利用预渲染加速iOS设备的图像显示

Posted 2020-08-21

最近在做一个UITableView的例子，发现滚动时的性能还不错。但来回滚动时，第一次显示的图像不如再次显示的图像流畅，出现前会有稍许的停顿感。
于是我猜想显示过的图像肯定是被缓存起来了，查了下文档后发现果然如此。
后来在《Improving Image Drawing Performance on iOS》一文中找到了一些提示：原来在显示图像时，解压和重采样会消耗很多CPU时间；而如果预先在一个bitmap context里画出图像，再缓存这个图像，就能省去这些繁重的工作了。

接着我就写了个例子程序来验证：

//  ImageView.h

#import <UIKit/UIKit.h>


@interface ImageView : UIView {
    UIImage *image;
}

@property (retain, nonatomic) UIImage *image;

@end

//  ImageView.m

#include <mach/mach_time.h>
#import "ImageView.h"


@implementation ImageView

#define LABEL_TAG 1

static const CGRect imageRect = {{0, 0}, {100, 100}};
static const CGPoint imagePoint = {0, 0};

@synthesize image;

- (void)awakeFromNib {
    if (!self.image) {
        self.image = [UIImage imageNamed:@"random.jpg"];
    }
}

- (void)drawRect:(CGRect)rect {
    if (CGRectEqualToRect(rect, imageRect)) {
        uint64_t start = mach_absolute_time();
        [image drawAtPoint:imagePoint];
        uint64_t drawTime = mach_absolute_time() - start;
        
        NSString *text = [[NSString alloc] initWithFormat:@"%lld", drawTime];
        UILabel *label = (UILabel *)[self viewWithTag:LABEL_TAG];
        label.text = text;
        [text release];
    }
}

- (void)dealloc {
    [super dealloc];
    [image release];
}

@end

控制器的代码我就不列出了，就是点按钮时，更新view（调用[self.view setNeedsDisplayInRect:imageRect]），画出一张图，并在label中显示消耗的时间。
值得一提的是，在模拟器上可以直接用clock()函数获得微秒级的精度，但ios设备上精度为10毫秒。于是我找到了mach_absolute_time()，它在Mac和iOS设备上都有纳秒级的精度。

测试用的是一张200x200像素的JPEG图像，命名时加了@2x，在iPhone 4上第一次显示时花了约300微秒，再次显示约65微秒。

接下来就是见证奇迹的时刻了，把这段代码加入程序：

static const CGSize imageSize = {100, 100};

- (void)awakeFromNib {
    if (!self.image) {
        self.image = [UIImage imageNamed:@"random.jpg"];
        if (NULL != UIGraphicsBeginImageContextWithOptions)
            UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(imageSize, YES, 0);
        else
            UIGraphicsBeginImageContext(imageSize);
        [image drawInRect:imageRect];
        self.image = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();
        UIGraphicsEndImageContext();
    }
}

这里需要判断一下UIGraphicsBeginImageContextWithOptions是否为NULL，因为它是iOS 4.0才加入的。
由于JPEG图像是不透明的，所以第二个参数就设为YES。
第三个参数是缩放比例，iPhone 4是2.0，其他是1.0。虽然这里可以用[UIScreen mainScreen].scale来获取，但实际上设为0后，系统就会自动设置正确的比例了。
值得一提的是，图像本身也有缩放比例，普通的图像是1.0（除了UIImage imageNamed:外，大部分API都只能获得这种图像，而且缩放比例是不可更改的），高清图像是2.0。图像的点和屏幕的像素就是依靠2者的缩放比例来计算的，例如普通图像在视网膜显示屏上是1:4，而高清图像在视网膜显示屏上则是1:1。

接下来的drawInRect:把图像画到了当前的image context里，这时就完成了解压缩和重采样的工作了。然后再从image context里获取新的image，这个image的缩放比例也能正确地和设备匹配。

再点下按钮，发现时间已经缩短到12微秒左右了，之后的画图稳定在15微秒左右。

还能更快吗？让我们来试试Core Graphics。
先定义一个全局的CGImageRef变量：

static CGImageRef imageRef;

再在awakeFromNib中设置一下它的值：

imageRef = self.image.CGImage;

最后在drawRect:中绘制：

CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
CGContextDrawImage(context, imageRect, imageRef);

搞定运行一下，发现时间增加到33微秒左右了，而且图像还上下颠倒了?

这个原因是UIKit和Core Graphics的坐标系y轴是相反的，于是加上2行代码来修正：

CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
CGContextTranslateCTM(context, 0, 100);
CGContextScaleCTM(context, 1, -1);
CGContextDrawImage(context, imageRect, imageRef);

这下图像终于正常显示了，时间缩短到了14微秒左右，成效不大，看来直接用-drawAtPoint:和-drawInRect:也足够好了。

当然，这个例子正确的做法是用viewDidLoad或loadView，不过我懒得列出控制器代码，所以就放awakeFromNib里了。


2011年9月22日更新勘误：
刚看到Mach Absolute Time Units这篇Q&A，发现mach_absolute_time()的单位是Mach absolute time unit，而不是纳秒。它们之间的换算关系和CPU相关，不是一个常量。
最简单的办法是用CoreServices框架的AbsoluteToNanoseconds和AbsoluteToDuration函数来转换。此外也可以用mach_timebase_info函数来获取这个比值。
我在iPhone 4上测得的numer和denom分别为125和3，比值约为42，因此本文所述的时间都需要乘以42。