（七）深入了解AVFoundation-采集：采集系统架构与 AVCaptureSession 全面梳理
引言
在 iOS 开发中，AVFoundation 是构建音视频功能的强大底层框架。而在音视频功能中，“采集”往往是最基础也是最关键的一环。从摄像头捕捉图形、到麦克风获取声音，构建一条高效且稳定的采集链是开发高质量音视频应用的前提。
本系列将逐步深入 AVFoundation的采集机制，了解它的地方设计与实际使用。在本篇中，我们会聚集在采集系统的核心管理单元——AVCaptureSession，从整体架构出发，梳理采集链路的组成方式与搭建流程。
AVCaptureSession 的职责与系统架构
在 AVFoundation 中，AVCaptureSession 是整个采集系统的中心协调者。它的主要职责包括：
- 管理输入（Input）与输出（Output）设备：例如摄像头、麦克风作为输入，图像帧输出、音频数据输出作为输出。
- 协调数据流的流动：确保从设备捕获到的数据正确地传递到输出模块。
- 统一管理采集回话的生命周期：如开始采集startRunning()、停止采集stopRunning()、中断与恢复。
- 维护链接配置：控制比如视频方向、镜像、视频稳定等细节。
简而言之，AVCaptureSession 就像是一个数据总管，它把输入设备（比如摄像头、麦克风）和输出目标（比如屏幕预览、数据编码器）连接在一起，并统一管理整个采集链条的工作状态。
采集系统的基本架构可以理解成这样一个数据流动图。
简化来说就是：设备->输入->Session->输出->处理展示。
- 一个 AVCaptureSession 可以同时管理多个输入输出（比如前后摄像头切换，或者同时采集视频与音频）。
- 输入与输出设备必须通过 session.addInput() / session.addOutput() 正式添加到会话中，才会参与采集。
- 建议在 专用串行 DispatchQueue 中配置 Session，避免 UI 卡顿。
输入 + 输出：构建采集模型的两大核心
在 AVFoundation 采集系统中，采集链条的两大基本构成单元就是：
- 输入（Input）
- 输出（Output）
理解输入输出的工作原理和使用方式，是搭建稳定采集系统的基础。
输入（Input）：采集数据的源头
输入负责吧硬件设备（如摄像头、麦克风）链接到AVCaptureSession中。
在实际开发中，我们通常就是使用AVCaptureDeviceInput 来包装摄像头和麦克风。
以摄像头为例：
// 1. 获取摄像头设备
guard let camera = AVCaptureDevice.default(.builtInWideAngleCamera, for: .video, position: .back) else {fatalError("未找到后置摄像头")
}// 2. 将设备包装成输入
let cameraInput = try AVCaptureDeviceInput(device: camera)// 3. 添加到 Session
if session.canAddInput(cameraInput) {session.addInput(cameraInput)
}注意事项：
- 添加输入前要用 canAddInput(_:) 检查是否可以添加。
- 注意捕获设备可能没有权限，需要提前请求授权。
- 创建 AVCaptureDeviceInput 可能抛异常，使用 try。
输出（Output）：采集数据的去向
输出负责接收采集到的数据，并将其交给需要的地方处理，比如：
- 显示预览画面
- 实时处理图像
- 保存到文件
- 推流到服务器
输出的类型有很多种：
| 输出类别 | 相关类名 | 描述 |
|---|---|---|
| 图像数据输出 | AVCaptureVideoDataOutput | 原始视频帧数据回调 |
| 音频数据输出 | AVCaptureAudioDataOutput | 原始音频数据回调 |
| 拍照输出 | AVCapturePhotoOutput | 拍摄静态照片 |
| 录制文件输出 | AVCaptureMovieFileOutput | 录制成视频文件 |
| 元数据输出（如二维码） | AVCaptureMetadataOutput | 检测并返回元数据（条形码、二维码） |
输出基本使用流程（以视频数据输出为例）
// 1. 创建输出
let videoOutput = AVCaptureVideoDataOutput()// 2. 配置输出参数（如像素格式）
videoOutput.videoSettings = [kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey as String: kCVPixelFormatType_420YpCbCr8BiPlanarFullRange
]// 3. 设置代理回调队列
videoOutput.setSampleBufferDelegate(self, queue: DispatchQueue(label: "VideoOutputQueue"))// 4. 添加到 Session
if session.canAddOutput(videoOutput) {session.addOutput(videoOutput)
}代理方法示例（捕获到每一帧数据）：
extension YourClass: AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate {func captureOutput(_ output: AVCaptureOutput, didOutput sampleBuffer: CMSampleBuffer, from connection: AVCaptureConnection) {// 处理每一帧图像}
}注意事项：
- 回调通常发生在自定义的串行队列上，避免占用主线程。
- 输出设备也需要使用 canAddOutput(_:) 检查后再添加。
输入（Input） 负责采集硬件数据，输出（Output）负责把采集到的数据交给你处理或者保存。
输入输出就像水管的两端，中间由 AVCaptureSession 统一协调和流转。
搭建完整采集链条
在前面了解了 AVCaptureSession 的基本架构，以及输入（Input）和输出（Output）之后，这一部分，我们直接从实际角度出发，梳理一次完整搭建采集链条的流程。
完整流程
搭建完整采集链条，核心步骤可以总结为：
- 创建 AVCaptureSession
- 选择并创建输入设备（Input）
- 选择并创建输出设备（Output）
- 添加输入与输出到 Session
- 配置连接参数（如摄像头方向、镜像等）
- 创建预览层（可选）
- 启动 Session
整体的伪代码流程如下：
// 1. 创建 Session
let session = AVCaptureSession()// 2. 配置 preset
session.sessionPreset = .high// 3. 创建输入（摄像头）
guard let camera = AVCaptureDevice.default(.builtInWideAngleCamera, for: .video, position: .back),let cameraInput = try? AVCaptureDeviceInput(device: camera),session.canAddInput(cameraInput) else {return
}
session.addInput(cameraInput)// 4. 创建输出（视频数据输出）
let videoOutput = AVCaptureVideoDataOutput()
videoOutput.setSampleBufferDelegate(self, queue: DispatchQueue(label: "VideoOutputQueue"))
if session.canAddOutput(videoOutput) {session.addOutput(videoOutput)
}// 5. 配置连接（方向、镜像）
if let connection = videoOutput.connection(with: .video) {connection.videoOrientation = .portraitconnection.isVideoMirrored = false
}// 6. 创建预览层（可选）
let previewLayer = AVCaptureVideoPreviewLayer(session: session)
previewLayer.videoGravity = .resizeAspectFill
previewLayer.frame = view.bounds
view.layer.addSublayer(previewLayer)// 7. 启动 Session
session.startRunning()采集分辨率的控制开关
sessionPreset 负责定义采集的数据质量，比如分辨率、码率、帧率等。
常见的 preset 有：
| Preset | 说明 |
|---|---|
| .high | 高质量（设备自动适配） |
| .medium | 中等质量，适配中速网络上传场景 |
| .low | 低质量，适合弱网传输 |
| .hd1280x720 | 720p 高清 |
| .hd1920x1080 | 1080p 高清 |
| .photo | 照片质量（高分辨率） |
注意：
- preset 需要在 startRunning() 之前设置。
- preset 要与输入设备能力匹配，否则设置无效，比如某些前置摄像头不支持 4K 采集。
- 可以使用 session.canSetSessionPreset(_:) 检查兼容性。
连接（AVCaptureConnection）管理
在 Session 里，输入与输出之间的通道，叫做 AVCaptureConnection。
连接对象允许我们进一步微调采集流的细节，比如：
- 方向（Orientation）
- 镜像（Mirrored）
- 视频防抖（Video Stabilization）
- 自动对焦/曝光/白平衡（某些连接可以关联控制）
一般情况下，我们需要手动设置采集方向为竖屏：
if let connection = videoOutput.connection(with: .video),connection.isVideoOrientationSupported {connection.videoOrientation = .portrait
}很多 app 前置摄像头拍照是镜像模式，也可以通过 Connection 设置：
if camera.position == .front,let connection = videoOutput.connection(with: .video),connection.isVideoMirrored {connection.isVideoMirrored = true
}线程注意点：采集是高度异步的
Session 的 startRunning 和 stopRunning 是同步调用，但异步完成，因此推荐在后台线程调用。
输出的数据回调 (captureOutput(_:didOutput:from:)) 是在你指定的 DispatchQueue里触发的，不是主线程。如果在回调里要更新 UI，需要回到主线程。
DispatchQueue.global().async {session.startRunning()
}// 回调中处理 UI
func captureOutput(_ output: AVCaptureOutput, didOutput sampleBuffer: CMSampleBuffer, from connection: AVCaptureConnection) {DispatchQueue.main.async {// 更新 UI，比如显示帧率}
}结语
在本篇内容中，我们从整体视角出发，完整梳理了 AVCaptureSession 为核心的采集系统，包括它的职责、输入输出模型，以及如何搭建一条基本的采集链条。
同时也深入探讨了 preset 设置、连接管理 和 线程注意事项 等关键细节，帮助你在实际项目中少踩坑。
可以看到，AVFoundation 的采集体系虽然灵活强大，但也有一定的复杂度。理解 Session 是怎么组织 Input 和 Output 的，掌握 Connection 上的各种参数调优，才能真正驾驭底层采集系统。
接下来的博客我们将继续AVFoudation的采集篇章，我们将在这个基础上，进一步探索更多实战话题。