲染过程：所有的Filter进行的渲染效果的区别是因为他们有不同的VertexShader和FragmentShader。但是整个渲染过程是一样的，因此这个过程都被封装到了基类中；
-
GLProgram的管理和交互。因为不同的Shader自然会对应不同的Attributes和Uniforms，因此Filter需要跟GLProgram进行交互。 - 提供子类进行初始化或者覆盖的hook。
Initialize
GPUImageFilter实现不同效果的渲染就是基于不同的Shader的，因此初始化过程都需要提供不同的Shader来创建Program。GPUImageFilter一共提供了三个初始化方法：
- (id)initWithVertexShaderFromString:(NSString *)vertexShaderString fragmentShaderFromString:(NSString *)fragmentShaderString;
- (id)initWithFragmentShaderFromString:(NSString *)fragmentShaderString;
- (id)initWithFragmentShaderFromFile:(NSString *)fragmentShaderFilename;
第二个和第三个初始化方法最终都调用了第一个初始化方法，而使用的VertexShader就是上一篇文章中提到的默认VertexShader。在初始化方法中，主要做的事情有：
- 设置默认属性：
_preventRendering = NO;
currentlyReceivingMonochromeInput = NO;
inputRotation = kGPUImageNoRotation;
backgroundColorRed = 0.0;
backgroundColorGreen = 0.0;
backgroundColorBlue = 0.0;
backgroundColorAlpha = 0.0;
- 使用Shader创建Program，并且进行初始化：
filterProgram = [[GPUImageContext sharedImageProcessingContext] programForVertexShaderString:vertexShaderString fragmentShaderString:fragmentShaderString];
if (!filterProgram.initialized)
{
[self initializeAttributes];
if (![filterProgram link])
{
NSString *progLog = [filterProgram programLog];
NSLog(@"Program link log: %@", progLog);
NSString *fragLog = [filterProgram fragmentShaderLog];
NSLog(@"Fragment shader compile log: %@", fragLog);
NSString *vertLog = [filterProgram vertexShaderLog];
NSLog(@"Vertex shader compile log: %@", vertLog);
filterProgram = nil;
NSAssert(NO, @"Filter shader link failed");
}
}
filterPositionAttribute = [filterProgram attributeIndex:@"position"];
filterTextureCoordinateAttribute = [filterProgram attributeIndex:@"inputTextureCoordinate"];
filterInputTextureUniform = [filterProgram uniformIndex:@"inputImageTexture"];
[GPUImageContext setActiveShaderProgram:filterProgram];
glEnableVertexAttribArray(filterPositionAttribute);
glEnableVertexAttribArray(filterTextureCoordinateAttribute);
GPUImage在将OpenGL ES命令面向对象化的过程中，其实是有很多默认的命名的，比如顶点位置的attribute name就是position；顶点纹理坐标的位置的attribute name就是inputTextureCoordinate；而第一个sampler的uniform的位置就是inputImageTexture。
其中initializeAttributes就给子类提供了一个添加更多Attributes的Hook。如果你的shader有更多的属性的话，那么就在覆盖这个方法，并且调用super的实现，然后添加上自己的Attributes。默认的实现是：
- (void)initializeAttributes;
{
[filterProgram addAttribute:@"position"];
[filterProgram addAttribute:@"inputTextureCoordinate"];
}
glEnableVertexAttribArray命令是告诉Program我们将会使用这些attribute index的attribute，并给他们传值。
GPUImageOutput
GPUImageFilter中，使用的多数GPUImageOutput的功能都直接继承自父类；有进行覆盖的主要是两个方法：
- (void)useNextFrameForImageCapture;
{
usingNextFrameForImageCapture = YES;
// Set the semaphore high, if it isn't already
if (dispatch_semaphore_wait(imageCaptureSemaphore, DISPATCH_TIME_NOW) != 0)
{
return;
}
}
- (CGImageRef)newCGImageFromCurrentlyProcessedOutput
{
double timeoutForImageCapture = 3.0;
dispatch_time_t convertedTimeout = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, timeoutForImageCapture * NSEC_PER_SEC);
if (dispatch_semaphore_wait(imageCaptureSemaphore, convertedTimeout) != 0)
{
return NULL;
}
GPUImageFramebuffer* framebuffer = [self framebufferForOutput];
usingNextFrameForImageCapture = NO;
dispatch_semaphore_signal(imageCaptureSemaphore);
CGImageRef image = [framebuffer newCGImageFromFramebufferContents];
return image;
}
这两个方法主要都用来进行静态图片的处理，并且返回处理的结果。代码实现并不难，useNextFrameForImageCapture方法在之前的GPUImageOutput中已经详细介绍过，主要是为了防止FrameBuffer被过度释放。
newCGImageFromCurrentlyProcessedOutput则是调用了当前Filter的outputFrameBuffer的newCGImageFromFramebufferContents方法获取处理过的图片。
GPUImageInput
GPUImageInput协议是GPUImageFilter实现的重点。理解了这一块的代码对整个FilterChain的渲染流程非常有帮助。因此我们重点看一下这一块的代码：
newFrameReadyAtTime:atIndex:
这个方法会在上一个方法渲染完成后的informTargetsAboutNewFrameAtTime:中被调用。主要由两个部分组成：
- 渲染
- 渲染完成后通知target当前filter已经渲染完成。
- (void)newFrameReadyAtTime:(CMTime)frameTime atIndex:(NSInteger)textureIndex;
{
[self renderToTextureWithVertices:imageVertices textureCoordinates:[[self class] textureCoordinatesForRotation:inputRotation]];
[self informTargetsAboutNewFrameAtTime:frameTime];
}
具体的渲染过程我们会在接下来单独解析。因此我们首先看一下informTargetsAboutNewFrameAtTime:方法：
- (void)informTargetsAboutNewFrameAtTime:(CMTime)frameTime;
{
if (self.frameProcessingCompletionBlock != NULL)
{
self.frameProcessingCompletionBlock(self, frameTime);
}
for (id<GPUImageInput> currentTarget in targets)
{
if (currentTarget != self.targetToIgnoreForUpdates)
{
NSInteger indexOfObject = [targets indexOfObject:currentTarget];
NSInteger textureIndex = [[targetTextureIndices objectAtIndex:indexOfObject] integerValue];
[self setInputFramebufferForTarget:currentTarget atIndex:textureIndex];
[currentTarget setInputSize:[self outputFrameSize] atIndex:textureIndex];
}
}
[[self framebufferForOutput] unlock];
if (usingNextFrameForImageCapture){}
else{
[self removeOutputFramebuffer];
}
for (id<GPUImageInput> currentTarget in targets)
{
if (currentTarget != self.targetToIgnoreForUpdates)
{
NSInteger indexOfObject = [targets indexOfObject:currentTarget];
NSInteger textureIndex = [[targetTextureIndices objectAtIndex:indexOfObject] integerValue];
[currentTarget newFrameReadyAtTime:frameTime atIndex:textureIndex];
}
}
}
这个方法分为几个重要功能：
- 调用frameProcessingCompletionBlock。因为这个时候，一个Frame已经渲染完毕了，因此可以调用Output中的frameProcessingCompletionBlock来进行相应的后续处理；
- 给所有的target进行内容传递，主要的代码是：
[self setInputFramebufferForTarget:currentTarget atIndex:textureIndex];
[currentTarget setInputSize:[self outputFrameSize] atIndex:textureIndex];
首先是将frameBuffer传递给所有的target以及对应的textureIndex。然后将当前FrameBuffer的size也传递给所有的target。因为target需要根据这个size来从FrameBufferCache中获取FrameBuffer。
- 将当前的outputFrameBuffer 进行unlock操作。因为每个target在setInputFrameBufferForTarget的时候都会对这个frameBuffer进行一次lock操作，因此在这个时候，当前的output对这个frameBuffer的使用已经结束。如果调用过useNextFrameForImageCapture方法来截图的话，则不能讲这个outputFrameBuffer给remove掉，因为还要进行截图操作。
- 调用所有target的newFrameReadyAtTime:frameTime :atIndex:方法，告诉所有的target进行他们该做的事情。
nextAvailableTextureIndex
由于默认的Filter只有一个输入的frameBuffer，因此下一个可用的textureIndex为0.
- (NSInteger)nextAvailableTextureIndex;
{
return 0;
}
setInputFramebuffer:atIndex
在informTargetsAboutNewFrameAtTime中，会对每个target都调用这个方法。这个方法做的最重要的事情就是保留住这个frameBuffer，让它不会被归还到FrameBufferCache中，从而能够使用这个frameBuffer的结果进行渲染。
- (void)setInputFramebuffer:(GPUImageFramebuffer *)newInputFramebuffer atIndex:(NSInteger)textureIndex;
{
firstInputFramebuffer = newInputFramebuffer;
[firstInputFramebuffer lock];
}
其他属性的传递：
除了FrameBuffer之外，Filter之间还需要传递其他的属性，包括inputSize以及inputRotation。inputSize是用来从FrameBufferCache中获取frameBuffer的，而inputRotation则是用来计算真正进行渲染的size以及textureCoordinate的。
渲染过程
GPUImageFilter最重要的任务就是进行渲染，因此我们将着重解析一下渲染模块的代码。
在OpenGL ES Program创建好并且link成功了之后，我们就可以使用这个Program进行渲染了。整个渲染的过程发生在- (void)renderToTextureWithVertices:textureCoordinates:中。我们也借着解析这个方法来熟悉一下OpenGL ES的渲染过程：
- 第一步是将当前program所在的context设置为默认context；
- 第二步是将当前的program设置为active，然后才能使用：
[GPUImageContext setActiveShaderProgram:filterProgram];
这两部都发生在GPUImageContext中的setActiveShaderProgram:filterProgram方法中：
+ (void)setActiveShaderProgram:(GLProgram *)shaderProgram;
{
GPUImageContext *sharedContext = [GPUImageContext sharedImageProcessingContext];
[sharedContext setContextShaderProgram:shaderProgram];
}
- 第三步是获得一个渲染的标的物，即
GPUImageFrameBuffer，并且将其设置为active。根据之前的介绍，我们是从GPUImageFrameBufferCache中获得这个frameBuffer的。如果需要获得当前filter的处理结果的话，那么久需要再次将这个frameBuffer进行lock。
outputFramebuffer = [[GPUImageContext sharedFramebufferCache] fetchFramebufferForSize:[self sizeOfFBO] textureOptions:self.outputTextureOptions onlyTexture:NO];
[outputFramebuffer activateFramebuffer];
if (usingNextFrameForImageCapture)
{
[outputFramebuffer lock];
}
- 将整个FrameBuffer的数据使用backgroundColor进行清空：
glClearColor(backgroundColorRed, backgroundColorGreen, backgroundColorBlue, backgroundColorAlpha);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
- 将上一个Output传递过来的FrameBuffer作为texture用来渲染：
glActiveTexture(GL_TEXTURE2);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, [firstInputFramebuffer texture]);
glUniform1i(filterInputTextureUniform, 2);
- 将顶点的位置信息以及顶点的纹理坐标信息作为attribute传递给GPU：
glVertexAttribPointer(filterPositionAttribute, 2, GL_FLOAT, 0, 0, vertices);
glVertexAttribPointer(filterTextureCoordinateAttribute, 2, GL_FLOAT, 0, 0, textureCoordinates);
- 进行渲染：
glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP, 0, 4);
- 释放上一个output传过来的frameBuffer。因为在当前的Filter中，这个FrameBuffer的任务已经完成，应该让它尽快回到Cache中进行重用。
[firstInputFramebuffer unlock];
至此，整个渲染过程就结束了。
GLProgram的交互
在不同的Filter中，渲染的不同效果主要是在FragmentShader中造成的。因此为了实现不同的效果，FragmentShader中会有很多不一样的uniform。因此，GPUImageFilter提供了一些通用的方法，让子类可以轻松的进行设置。这些方法只是简单的对OpenGL ES命令进行面向对象包装，并且提供了一个恢复机制。以float型的uniform为例：
- (void)setFloat:(GLfloat)floatValue forUniform:(GLint)uniform program:(GLProgram *)shaderProgram;
{
runAsynchronouslyOnVideoProcessingQueue(^{
[GPUImageContext setActiveShaderProgram:shaderProgram];
[self setAndExecuteUniformStateCallbackAtIndex:uniform forProgram:shaderProgram toBlock:^{
glUniform1f(uniform, floatValue);
}];
});
}
其他的所有类型的uniform可以同理而论。
总结
GPUImageFilter是整个框架的核心，它实现了很多的基础功能，也提供了很多可供子类覆盖和调用的方法。作者通过良好的设计，使得整个Filter的使用和继承非常方便，有很多值得学习的设计思路。
