Opengl ES之YUV数据渲染

YUV回顾

记得在音视频基础知识介绍中，笔者专门介绍过YUV的相关知识，可以参考：

《音视频基础知识-YUV图像》

YUV数据量相比RGB较小，因此YUV适用于传输，但是YUV图不能直接用于显示，需要转换为RGB格式才能显示，因而YUV数据渲染实际上就是使用Opengl ES将YUV数据转换程RGB数据，然后显示出来的过程。

也就是说Opengl ES之所以能渲染YUV数据其实就是使用了Opengl强大的并行计算能力，快速地将YUV数据转换程了RGB数据。

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YUV的格式比较多，我们今天就以YUV420SP为例，而YUV420SP又分为NV12和NV21两种，因此今天我们的主题就是如何使用Opengl ES对NV12和NV21数据进行渲染显示。

在着色器中使用texture2D对YUV数据进行归一化处理后Y数据的映射范围是0到1，而U和V的数据映射范围是-0.5到0.5。

因为YUV格式图像 UV 分量的默认值分别是 127 ，Y 分量默认值是 0 ，8 个 bit 位的取值范围是 0 ~ 255，由于在 shader 中纹理采样值需要进行归一化，所以 UV 分量的采样值需要分别减去 0.5 ，确保 YUV 到 RGB 正确转换。

YUV数据准备

首先我们可以使用ffmpeg命令行将一张png图片转换成YUV格式的图片：

ffmpeg -i 图片名称.png -s 图片宽x图片高 -pix_fmt nv12或者nv21 输出名称.yuv)

通过上面这个命令行我们就可以将一张图片转换成yuv格式的图片，此时我们可以使用软件YUVViewer看下你转换的图片对不对，如果本身转换出来的图片就是错的，那么后面的程序就白搭了...

注意：转换图片的宽高最好是2的幂次方，笔者测试了下发现如果宽高不是2的幂次方的话虽然能正常转换，但是查看的时候要么有色差，要么有缺陷，也有可能正常。

又或者你可以极客一点，直接使用ffmpeg代码解码视频的方式获得YUV数据并保存，这个可以参考笔者之前的文章：

《FFmpeg连载3-视频解码》

同时在上面的文章中笔者也介绍了通过ffplay命令行的方式查看YUV数据的方法。

YUV数据渲染

YUV 渲染步骤：

• 生成 2 个纹理，分别用于承载Y数据和UV数据，编译链接着色器程序；

NV21和NV12格式的YUV数据是只有两个平面的，它们的排列顺序是YYYY UVUV或者YYYY VUVU因此我们的片元着色器需要两个纹理采样。

• 确定纹理坐标及对应的顶点坐标；
• 分别加载 NV21 的两个 Plane 数据到 2 个纹理，加载纹理坐标和顶点坐标数据到着色器程序；
• 绘制。

YUV与RGB的转换格式图：

在OpenGLES的内置矩阵实际上是一列一列地构建的，比如YUV和RGB的转换矩阵的构建是：

// 标准转换，舍弃了部分小数精度
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 实现 YUV 渲染需要用到 GL_LUMINANCE 和 GL_LUMINANCE_ALPHA 格式的纹理，其中 GL_LUMINANCE 纹理用来加载 NV21 Y Plane 的数据，GL_LUMINANCE_ALPHA 纹理用来加载 UV Plane 的数据。

废话少说，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;

    // 设置yuv数据
    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"

// 顶点着色器
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"
                         "}";

// 片元着色器 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"
//                              "}";

/**
 *  仅仅是以下两句不同而已
 *  "yuv.y = texture(uv_texture, TexCoord).r-0.5;\n"
 *  "yuv.z = texture(uv_texture, TexCoord).a-0.5;\n"
 */
// 片元着色器nv21 仅仅是
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"
                              "}";

// 使用绘制两个三角形组成一个矩形的形式(三角形带)
// 第一第二第三个点组成一个三角形，第二第三第四个点组成一个三角形
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
};

// 贴图纹理坐标（参考手机屏幕坐标系统，原点在左上角）
//由于对一个OpenGL纹理来说，它没有内在的方向性，因此我们可以使用不同的坐标把它定向到任何我们喜欢的方向上，然而大多数计算机图像都有一个默认的方向，它们通常被规定为y轴向下，X轴向右
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) {

    // 准备y数据纹理
    glGenTextures(1, &y_textureId);
    glActiveTexture(GL_TEXTURE2);
    glUniform1i(y_textureSampler, 2);

    // 绑定纹理
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, y_textureId);
    // 为当前绑定的纹理对象设置环绕、过滤方式
    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贴图
    glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);

    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, y_textureId);
    // 解绑定
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);

    // 准备uv数据纹理
    glGenTextures(1, &uv_textureId);
    glActiveTexture(GL_TEXTURE3);
    glUniform1i(uv_textureSampler, 3);

    // 绑定纹理
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, uv_textureId);
    // 为当前绑定的纹理对象设置环绕、过滤方式
    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);
    // 注意宽高
    // 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贴图
    glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, uv_textureId);
    // 解绑定
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
}

void YUVRenderOpengl::onDraw() {

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

    // 激活纹理
    glActiveTexture(GL_TEXTURE2);
    // 绑定纹理
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, y_textureId);
    glUniform1i(y_textureSampler, 2);

    // 激活纹理
    glActiveTexture(GL_TEXTURE3);
    // 绑定纹理
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, uv_textureId);
    glUniform1i(uv_textureSampler, 3);

    /**
     * size 几个数字表示一个点，显示是两个数字表示一个点
     * normalized 是否需要归一化，不用，这里已经归一化了
     * stride 步长，连续顶点之间的间隔，如果顶点直接是连续的，也可填0
     */
    // 启用顶点数据
    glEnableVertexAttribArray(positionHandle);
    glVertexAttribPointer(positionHandle,2,GL_FLOAT,GL_FALSE,0,VERTICES);

    // 纹理坐标
    glEnableVertexAttribArray(textureHandle);
    glVertexAttribPointer(textureHandle,2,GL_FLOAT,GL_FALSE,0,TEXTURE_COORD);

    // 4个顶点绘制两个三角形组成矩形
    glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP,0,4);

    glUseProgram(0);

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

    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
}

注意看着色器代码的注释，NV12和NV21的渲染仅仅是着色器代码有细小差别而已。

YUVRenderActivity.java

public class YUVRenderActivity extends BaseGlActivity {

    // 注意改成你自己图片的宽高
    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);
        // 注意申请磁盘写权限
        // 拷贝资源
        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的偏远着色器有点不一样的，需要手动改下调试  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();
        }
    }
}

这个主要看懂loadYuv方法，对于YUV数据的读取即可。

思考

都说YUV的格式较多，本文我们介绍了如何使用Opengl ES渲染YUV420SP数据，那么对于YUV420P数据，使用Opengl ES如何渲染呢？欢迎关注评论解答交流。

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