本章仅对部分代码进行讲解，以帮助读者更好的理解章节内容。本系列文章涉及的项目HardwareVideoCodec已经开源到Github，支持软编和硬编。使用它你可以很容易的实现任何分辨率的视频编码，无需关心摄像头预览大小。一切都如此简单。目前已迭代多个稳定版本，欢迎查阅学习和使用，如有BUG或建议，欢迎Issue。
在Android系统中，使用GPU对摄像头画面进行高效可控的渲染，几乎是必须的。说到GPU就不得不提OpenGL，一组GPU暴露给应用层使用的接口。
- Tip：OpenGL是一组基于状态的系统，在这里没有对象，只有一系列的状态。包括申请的Texture、FBO和PBO都是以状态的形式存在的。当我们向系统申请一个Texture，系统不会直接给你返回一个Texture对象，而是一个编号，FBO和PBO也是一样的。
正式开始之前我们先看一下这个模块的脑图和类图，以便对结构有个大概的了解。
- CamerPreviewPresenter：序章介绍过了，一个全局控制器
- Parameter：很重要的一个data类，包含了Camera、Encoder和Muxer初始化的一系列参数，再这里只用到Camera部分，也就是fps、previewWidth和previewHeight。
- CameraWrapper：一个Camera的包装，对外暴露了SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener接口，以及EGL，SurfaceTexture环境
- CamerTextureWraper：EGL和SurfaceTexture的封装，其中textureId是OpenGL的纹理id，前面提到OpenGL是一个基于状态的系统，对SurfaceTexture的一系列处理都得通过textureId
首先，CameraPreviewPresenter需要实现SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener接口，并且持有一个Parameter和一个CameraWrapper。cameraWrapper 会在init中初始化，parameter则是在CameraPreviewPresenter的调用处传进来。
class CameraPreviewPresenter(var parameter: Parameter,
private var cameraWrapper: CameraWrapper? = null)
: SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener{
init {
cameraWrapper = CameraWrapper.open(parameter, this)
}
}接下来在CameraWrapper里面，我们同样看到了Parameter，这个类会贯穿整个结构层级。onFrameAvailableListener也是由外部调用者赋值进来的，也就是CameraPreviewPresenter。
由于Camera的初始化是一个耗时任务，所以需要在线程中初始化，这里使用了一个HandlerThread。熟悉HandlerThread的人应该知道，HandlerThread会和一个Handler关联起来，通过Handler给Thread发送消息，从而实现子线程中的消息消费，具体的效果就是可以让线程以规定的顺序间歇性的处理我们的任务，而无须关心线程的等待问题。
class CameraWrapper(private var parameter: Parameter,
private var onFrameAvailableListener: SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener,
var textureWrapper: TextureWrapper = CameraTextureWrapper()) {
private var mHandlerThread = HandlerThread("Renderer_Thread")
private var mHandler: Handler? = null
private var mCamera: Camera? = null
private var mCameras = 0
private var mCameraIndex = Camera.CameraInfo.CAMERA_FACING_BACK
}在CameraWrapper初始化时获取摄像头数量，并初始化开启HandlerThread线程，之后向HandlerThread发送准备消息，在子线程中准备Camera的初始化。
init { mCameras = CameraHelper.getNumberOfCameras() initThread() mHandler?.removeMessages(PREPARE) mHandler?.sendEmptyMessage(PREPARE) }Handler比较简单，只包含了一个Camera初始化的状态。代码就比较长了，在prepare()中，主要任务就是根据Parameter中的cameraIndex参数来打开前置或者后置摄像头，然后确定Camera的PreviewSize（预览分辨率）、ColorFormat（颜色格式）、FocusMode（对焦模式）、Fps（预览帧率）以及一些情景模式等。
private fun initThread() { mHandlerThread.start() mHandler = object : Handler(mHandlerThread.looper) { override fun handleMessage(msg: Message) { when (msg.what) { PREPARE -> { prepare() } } } } } private fun prepare() { if (0 == mCameras) { debug_e("Unavailable camera") return } //如果没有前置摄像头，则强制使用后置摄像头 if (parameter.cameraIndex == Camera.CameraInfo.CAMERA_FACING_FRONT && mCameras < 2) parameter.cameraIndex = Camera.CameraInfo.CAMERA_FACING_BACK mCameraIndex = parameter.cameraIndex val time = System.currentTimeMillis() mCamera = openCamera(mCameraIndex) debug_e("open time: ${System.currentTimeMillis() - time}") if (null == mCamera) return val cameraParam = mCamera!!.parameters CameraHelper.setPreviewSize(cameraParam, parameter) CameraHelper.setColorFormat(cameraParam, parameter) CameraHelper.setFocusMode(cameraParam, parameter) CameraHelper.setFps(cameraParam, parameter) CameraHelper.setAutoExposureLock(cameraParam, false) CameraHelper.setSceneMode(cameraParam, Camera.Parameters.SCENE_MODE_AUTO) CameraHelper.setFlashMode(cameraParam, Camera.Parameters.FLASH_MODE_OFF) CameraHelper.setAntibanding(cameraParam, Camera.Parameters.ANTIBANDING_AUTO) CameraHelper.setVideoStabilization(cameraParam, true) val fps = IntArray(2) cameraParam.getPreviewFpsRange(fps) debug_v("Config: Size(${parameter.previewWidth}x${parameter.previewHeight})\n" + "Format(${cameraParam.previewFormat})\n" + "FocusMode(${cameraParam.focusMode})\n" + "Fps(${fps[0]}-${fps[1]})\n" + "AutoExposureLock(${cameraParam.autoExposureLock})\n" + "SceneMode(${cameraParam.sceneMode})\n" + "FlashMode(${cameraParam.flashMode})\n" + "Antibanding(${cameraParam.antibanding})\n" + "VideoStabilization(${cameraParam.videoStabilization})") try { mCamera!!.parameters = cameraParam mPrepare = true if (mRequestPreview) { startPreview() mRequestPreview = false mPrepare = false } } catch (e: Exception) { mCamera!!.release() debug_e("Camera $mCameraIndex open failed. Please check parameters") } }
- Tip：关于previewSize的选择，由于Android的摄像头分辨率是固定的，我们必须从中选择一个合适的分辨率进行预览，最后会裁剪送进Render和Encoder。这里遵循一个最小裁剪像素原则，不需要过多复杂的判断，保证选择的都是最合适的分辨率，代码如下
fun setPreviewSize(cameraParam: Camera.Parameters, videoParam: Parameter) { val supportSizes = cameraParam.supportedPreviewSizes var bestWidth = 0 var bestHeight = 0 for (size in supportSizes) { if (size.width >= videoParam.previewWidth//预览宽大于输出宽 && size.height >= videoParam.previewHeight//预览高大于输出高 && (size.width * size.height < bestWidth * bestHeight || 0 == bestWidth * bestHeight)) {//选择像素最少的分辨率 bestWidth = size.width bestHeight = size.height } } debug_v("target preview size: " + videoParam.previewWidth + "x" + videoParam.previewHeight + ", best: " + bestWidth + "x" + bestHeight) videoParam.previewWidth = bestWidth videoParam.previewHeight = bestHeight videoParam.check() cameraParam.setPreviewSize(videoParam.previewWidth, videoParam.previewHeight) }
- 在上面完成参数初始化后，开启摄像头预览
startPreview。这里比较重要的一点就是预览输出方向为SurfaceTexture，也就是OpenGL的一个纹理，而不是屏幕，我们可以把它看作一个缓冲区。SurfaceTexture的创建被包含在CameraTextureWrapper中。fun startPreview(): Boolean { mRequestPreview = true if (!mPrepare) return false if (null == mCamera) return false textureWrapper.surfaceTexture!!.setOnFrameAvailableListener(onFrameAvailableListener) return try { mCamera!!.setPreviewTexture(textureWrapper.surfaceTexture) mCamera!!.startPreview() true } catch (e: Exception) { release() debug_e("Start preview failed") e.printStackTrace() false } }
- Tip：关于Camer预览的问题，大多数人都会选择onPreviewFrame(byte[] data, Camera camera)的回调数据，但是因为这里使用了OpenGL，所以必须使用SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener。我们可以看到，这个回调是没有返回data的，所以我们一开始必须自己生成一个SurfaceTexture并设置给Camera，让摄像头把数据绘制到一个OpenGL的纹理上，也可以看作是一个缓冲区，这时候数据会保存在GPU内存中。而我们这么才能拿到这个数据呢，一切秘密都在这个SurfaceTexture的id（textureId）中。
CameraTextureWrapper的初始化，先来看一下它的抽象父类TextureWrapper。很简单，就是一些基础代码，当然包含了一些必要的属性
abstract class TextureWrapper(open var surfaceTexture: SurfaceTexture? = null,
var texture: BaseTexture? = null,
open var textureId: Int? = null,
var egl: Egl? = null) {
abstract fun drawTexture(transformMatrix: FloatArray?)
open fun release() {
if (null != surfaceTexture) {
surfaceTexture!!.release()
surfaceTexture = null
}
}
}由于使用OpenGL生成TextureId会有一些未知的错误，所以这里直接给定textureId=10，然后new一个SurfaceTexture。
init {
/**
* 使用createTexture()会一直返回0，导致一些错误
*/
textureId = 10
intTexture()
}
private fun intTexture() {
if (null != textureId)
surfaceTexture = SurfaceTexture(textureId!!)
}EGL的初始化，由于egl需要在同一个线程中初始化，否则会报错，所以这里只给出了一个外部调用的方法，在适当时刻才初始化EGL。
fun initEGL(width: Int, height: Int) {
egl = Egl()
egl!!.initEGL()
egl!!.makeCurrent()
texture = CameraTexture(width, height, textureId!!)
debug_e("camera textureId: ${textureId}")
}接下来是一个很重要的类CameraTexture，这是一套OpenGL纹理绘制的封装，在之后的很多地方都会用到，包括滤镜渲染，屏幕绘制。
首先生成一组纹理的定点数据verticesBuffer，然后便宜链接OpenGL的定点和片元程序createProgram，并且保存程序中的一些变量位置，以便在drawTexture中给他们指定参数。
在drawTexture(transformMatrix: FloatArray?) 中我们可以看到OpenGL一系列的状态切换。重要！重要！重要！
由于这里使用了FBO，作用是把Camera中的数据绘制到FBO（帧缓存对象），所以需要先绑定一个输出FBO
GLES20.glBindFramebuffer(GLES20.GL_FRAMEBUFFER, frameBuffer!!)指定接下来OpenGL需要使用的程序
GLES20.glUseProgram(shaderProgram!!)激活0号纹理
GLES20.glActiveTexture(GLES20.GL_TEXTURE0)绑定一个输入纹理到扩展纹理，这里必须指定
GL_TEXTURE_EXTERNAL_OES、GLES20.glBindTexture(GLES11Ext.GL_TEXTURE_EXTERNAL_OES, textureId)，这里需要注意的是，这个textureId跟1.中的FBO是成对的，一个进，一个出。给纹理坐标赋值
GLES20.glUniform1i(uTextureLocation, 0)给顶点赋值
enableVertex(aPositionLocation, aTextureCoordinateLocation, buffer!!, verticesBuffer!!)给定一个变换矩阵
GLES20.glUniformMatrix4fv(uTextureMatrix, 1, false, transformMatrix, 0)，这个矩阵由SurfaceTexture给出，不指定的话会造成画面错乱。一些列初始化之后就可以进行纹理绘制了
drawer.draw()最后进行一些状态初始化操作，防止影响下一个OpenGL流程。至此，一个纹理绘制流程结束，今后的纹理绘制都是大同小异的。
class CameraTexture(width: Int, height: Int, textureId: Int) : BaseFrameBufferTexture(width, height, textureId) { init { verticesBuffer = createShapeVerticesBuffer(CAMERA_TEXTURE_VERTICES) createProgram() initFrameBuffer() } private fun createProgram() { shaderProgram = createProgram(VERTEX_SHADER, FRAGMENT_SHADER) aPositionLocation = getAttribLocation("aPosition") uTextureLocation = getUniformLocation("uTexture") aTextureCoordinateLocation = getAttribLocation("aTextureCoord") uTextureMatrix = getUniformLocation("uTextureMatrix") } override fun drawTexture(transformMatrix: FloatArray?) { if (null == transformMatrix) throw RuntimeException("TransformMatrix can not be null") GLES20.glBindFramebuffer(GLES20.GL_FRAMEBUFFER, frameBuffer!!) GLES20.glUseProgram(shaderProgram!!) GLES20.glActiveTexture(GLES20.GL_TEXTURE0) GLES20.glBindTexture(GLES11Ext.GL_TEXTURE_EXTERNAL_OES, textureId) GLES20.glUniform1i(uTextureLocation, 0) enableVertex(aPositionLocation, aTextureCoordinateLocation, buffer!!, verticesBuffer!!) GLES20.glUniformMatrix4fv(uTextureMatrix, 1, false, transformMatrix, 0) drawer.draw() GLES20.glFinish() GLES20.glDisableVertexAttribArray(aPositionLocation) GLES20.glDisableVertexAttribArray(aTextureCoordinateLocation) GLES20.glBindTexture(GLES11Ext.GL_TEXTURE_EXTERNAL_OES, GLES20.GL_NONE) GLES20.glUseProgram(GLES20.GL_NONE) GLES20.glBindFramebuffer(GLES20.GL_FRAMEBUFFER, GLES20.GL_NONE) } }BaseFrameBufferTexture是CameraTexture的父类，也是BaseTexture的扩展子类，增加了对FBO的支持。所以在这里自然是对FBO进行初始化，大致的流程是：
申请两个数组，用来分别保存frameBuffer和frameBufferTexture，需要注意的是他们是一堆孪生兄弟，别看他们的值可能是一样的就以为是一个东西，他们也有值不一样的时候。实际上，frameBuffer就是容器，里面又
颜色附着点、深度附着点和模板附着点，分别对应纹理对象（颜色缓冲区）、深度缓冲区和模板缓冲区。这里我们只使用颜色缓冲区，也就是常用的纹理对象。此时FBO还只是一个空壳，至少需要附着一个点才能使用，我们通过GLES20.glFramebufferTexture2D把纹理对象（frameBufferTexture）附着到FBO的颜色附着点，这时，所有的渲染操作都会写入到该纹理对象上。分别绑定frameBuffer和frameBufferTexture，告诉OpenGL我现在要操作他们了。
指定frameBuffer的大小和颜色格式
GLES20.glTexImage2D(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0, GLES20.GL_RGBA, width, height, 0, GLES20.GL_RGBA, GLES20.GL_UNSIGNED_BYTE, null)，这里的width和height其实就是我们要输出的视频的大小，之后我们会使用OpenGL的glViewport指定画面区域，达到裁剪的目的。设定过滤器，告诉OpenGL当画面过大或过小时应该怎么处理（使用纹理映射对画面裁剪更方便）
GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D, GLES20.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GLES20.GL_LINEAR.toFloat()) GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D, GLES20.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GLES20.GL_LINEAR.toFloat())告诉OpenGL当画面超出边界时在横竖方向该怎么处理
GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D, GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_S, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE.toFloat()) GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D, GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_T, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE.toFloat())最后保存frameBuffer和frameBufferTexture以供使用。
abstract class BaseFrameBufferTexture(var width: Int, var height: Int, textureId: Int, var frameBuffer: Int? = null, var frameBufferTexture: Int? = null) : BaseTexture(textureId) { fun initFrameBuffer() { val frameBuffer = IntArray(1) val frameBufferTex = IntArray(1) GLES20.glGenFramebuffers(1, frameBuffer, 0) GLES20.glGenTextures(1, frameBufferTex, 0) GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, frameBufferTex[0]) GLES20.glTexImage2D(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0, GLES20.GL_RGBA, width, height, 0, GLES20.GL_RGBA, GLES20.GL_UNSIGNED_BYTE, null) GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D, GLES20.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GLES20.GL_LINEAR.toFloat()) GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D, GLES20.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GLES20.GL_LINEAR.toFloat()) GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D, GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_S, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE.toFloat()) GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D, GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_T, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE.toFloat()) GLES20.glBindFramebuffer(GLES20.GL_FRAMEBUFFER, frameBuffer[0]) GLES20.glFramebufferTexture2D(GLES20.GL_FRAMEBUFFER, GLES20.GL_COLOR_ATTACHMENT0, GLES20.GL_TEXTURE_2D, frameBufferTex[0], 0) GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0) GLES20.glBindFramebuffer(GLES20.GL_FRAMEBUFFER, 0) val error = GLES20.glGetError() if (error != GLES20.GL_NO_ERROR) { val msg = "initFrameBuffer: glError 0x" + Integer.toHexString(error) debug_e(msg) return } this.frameBuffer = frameBuffer[0] this.frameBufferTexture = frameBufferTex[0] debug_e("enable frame buffer: ${this.frameBuffer}, ${this.frameBufferTexture}") } }在BaseTexture中主要处理顶点和片元程序的编译链接，还有顶点坐标的生成。这里时固定化的流程，所有的OpenGL程序都是按照这个流程生成。
abstract class BaseTexture(var textureId: Int, var buffer: FloatBuffer? = null, var verticesBuffer: FloatBuffer? = null, var shaderProgram: Int? = null, var drawer: GLDrawer = GLDrawer()) : Texture { companion object { var COORDS_PER_VERTEX = 2 var TEXTURE_COORDS_PER_VERTEX = 2 private val DRAW_INDICES = shortArrayOf(0, 1, 2, 0, 2, 3) //每行前两个值为顶点坐标，后两个为纹理坐标 val VERTICES_SQUARE = floatArrayOf( -1.0f, 1.0f, -1.0f, -1.0f, 1.0f, -1.0f, 1.0f, 1.0f) } init { buffer = createShapeVerticesBuffer(VERTICES_SQUARE) } fun createShapeVerticesBuffer(array: FloatArray): FloatBuffer { val result = ByteBuffer.allocateDirect(4 * array.size).order(ByteOrder.nativeOrder()).asFloatBuffer() result.put(array).position(0) return result } fun createProgram(vertex: String, fragment: String): Int { val vertexShader = loadShader(GLES20.GL_VERTEX_SHADER, vertex) val fragmentShader = loadShader(GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER, fragment) return linkProgram(vertexShader!!, fragmentShader!!) } /** * 加载着色器，GL_VERTEX_SHADER代表生成顶点着色器，GL_FRAGMENT_SHADER代表生成片段着色器 */ fun loadShader(type: Int, shaderSource: String): Int { //创建Shader val shader = GLES20.glCreateShader(type) if (shader == 0) { throw RuntimeException("Create Shader Failed!" + GLES20.glGetError()) } //加载Shader代码 GLES20.glShaderSource(shader, shaderSource) //编译Shader GLES20.glCompileShader(shader) return shader } /** * 将两个Shader链接至program中 */ fun linkProgram(verShader: Int, fragShader: Int): Int { //创建program val program = GLES20.glCreateProgram() if (program == 0) { throw RuntimeException("Create Program Failed!" + GLES20.glGetError()) } //附着顶点和片段着色器 GLES20.glAttachShader(program, verShader) GLES20.glAttachShader(program, fragShader) //链接program GLES20.glLinkProgram(program) //告诉OpenGL ES使用此program GLES20.glUseProgram(program) return program } fun enableVertex(posLoc: Int, texLoc: Int, shapeBuffer: FloatBuffer, texBuffer: FloatBuffer) { GLES20.glEnableVertexAttribArray(posLoc) GLES20.glEnableVertexAttribArray(texLoc) GLES20.glVertexAttribPointer(posLoc, COORDS_PER_VERTEX, GLES20.GL_FLOAT, false, COORDS_PER_VERTEX * 4, shapeBuffer) GLES20.glVertexAttribPointer(texLoc, TEXTURE_COORDS_PER_VERTEX, GLES20.GL_FLOAT, false, TEXTURE_COORDS_PER_VERTEX * 4, texBuffer) } fun getAttribLocation(name: String): Int { return GLES20.glGetAttribLocation(shaderProgram!!, name) } fun getUniformLocation(name: String): Int { return GLES20.glGetUniformLocation(shaderProgram!!, name) } fun release() { if (null != shaderProgram) GLES20.glDeleteProgram(shaderProgram!!) } class GLDrawer(var drawIndecesBuffer: ShortBuffer? = null) { init { drawIndecesBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(2 * DRAW_INDICES.size).order(ByteOrder.nativeOrder()).asShortBuffer() drawIndecesBuffer?.put(DRAW_INDICES) drawIndecesBuffer?.position(0) } fun draw() { GLES20.glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f) GLES20.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT) GLES20.glDrawElements(GLES20.GL_TRIANGLES, drawIndecesBuffer!!.limit(), GLES20.GL_UNSIGNED_SHORT, drawIndecesBuffer) } }流程比较多，可能讲的不是很到位，请配合源码阅读，如有错误，欢迎纠正。当然，这里可以选择更为简单的GLSurfaceView，但是在某些情况下，TextureView有不可替代的作用，详情可以去搜索一下TextureView和GLSurfaceView的区别。
至此，所有的TextureView渲染环境已经初始化完成了，之后在Render线程中初始化这个camerWrapper的EGL环境，就可以在SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener回调中执行drawTexture方法把摄像头数据绘制到FBO中了，下一章会讲到。
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