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iOS中圖片的解壓縮到渲染過程詳解

前言

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在移動app開發(fā)過程中,圖片往往是不可或缺的資源。從磁盤上加載一張圖片,到顯示到屏幕上,中間經(jīng)過了一些復(fù)雜的過程,其中非常重要的一步就是對圖片的解壓縮。下面來一起看看詳細的介紹吧

一.圖像從文件到屏幕過程

iOS中圖片的解壓縮到渲染過程詳解

通常計算機在顯示是CPU與GPU協(xié)同合作完成一次渲染.接下來我們了解一下CPU/GPU等在這樣一次渲染過程中,具體的分工是什么?

  • CPU: 計算視圖frame,圖片解碼,需要繪制紋理圖片通過數(shù)據(jù)總線交給GPU
  • GPU: 紋理混合,頂點變換與計算,像素點的填充計算,渲染到幀緩沖區(qū)。
  • 時鐘信號:垂直同步信號V-Sync / 水平同步信號H-Sync。
  • iOS設(shè)備雙緩沖機制:顯示系統(tǒng)通常會引入兩個幀緩沖區(qū),雙緩沖機制

圖片顯示到屏幕上是CPU與GPU的協(xié)作完成

對應(yīng)應(yīng)用來說,圖片是最占用手機內(nèi)存的資源,將一張圖片從磁盤中加載出來,并最終顯示到屏幕上,中間其實經(jīng)過了一系列復(fù)雜的處理過程。

二.圖片加載的工作流程

1、假設(shè)我們使用 +imageWithContentsOfFile: 方法從磁盤中加載一張圖片,這個時候的圖片并沒有解壓縮;

2、然后將生成的 UIImage 賦值給 UIImageView ;

3、接著一個隱式的 CATransaction 捕獲到了 UIImageView 圖層樹的變化;

4、在主線程的下一個 runloop 到來時,Core Animation 提交了這個隱式的 transaction ,這個過程可能會對圖片進行 copy 操作,而受圖片是否字節(jié)對齊等因素的影響,這個 copy 操作可能會涉及以下部分或全部步驟:

  • 分配內(nèi)存緩沖區(qū)用于管理文件 IO 和解壓縮操作;
  • 將文件數(shù)據(jù)從磁盤讀到內(nèi)存中;
  • 將壓縮的圖片數(shù)據(jù)解碼成未壓縮的位圖形式,這是一個非常耗時的 CPU 操作;
  • 最后 Core Animation 中CALayer使用未壓縮的位圖數(shù)據(jù)渲染 UIImageView 的圖層。
  • CPU計算好圖片的Frame,對圖片解壓之后.就會交給GPU來做圖片渲染

5、渲染流程

  • GPU獲取獲取圖片的坐標(biāo)
  • 將坐標(biāo)交給頂點著色器(頂點計算)
  • 將圖片光柵化(獲取圖片對應(yīng)屏幕上的像素點)
  • 片元著色器計算(計算每個像素點的最終顯示的顏色值)
  • 從幀緩存區(qū)中渲染到屏幕上

我們提到了圖片的解壓縮是一個非常耗時的 CPU 操作,并且它默認是在主線程中執(zhí)行的。那么當(dāng)需要加載的圖片比較多時,就會對我們應(yīng)用的響應(yīng)性造成嚴重的影響,尤其是在快速滑動的列表上,這個問題會表現(xiàn)得更加突出。

三.為什么要解壓縮圖片

既然圖片的解壓縮需要消耗大量的 CPU 時間,那么我們?yōu)槭裁催€要對圖片進行解壓縮呢?是否可以不經(jīng)過解壓縮,而直接將圖片顯示到屏幕上呢?答案是否定的。要想弄明白這個問題,我們首先需要知道什么是位圖

其實,位圖就是一個像素數(shù)組,數(shù)組中的每個像素就代表著圖片中的一個點。我們在應(yīng)用中經(jīng)常用到的 JPEG 和 PNG 圖片就是位圖

大家可以嘗試

UIImage *image = [UIImage imageNamed:@"text.png"];
CFDataRef rawData = CGDataProviderCopyData(CGImageGetDataProvider(image.CGImage));

打印rawData,這里就是圖片的原始數(shù)據(jù).

事實上,不管是 JPEG 還是 PNG 圖片,都是一種壓縮的位圖圖形格式。只不過 PNG 圖片是無損壓縮,并且支持 alpha 通道,而 JPEG 圖片則是有損壓縮,可以指定 0-100% 的壓縮比。值得一提的是,在蘋果的 SDK 中專門提供了兩個函數(shù)用來生成 PNG 和 JPEG 圖片:

// return image as PNG. May return nil if image has no CGImageRef or invalid bitmap format
UIKIT_EXTERN NSData * __nullable UIImagePNGRepresentation(UIImage * __nonnull image);

// return image as JPEG. May return nil if image has no CGImageRef or invalid bitmap format. compression is 0(most)..1(least)       
UIKIT_EXTERN NSData * __nullable UIImageJPEGRepresentation(UIImage * __nonnull image, CGFloat compressionQuality);

因此,在將磁盤中的圖片渲染到屏幕之前,必須先要得到圖片的原始像素數(shù)據(jù),才能執(zhí)行后續(xù)的繪制操作,這就是為什么需要對圖片解壓縮的原因。

四.解壓縮原理

既然圖片的解壓縮不可避免,而我們也不想讓它在主線程執(zhí)行,影響我們應(yīng)用的響應(yīng)性,那么是否有比較好的解決方案呢?

我們前面已經(jīng)提到了,當(dāng)未解壓縮的圖片將要渲染到屏幕時,系統(tǒng)會在主線程對圖片進行解壓縮,而如果圖片已經(jīng)解壓縮了,系統(tǒng)就不會再對圖片進行解壓縮。因此,也就有了業(yè)內(nèi)的解決方案,在子線程提前對圖片進行強制解壓縮。

而強制解壓縮的原理就是對圖片進行重新繪制,得到一張新的解壓縮后的位圖。其中,用到的最核心的函數(shù)是 CGBitmapContextCreate :  

CG_EXTERN CGContextRef __nullable CGBitmapContextCreate(void * __nullable data,
 size_t width, size_t height, size_t bitsPerComponent, size_t bytesPerRow,
 CGColorSpaceRef cg_nullable space, uint32_t bitmapInfo)
 CG_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_0, __IPHONE_2_0);
  • data :如果不為 NULL ,那么它應(yīng)該指向一塊大小至少為 bytesPerRow * height 字節(jié)的內(nèi)存;如果 為 NULL ,那么系統(tǒng)就會為我們自動分配和釋放所需的內(nèi)存,所以一般指定 NULL 即可;
  • width 和height :位圖的寬度和高度,分別賦值為圖片的像素寬度和像素高度即可;
  • bitsPerComponent :像素的每個顏色分量使用的 bit 數(shù),在 RGB 顏色空間下指定 8 即可;
  • bytesPerRow :位圖的每一行使用的字節(jié)數(shù),大小至少為 width * bytes per pixel 字節(jié)。當(dāng)我們指定 0/NULL 時,系統(tǒng)不僅會為我們自動計算,而且還會進行 cache line alignment 的優(yōu)化
  • space :就是我們前面提到的顏色空間,一般使用 RGB 即可;
  • bitmapInfo :位圖的布局信息.kCGImageAlphaPremultipliedFirst

五.YYImage\SDWebImage開源框架實現(xiàn)

用于解壓縮圖片的函數(shù) YYCGImageCreateDecodedCopy 存在于 YYImageCoder 類中,核心代碼如下

CGImageRef YYCGImageCreateDecodedCopy(CGImageRef imageRef, BOOL decodeForDisplay) {
 ...

 if (decodeForDisplay) { // decode with redraw (may lose some precision)
  CGImageAlphaInfo alphaInfo = CGImageGetAlphaInfo(imageRef) & kCGBitmapAlphaInfoMask;

  BOOL hasAlpha = NO;
  if (alphaInfo == kCGImageAlphaPremultipliedLast ||
   alphaInfo == kCGImageAlphaPremultipliedFirst ||
   alphaInfo == kCGImageAlphaLast ||
   alphaInfo == kCGImageAlphaFirst) {
   hasAlpha = YES;
  }

  // BGRA8888 (premultiplied) or BGRX8888
  // same as UIGraphicsBeginImageContext() and -[UIView drawRect:]
  CGBitmapInfo bitmapInfo = kCGBitmapByteOrder32Host;
  bitmapInfo |= hasAlpha ? kCGImageAlphaPremultipliedFirst : kCGImageAlphaNoneSkipFirst;

  CGContextRef context = CGBitmapContextCreate(NULL, width, height, 8, 0, YYCGColorSpaceGetDeviceRGB(), bitmapInfo);
  if (!context) return NULL;

  CGContextDrawImage(context, CGRectMake(0, 0, width, height), imageRef); // decode
  CGImageRef newImage = CGBitmapContextCreateImage(context);
  CFRelease(context);

  return newImage;
 } else {
  ...
 }
}

它接受一個原始的位圖參數(shù) imageRef ,最終返回一個新的解壓縮后的位圖 newImage ,中間主要經(jīng)過了以下三個步驟:

  • 使用 CGBitmapContextCreate 函數(shù)創(chuàng)建一個位圖上下文;
  • 使用 CGContextDrawImage 函數(shù)將原始位圖繪制到上下文中;
  • 使用 CGBitmapContextCreateImage 函數(shù)創(chuàng)建一張新的解壓縮后的位圖。

事實上,SDWebImage 中對圖片的解壓縮過程與上述完全一致,只是傳遞給 CGBitmapContextCreate 函數(shù)的部分參數(shù)存在細微的差別

性能對比:

  • 在解壓PNG圖片,SDWebImage>YYImage
  • 在解壓JPEG圖片,SDWebImage<YYImage

總結(jié)

1、圖片文件只有在確認要顯示時,CPU才會對齊進行解壓縮.因為解壓是非常消耗性能的事情.解壓過的圖片就不會重復(fù)解壓,會緩存起來.

2、圖片渲染到屏幕的過程: 讀取文件->計算Frame->圖片解碼->解碼后紋理圖片位圖數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線交給GPU->GPU獲取圖片F(xiàn)rame->頂點變換計算->光柵化->根據(jù)紋理坐標(biāo)獲取每個像素點的顏色值(如果出現(xiàn)透明值需要將每個像素點的顏色*透明度值)->渲染到幀緩存區(qū)->渲染到屏幕

3、面試中如果能按照這個邏輯闡述,應(yīng)該沒有大的問題.不過,如果細問到離屏渲染和渲染中的細節(jié)處理.就需要掌握OpenGL ES/Metal 這個2個圖形處理API. 面試過程可能會遇到不在自己技術(shù)能力范圍問題,盡量知之為知之不知為不知.

  • https://github.com/SDWebImage/SDWebImage (本地下載)
  • https://github.com/ibireme/YYImage (本地下載)

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了,希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值,謝謝大家對創(chuàng)新互聯(lián)的支持。

文章名稱:iOS中圖片的解壓縮到渲染過程詳解
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