【技术分享】macOS桌面端录屏采集实现教程
作为实时屏幕共享的第一步，录屏采集在不同终端和系统上的实现方式有所不同。本次将分享macOS桌面端录屏采集实现的方法。
本系列为即构科技与「极客时间-每日一课」栏目共同打造的深度技术分享内容，视频发布于「极客时间app-每日一课」栏目。
点击观看视频 如何实现macOS桌面端的录屏采集？
实时屏幕共享功能，在视频会议、游戏直播、在线教育等场景中已广泛被应用。近日，主打屏幕分享的社交应用「Squad」被Twitter收购，让我们看到了实时屏幕共享融于更多行业，开启丰富玩法的趋势。
作为实时屏幕共享的第一步，录屏采集在不同终端和系统上的实现方式有所不同。之前我们已经分享了Android端、iOS端实现录屏采集的方式，可以戳下面查看：
下面将分享本系列的第三篇，如何实现macOS桌面端屏幕共享的录屏采集。
在macOS系统下，说到媒体数据相关，就不得不提到 macOS 上AVFoundation多媒体框架。它是基于Apple Darwin操作系统上的视听媒体框架。从macOSX lion，也就是10.7版本开始，它就是macOS平台的默认媒体框架。
AVFoundation的核心类AVCaptureSession可用于捕捉视频和音频，协调视频和音频的输入和输出流。它为我们提供了管理输入设备、采集、输出、预览等一系列接口，这张图就是围绕AVCaptureSession的实现流程图，后面会有对该流程的详细介绍。
除了AVCaptureSession，macOS系统还有一套基于Quartz高级绘图引擎Core Graphics框架，它是位于Apple Darwin操作系统之上的绘图层框架，其中共有两种组件：
一种是Quartz compositor合成视窗系统，管理和合成幕后视窗影像来创建Mac OS X用户界面，另一种是Quartz 2D，这是以PDF的规范为基础的图形库，用来绘制二维文字和图形。
在macOS中，Core Graphics还包括用于处理显示硬件，低级用户输入事件和窗口系统的服务。
所以在macOS 下实现录屏采集，基本上可以从 AVCaptureSession 或者 Core Graphics两方面考虑。
基于AVCaptureSession 技术实现录屏采集
1.基本采样流程
在 Apple 平台上有过音视频开发经验的开发者，应该都知道 AVCaptureSession这个类， 除了会涉及到AVCaptureSession之外，我们还会涉及到例如 AVCaptureInput、AVCaptureOutput、AVCaptureVideoPreviewLayer等一系列的类。
AVCaptureSession这个在其中就是充当会话者的角色， 我们可以理解为平时生活中的插线板，有输入，有输出。其中AVCaptureDeviceInput为输入， AVCapturePhotoOutput、AVCaptureMovieFileOutput等是输出，它们之间的关系我们可以看一下这幅图：
具体录屏实现：
第一步，使用Capture Session管理数据流；
AVCaptureSession *screenCaptureSession = [[AVCaptureSession alloc] init];
第二步，配置分辨率；
if ([self.screenCaptureSession canSetSessionPreset:AVCaptureSessionPresetHigh])
[self.screenCaptureSession setSessionPreset:AVCaptureSessionPresetHigh];
第三步，配置Capture Inputs添加到Session中；
一个AVCaptureInput代表一种或多种媒体数据，比如输入设备可以同时提供视频和音频数据。每种媒体流代表一个AVCaptureInputPort对象。使用AVCaptureConnection可以将AVCaptureInputPort与AVCaptureOutput连接起来。这里我们采集桌面使用AVCaptureScreenInput就可以了
AVCaptureScreenInput *captureScreenInput = [[AVCaptureScreenInput alloc] initWithDisplayID:CGMainDisplayID()];
if ([self.screenCaptureSession canAddInput:captureScreenInput])
[self.screenCaptureSession addInput:captureScreenInput];
第四步，使用Capture Outputs从Session中获取输出流；
AVCaptureVideoDataOutput *captureVideoOutput = [[AVCaptureVideoDataOutput alloc] init];
[captureVideoOutput setSampleBufferDelegate:self queue:dispatch_get_main_queue()];
第五步，使用CaptureConnections获取处理完成的流数据；
在数据采集中输入源有自己的硬件参数可以设置流控，输出源作为一个被动接受对象，它并没有太多流控设置，苹果巧妙地引入AVCaptureConnections解决这个问题。
打个比方，我们要控制蓄水池里面的水位。正确做法不是等水满了后把水放掉，而是换一个小点的入水管。AVCaptureConnections就是Session和Output中间的控制节点。每个Output与Session建立连接后，都会分配一个默认的AVCpatureConnection。我们屏幕采集的实时数据，也就是从AVCpatureConnection得到的。
- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)output didOutputSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection{}
通过以上5步，我们就完成桌面采集的数据了。
需要注意的是，在MacOS 10.15以后，用户采集桌面数据，需要在安全性与隐私，隐私权限里打开屏幕录制功能，否则不能采集到屏幕的画面。
2. 优劣势分析
在具体实现中，还有两点需要特别提醒：
第一，在 startRunning 时，这个方法是一个阻塞调用，可能要花一些时间，因此你应该在串行队列上执行会话设置，以使主队列不被阻塞（使UI保持响应）。
第二，在正在运行的会话上的多个配置操作时，你需要结合beginConfiguration和commitConfiguration 批处理为原子更新。否则会产生意料之外的结果。
以上就是 AVCaptureSession录屏技术，它的优势是满足了录屏的基本需求，并且经过系统高度封装，实现起来毫不费力。由系统实现的流控可以完美平衡硬件和软件的性能。尤其是在低版本的设备上，这个优点尤为明显。
但同时，它也存在一些劣势。由于采样设置的指定，只能通过硬件deviceInput，所以它只能指定屏幕采集，而不能满足我们只采集指定的窗口，这在我们实际的使用中会有诸多限制。并且它不能很好的过滤掉我们不需要的窗口，而这个在实际应用中是非常普遍的需求。
有什么办法能够采集指定窗口的图像，或者过滤桌面的指定窗口呢？接下来，我们看第二种，基于Core Graphics技术的录屏采集。
基于 Core Graphics 技术实现录屏采集
1. 基本采样流程
Core Graphics框架提供了Quartz Window Services。里面提供了很多关于macOS 窗口管理的相关信息。它包含了所有用户在屏幕上，或者不在屏幕上（即隐藏的窗口）的所有正在运行的应用窗口。还可以使用Quartz Window Services生成窗口内容的图像。
下面我们来看具体的采样实现流程：
首先我们需要获取所有的窗口列表；
CFArrayRef array =(CGWindowListCopyWindowInfo(kCGWindowListOptionAll | kCGWindowListExcludeDesktopElements | kCGWindowListOptionOnScreenOnly, kCGNullWindowID));
获取窗口后我们可以根据获取到的窗口列表获取每个窗口的图像；
CGImageRef windowImage = CGWindowListCreateImage(CGRectNull, kCGWindowListOptionIncludingWindow, windowID, kCGWindowImageBoundsIgnoreFraming);
由于我们需要实时获取桌面的图像，图像的数据采集（生产者）和分发（消费者）不一定能够匹配。我们需要在生产者和消费者中间创建一个缓冲区。这样生产者只需要定时获取当前桌面或者窗口的图像，然后储存在缓冲区。另一端消费者也根据当前设置的帧率从缓存区获取相应的图像。
由于避免缓存区过大占用过多的系统内存，这里缓存区也会设置一个阈值。以保证不会过度消耗系统内存。这样我们就能够获取到桌面或者窗口的媒体数据流了。
2.绘制鼠标
经过以上基本采样流程，得到的画面内容是不含鼠标的，而在一次研讨会或在线课的材料共享环节，主讲人往往要通过鼠标，指明当前所讲的内容，因此必须将鼠标还原到画面中。
想要将鼠标绘制到里面，我们可以通过CGContext将系统全局鼠标图像合成入窗口，或者桌面的指定位置。这样我们就能获取到包含鼠标的图像数据了。
具体的实现可以参考以下示例代码：
// 创建绘制图像的上下文
CGContextRef context = CGBitmapContextCreate(imgData,
width,
height,
8, // 8 bits per component
bytesPerRow,
CGImageGetColorSpace(pSourceImage),
// 将桌面窗口图像绘入上下文中
CGContextDrawImage(context, bgBoundingBox, pSourceImage);
// 将鼠标图像绘入上下文中
CGContextDrawImage(context, CGRectMake(mouse_x , mouse_y ,mouse_w, mouse_h), [mouse CGImageForProposedRect:NULL context:NULL hints:NULL]);
// 最后生成合入鼠标图像的桌面或者窗口图像
CGImageRef pFinalImage = CGBitmapContextCreateImage(context);
free(imgData);
CGContextRelease(context);
3. 过滤窗口
由于在使用过程中，用户可能需要隐藏自己的指定窗口，不希望分享的人看到相关的信息。但同时又需要采集桌面的其他数据。这时我们就需要过滤掉不需要的窗口。
示例代码可参考下面的：
//列举出桌面所有窗口
CFArrayRef onScreenWindows = CGWindowListCreate(kCGWindowListOptionOnScreenOnly, kCGNullWindowID);
CFMutableArrayRef finalList = CFArrayCreateMutableCopy(NULL, 0, onScreenWindows);
//过滤移除指定的窗口
for (long i = CFArrayGetCount(finalList) - 1; i >= 0; i--) {
CGWindowID window = (CGWindowID)(uintptr_t)CFArrayGetValueAtIndex(finalList, i);
if ([self.excludeWindows containsObject:@(window)]) {
CFArrayRemoveValueAtIndex(finalList, i);
}
}
//最后根据剩下的窗口列表生成组合的图像
CGImageRef windowImage = CGWindowListCreateImageFromArray(item.deskBounds, finalList, kCGWindowImageDefault);
CFRelease(finalList);
CFRelease(onScreenWindows);
4. 优劣势分析
在 macOS 平台上，Core Graphics是基于Quartz高级绘图引擎框架。它不仅可以截取桌面，也可以截取窗口图像，它所拥有的众多API还可以灵活的组合，帮助我们截取窗口或者桌面部分。并且，他还可以通过窗口组合来合成我们想要的图像，达到过滤我们不需要共享的窗口的目的。
它的劣势在于，因为API较为简陋，整体需要自己实现一套录屏的方案；对于采集的流控需要自己控制，比较繁琐；由于不断的采集重绘，CPU占用比较大。经过我亲测对比，同等分辨率下，相较于系统的AVCaptureSession的CPU占用率会多占用5~10%左右。
总结
最后我们来看一下macOS下实现录屏采集的两种方式以及各自的优劣势：
AVCaptureSession是在macOS下比较成熟的方案，性能优化的最好，实现也很方便，缺点是只能够截取屏幕，无法实现截取指定窗口，过滤窗口；
Core Graphics 的API 比较繁杂，比较耗费CPU占用。有一定的学习门槛，无法采集鼠标与动画，需要自己实现一套采集逻辑，但是支持采集窗口，过滤窗口，更加灵活多样，能够满足所有的功能。