Core Image：iOS图像处理技术追踪

图四：断点调试时Core Image对每帧的处理流程
基于Metal构建Core Image Kernel
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利用CI Kernel有诸多上风，包括上文提及的收缩runtime编译时间、高性能语言特性（如gather-reads、group-writes、半精度浮点数）、高效开发体验（如缩进查抄、缩进高光）。基于Metal构建CI Kernel有5步流程，会在下文进行逐一介绍。
▐  在项目中增加自定义构建规则

苹果官方保举在项目target中增加两项自定义构建规则。第一个构建规则针对以“.ci.metal”为后缀名的文件。该构建规则会创建一个以“.ci.air”为后缀名的二进制输出文件。

图五：针对“*.ci.metal”文件的构建规则
第二个构建规则针对以“.ci.air”为后缀名的文件（上一个构建规则的输出结果）。该构建规则会在app的资源文件夹内创建以“.ci.metallib”为后缀名的输出文件。

图六：针对“*.ci.air”文件的构建规则
▐  在项目中增加.ci.metal资源

在Xcode提供的创建面板中选择Metal File即可。开发者对Metal File进行定名时需要以“.ci”作为后缀名，这样项目中新天生的文件会以“.ci.metal”作为后缀名。
▐  编写Metal Kernel

便携Metal Kernel需要include CoreImage.h头文件，用来利用Metal和Core Image提供的各种类。官方提供的范例编写了一个CIColorKernel，输入参数为coreimage::samle_t对象（表示输入图片的一个像素）、time和coreimage::destination对象，返回float4像素。

图七：苹果官方提供的代码范例：Metal Kernel编写
苹果官方为开发者提供了描述CI Kernel中Metal Shader语言的文档，详情见「 Metal Shading Language for Core Image Kernels」① 。
▐  加载Kernel并应用于新图像（基于Swift）

Kernel会被CI滤镜的子类利用。苹果官方保举开发者在实例化滤镜的CIKernel对象时利用静态属性（static property），这种环境下加载metallib资源的工作仅会实行一次（在首次需要时）。CI滤镜的子类也必须重载输出图片的属性，Kernel将在getter中进行图像处理并创建新图像。

图八：苹果官方提供的代码范例：Kernel加载与利用
Core Image的Debug支持
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苹果官方在WWDC20详细介绍了Debug特性：CI_PRINT_TREE。
▐  什么是CI_PRINT_TREE

CI_PRINT_TREE的底子框架与Xcode提供的Core Image Quick Look支持雷同。Core Image Quick Look为开发者提供了快捷可视化的Core Image图片（详见上文图三），而CI_PRINT_TREE支持几种不同的模式和选项用来查看Core Image怎样优化和渲染图像。
▐  怎样启用CI_PRINT_TREE

苹果官方提供了CI_PRINT_TREE的两种启动方式。最常用的方法是编辑Xcode target scheme，在Arugments窗体下的环境变量列表中参加CI_PRINT_TREE并设置值。另一种方法是在Terminal.app中通过下令行启动CI_PRINT_TREE（需要在实行应用步伐前设定）。

图九：启用CI_PRINT_TREE的两种方式
▐  怎样控制CI_PRINT_TREE

CI_PRINT_TREE的字符串格式为“ ”

• **graph type：**表示Core Image render的多少stage，包括type-1初始图像（有助于查看被利用的色彩空间）、type-2优化后的图像（有助于查看core image对render的优化结果）、type-4级联图像（有助于查看各stage怎样级联于GPU步伐，以便了解render需要多少中间缓存）以及type-7（输出图像type1、2和4）。
  

图十：苹果官方对graph type四个stage的描述

• **output type：**输出格式可以是pdf或png。在macOS上trees会被存储在临时项目文件夹，在iOS上trees会被存储在文档（Documents）目次下。假如output type没有确定，core image会把tree以紧凑文本格式输出在标准输出（stdout）。通过设置CI_LOG_FILE=“oslog”，文本也可以前往Console.app（在iOS开发中更为方便）。
  
• **options：**对于CI_PRINT_TREE，开发者可以设定额外的选项。如通过设定context==name来限定输出（仅输出名字雷同的context），或是通过设定frame-n来框定详细输出context的哪一帧。更多option及详情请见图十一。设定option对debug能提供很大帮助，但也需谨慎利用，由于生产这些文件需要额外的时间和内存。
  

图十一：苹果官方提供的option

图十二：type设定为7时tmp文件夹下的文件




▐  怎样获得CI_PRINT_TREE文件

在macOS中，开发者只需要进入“/tmp”文件夹就能找到天生的CI_PRINT_TREE文件。需要注意的是沙盒应用会利用特有的临时存储文件夹。
在iOS中，开发者需要将Custom iOS Target Properties中的“Application supports iTunes file sharing”项设为YES（图十三）。这样天生的CI_PRINT_TREE文件可以在连接中的iOS设备上被找到并拖拽至macOS存储中。

图十三：Custom iOS Target Properties中进行设置


▐  怎样解释CI_PRINT_TREE文件

读CI_PRINT_TREE时，需要遵循以下规则：

• 输入在底层，输出在顶层
  
• 绿色节点代表卷曲内核（warp kernel），赤色节点代表颜色内核（color kernel）
  

图十四：绿色节点与赤色节点示例

• 在树的初始位置（initial tree）很容易找到颜色搭配节点（colormatch nodes），内里记载了搭配前后的色彩空间名称。苹果官方提供的案例为ITUR_2100_HLG_to_workingspace，即HLG色彩空间转化为Core Image线性色彩空间。
  

图十五：苹果官方案例中initial tree对色彩空间的描述

• 每个节点会显示Region of Interest（ROI），表示该节点在render中被利用的范围。
  

假如开发者在CI_PRINT_TREE控制字符串中选择type-4并在option中设定dump-intermediates，产生的级联图片会展示中间缓存的每一次pass（除了output pass）及其耗时、像素点数目和像素点格式（用来查找耗时大、占内存大的pass）。这对render内追踪错误非常有帮助。假如树中没有展示中间图，那么说明这张图在先前渲染的时候已被缓存，因此Core Image没有渲染它的必要。

图十六：设定dump-intermediates的debug结果展示
Core Image在手淘图片库中的应用大概
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手淘图片库中的CDN图片适配处理库（TBCDNImage）的焦点目标是为不同终端设备、网络环境下的图片展示提供最优解。目前思量的维度重要是终端设备硬件和网络状态，思量的参数则是图片尺寸、压缩比率、锐化等图片属性。随着苹果在Core Image、端智能（CoreML）、硬件支持（自研芯片）等方面进行技术提升，手淘的CDN图片适配处理库可以思量增加“图片内容”作为新的维度，增加亮度、对比度、滤镜、图片种类等新参数。以下为部分应用场景：

• 辨认亮度较暗的图片，提升亮度做CDN图片适配处理
  
• 判定图片内容种类（如美食），根据不同内容种类的图片增加适合的滤镜做CDN图片适配处理
  
• 根据移动终端设备屏幕亮度（或深/淡色模式）修改图片色调做CDN图片适配处理，达到护眼结果
  

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对Core Image技术的展望
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总结全文，WWDC20对Core Image技术的提升重要在三方面：

• 优化CI对视频/动图的支持，包括开发流程简化、逐帧处理性能提升等。
  
• 允许开发者更自由的构建Core Image Kernel，使CI的殊效处理更加丰富
  

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