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OpenGL ES 案例 :抖音特效(缩放、灵魂出窍、抖动、闪白、毛刺、幻觉)

案例效果:

该案例是基于案例 OpenGL ES 案例 :滤镜分屏效果 实现的,视图控制器实现代码基本是一样的,只需要修改相应的底部item数组及对应的着色器名称,下面主要针对6种特效的实现算法和滤镜的自定义着色器中的GLSL代码进行分析。

滤镜算法

6种滤镜的思路及实现如下所示(该图片转载自网络)

缩放

缩放原理:缩放滤镜实际上基本的原理是可以通过修改顶点坐标和纹理坐标的对应关系来实现放大缩小效果。可以在顶点着色器中实现,也可以在片元着色器中实现。

缩放的滤镜算法主要有以下几步:

  • 通过mod取模函数计算当前时间戳对应的时间周期
  • 计算顶点的放大倍数,即缩放的振幅,范围是[1.0, 1.3]
  • 计算顶点坐标按照振幅缩放后的坐标

缩放顶点着色器代码

attribute vec4 Position;
attribute vec2 TextureCoords;
varying vec2 TextureCoordsVarying;
//时间戳(随着定时器的方法调用及时更新):从0开始一直递增
uniform float Time;
const float PI = 3.1415926;

void main(){
    //一次缩放效果的时长
    float duration = 0.6;
    //最大缩放幅度
    float maxAmplitude = 0.3;

    //表示传入的事件周期,即time的范围被控制在0.0~0.6
    //mod(a, b),求模运算 等价于 a%b,GLSL中不支持%求模
    float time = mod(Time,duration);

    //amplitude表示振幅,引入PI的目的是为了使用sin函数,将amplitude的范围控制在1.0 ~ 1.3之间,并随着时间变化
    //这里可以不用取绝对值,因为角度的范围是【0,π】,不会出现负数的情况
    float amplitude = 1.0 + maxAmplitude * abs(sin(time * (PI / duration)));

    //放大关键代码:将顶点坐标的x和y分别乘以一个放大系数,即振幅,在纹理坐标不变的情况下,就达到了拉伸的效果
    //xy放大,zw保持不变
    gl_Position = vec4(Position.x * amplitude, Position.y * amplitude, Position.zw);

    //纹理坐标传递给TextureCoordsVarying
    TextureCoordsVarying = TextureCoords;
}
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灵魂出窍

实现原理:灵魂出窍实际上两个图层的混合,并且上面的那层随着时间的推移,会逐渐放大且不透明度逐渐降低,不断循环。因为使用的都是同一个纹理,不需要传2个纹理,只需要同时计算原纹理和放大纹理的坐标,取得对应的纹理再混合。

滤镜算法步骤:

  • 根据当前时间戳计算当前周期在一个周期时长中的百分比,即进度
  • 计算当前进度对应的透明度
  • 计算当前进度对应的缩放比例
  • 获取放大后的纹理坐标
  • 获取原纹理坐标, 放大纹理坐标的纹素
  • 将原纹理和放大后的纹理进行颜色混合

灵魂出窍滤镜片元着色器代码

precision highp float;

uniform sampler2D Texture;
varying vec2 TextureCoordsVarying;
//时间戳
uniform float Time;

void main (void) {
    //一次灵魂出窍效果的时长
    float duration = 0.7;
    //透明度上限值
    float maxAlpha = 0.4;
    //图片放大的上限
    float maxScale = 1.8;

    //当前进度(时间戳与时长使用mod取模),再除以时长 得到【0, 1】,即百分比
    float progress = mod(Time, duration) / duration; // 0~1
    //当前透明度 【0.4, 0】
    float alpha = maxAlpha * (1.0 - progress);
    //当前缩放比例 【1.0, 1.8】
    float scale = 1.0 + (maxScale - 1.0) * progress;

    //获取放大后的纹理坐标
    //将顶点坐标对应的纹理坐标的x/y值到中心点的距离,缩小一定的比例,仅仅只是改变了纹理坐标,而保持顶点坐标不变,从而达到拉伸效果
    float weakX = 0.5 + (TextureCoordsVarying.x - 0.5) / scale;
    float weakY = 0.5 + (TextureCoordsVarying.y - 0.5) / scale;
    vec2 weakTextureCoords = vec2(weakX, weakY);

  //获取当前像素点纹理坐标,放大后的纹理坐标  
    vec4 weakMask = texture2D(Texture, weakTextureCoords);

    vec4 mask = texture2D(Texture, TextureCoordsVarying);
    //2、颜色混合 内建函数mix / 混合方程式
    gl_FragColor = mask * (1.0 - alpha) + weakMask * alpha;
}
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抖音抖动

实现原理:颜色偏移 + 微弱的放大效果,基于缩放原理先将纹理放大,然后将放大后的纹理坐标的纹素进行颜色偏移。

抖动滤镜的算法步骤:

  • 根据当前时间戳计算当前进度的百分比
  • 计算当前进度对应的颜色偏移
  • 计算当前进度对应的缩放比例
  • 获取放大后的纹理坐标
  • 将放大后的纹理纹素进行颜色偏移,获得3组颜色
  • 从3组颜色中分别获取RGBA的值

抖音抖动滤镜片元着色器代码

void main(){
    //一次抖动效果的时长
    float duration = 0.7;
    //放大图片的上限
    float maxScale = 1.1;
    //颜色偏移的步长
    float offset = 0.02;

    //进度 0 ~ 1
    float progress = mod(Time, duration) / duration;
    //颜色偏移值0 ~ 0.02
    vec2 offsetCoords = vec2(offset, offset) * progress;
    //缩放比例 1.0 ~ 1.1
    float scale = 1.0 + (maxScale - 1.0) * progress;

    //放大后的纹理坐标 
    //下面这种向量相加减的方式 等价于 灵魂出窍滤镜中的单个计算x、y坐标再组合的为纹理坐标的方式
    vec2 ScaleTextureCoords = vec2(0.5, 0.5) + (TextureCoordsVarying - vec2(0.5, 0.5)) / scale;

    //获取三组颜色:颜色偏移计算可以随意,只要偏移量很小即可
    //原始颜色 + offset
    vec4 maskR = texture2D(Texture, ScaleTextureCoords + offsetCoords);
    //原始颜色 - offset
    vec4 maskB = texture2D(Texture, ScaleTextureCoords - offsetCoords);
    //原始颜色
    vec4 mask = texture2D(Texture, ScaleTextureCoords);

    //从3组颜色中分别取出 红色R,绿色G,蓝色B,透明度A填充到内置变量gl_FragColor内
    gl_FragColor = vec4(maskR.r, maskB.g, mask.b, mask.a);
}
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闪白

实现原理: 在上层添加⽩色图层 ,⽩色图层的透明度随着时间的变化而变化,与原图进行颜色混合。

闪白滤镜的算法步骤:

  • 通过mod函数计算当前时间戳对应的时间周期
  • 设置一个白色遮罩
  • 计算白色遮罩的振幅,振幅范围是[0,0, 1.0]
  • 获取原图纹理的纹素,并与白色遮罩颜色混合
    颜色混合的方式有多种,常用的一般是mix函数或者默认的混合方程式:mask*(1-alpha + weakMask*alpha

闪白滤镜片元着色器代码

precision highp float;
uniform sampler2D Texture;
varying vec2 TextureCoordsVarying;
//时间戳
uniform float Time;
//PI常量
const float PI = 3.1415926;

void main(){
    //一次闪白的时长
    float duration = 0.6;
    //将时间戳转换到一个周期内,范围是0 ~ 0.6
    float time = mod(Time, duration);
    //白色遮罩
    vec4 whiteMask = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
    // 振幅,范围是0 ~ 1
//    float amplitude = abs(sin(time * (PI / duration)));
    float amplitude = sin(time * (PI / duration));

   //获取纹理坐标对应的纹素颜色值
    vec4 mask = texture2D(Texture, TextureCoordsVarying);
    //利用mix内置函数进行颜色混合,属于线性混合
    gl_FragColor = mix(mask, whiteMask, amplitude);
}
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毛刺

实现原理:撕裂+微弱的颜色偏移,即设定一个阈值,当像素点的偏移值小于阈值时,才进行偏移,反之,则乘以一个缩小系数,最终的呈现效果就是 绝大部分都会进行微小的偏移,只有少量的行会进行较大偏移

毛刺滤镜算法:

* mod函数计算时间周期* 计算振幅,范围是「0, 1]* 获取像素点随机偏移值,范围是[-1,1]* 判断是否需要偏移 & 计算纹理的x坐标 * 需要偏移,撕裂较大,即x的颜色偏移较大 * 不需要,撕裂较小,即x的颜色偏移值很微小* 获取撕裂后的纹理坐标* 计算撕裂后的3组纹素,并获取不同组中的RGBA值

毛刺滤镜片元着色器代码

precision highp float;
uniform sampler2D Texture;
varying vec2 TextureCoordsVarying;
//时间戳
uniform float Time;
//PI常量
const float PI = 3.1415926;
//随机数
float rand(float n){
    //fract(x)返回x的小数部分
    //返回 sin(n) * 43758.5453123
    //sin(n) * 极大值,带小数点,想要随机数算的比较低,乘的数就必须较大,噪声随机
    //如果想得到【0,1】范围的小数值,可以将sin * 1
    //如果只保留小数部分,乘以一个极大值
    return fract(sin(n) * 43758.5453123);
}

void main(){
    //最大抖动上限
    float maxJitter = 0.06;
    //一次毛刺效果的时长
    float duration = 0.3;
    //红色颜色偏移
    float colorROffset = 0.01;
    //绿色颜色偏移
    float colorBOffset = -0.025;

    //表示将传入的事件转换到一个周期内,范围是 0 ~ 0.6,抖动时长变成0.6
    float time = mod(Time, duration * 2.0);
    //振幅,随着时间变化,范围是[0, 1]                                                                             
    float amplitude = max(sin(time * (PI / duration)), 0.0);

    //像素随机偏移范围 -1 ~ 1,* 2.0 - 1.0是为了得到【-1,1】范围内的随机值
    float jitter = rand(TextureCoordsVarying.y) * 2.0 - 1.0;
    //判断是否需要偏移,如果jitter范围 < 最大范围*振幅
    // abs(jitter) 范围【0,1】
    // maxJitter * amplitude 范围【0, 0.06】
    bool needOffset = abs(jitter) < maxJitter * amplitude;

    //获取纹理x坐标,根据needOffset来计算它的x撕裂
    //needOffset = YES,则撕裂大
    //needOffset = NO,则撕裂小,需要降低撕裂 = *振幅*非常细微的数
    float textureX = TextureCoordsVarying.x + (needOffset ? jitter : (jitter * amplitude * 0.006));
    //获取纹理撕裂后的x、y坐标
    vec2 textureCoords = vec2(textureX, TextureCoordsVarying.y);

    //颜色偏移:获取3组颜色
    //撕裂后的原图颜色
    vec4 mask = texture2D(Texture, textureCoords);
    //根据撕裂计算后的纹理坐标,获取纹素
    vec4 maskR = texture2D(Texture, textureCoords + vec2(colorROffset * amplitude, 0.0));
    //根据撕裂计算后的纹理坐标,获取纹素
    vec4 maskB = texture2D(Texture, textureCoords + vec2(colorBOffset * amplitude, 0.0));

    //颜色主要撕裂,红色和蓝色部分,所以只保留绿色
    gl_FragColor = vec4(maskR.r, mask.g, maskB.b, mask.a);
}
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幻觉

实现原理:残影和颜⾊偏移的叠加

  • 残影:是每隔一段时间,就会新建一个图层,且该图层以红色为主,随着时间推移透明度逐渐降低,于是可以在一个周期时长内看到很多不同透明度的层叠加在一起,从而形成残影,让图片随着时间做圆周运动
  • 颜色偏移:图片在移动的过程中是蓝色在前,红色在后,即在移动的过程中,每间隔一段时间,遗失了一部分红色通道的值在原来的位置,并且这部分红色通道的值,随着时间偏移,会逐渐恢复。

幻觉滤镜算法:

  • 通过mod函数计算当前时间周期
  • 设置放大倍数
  • 计算放大后的纹理坐标
  • 获取转全过程中像素点的纹素
  • 通过for循环来新建图层,即幻影颜色
  • 获取由原始图层和新建层叠加的颜色

幻觉滤镜片元着色器代码

precision highp float;
//纹理采样器
uniform sampler2D Texture;
//纹理坐标
varying vec2 TextureCoordsVarying;
//时间戳
uniform float Time;
//PI 常量
const float PI = 3.1415926;
//⼀次幻觉滤镜的时⻓
const float duration = 2.0;

//这个函数可以计算出,在某个时刻图⽚的具体位置。通过它我们可以每经过⼀段时间,去⽣成⼀个新的 层
vec4 getMask(float time, vec2 textureCoords, float padding)
{
    //圆周坐标
    vec2 translation = vec2(sin(time * (PI * 2.0 / duration)), cos(time * (PI * 2.0 / duration)));
    //纹理坐标 = 纹理坐标+偏离量 * 圆周坐标
    vec2 translationTextureCoords = textureCoords + padding * translation;
    //根据这个坐标获取新图层的坐标
    vec4 mask = texture2D(Texture, translationTextureCoords); return mask;
}
//这个函数可以计算出,某个时刻创建的层,在当前时刻的透明度。
float maskAlphaProgress(float currentTime, float hideTime, float startTime) {
    //duration+currentTime-startTime % duration
    float time = mod(duration + currentTime - startTime, duration);
    return min(time, hideTime);
}
void main (void) {
    //表示将传⼊的时间转换到⼀个周期内,即 time 的范围是 0 ~ 2.0
    float time = mod(Time, duration);
    //放⼤倍数
    float scale = 1.2;
    //偏移量
    float padding = 0.5 * (1.0 - 1.0 / scale);
    //放⼤后的纹理坐标
    vec2 textureCoords = vec2(0.5, 0.5) + (TextureCoordsVarying - vec2(0.5, 0.5)) / scale;
    //隐藏时间
    float hideTime = 0.9;
    //时间间隔 8
    float timeGap = 0.2;
    //注意: 只保留了红⾊的透明的通道值,因为幻觉效果残留红⾊.
    //新图层的-R⾊透明度 0.5
    float maxAlphaR = 0.5;
    // max R
    //新图层的-G⾊透明度 0.05
    float maxAlphaG = 0.05;
    // max G
    //新图层的-B⾊透明度 0.05
    float maxAlphaB = 0.05;
    // max B
    //获得新的图层坐标!
    vec4 mask = getMask(time, textureCoords, padding);
    float alphaR = 1.0;
    // R
    float alphaG = 1.0;
    // G
    float alphaB = 1.0;
    // B
    //最终图层颜⾊
    vec4 resultMask = vec4(0, 0, 0, 0);
    //循环
    for (float f = 0.0; f < duration; f += timeGap)
    {
        float tmpTime = f;
        //获取到0-2.0秒内所获取的运动后的纹理坐标
        vec4 tmpMask = getMask(tmpTime, textureCoords, padding);
        //某个时刻创建的层,在当前时刻的红绿蓝的透明度
        float tmpAlphaR = maxAlphaR - maxAlphaR * maskAlphaProgress(time, hideTime, tmpTime) / hideTime;
        float tmpAlphaG = maxAlphaG - maxAlphaG * maskAlphaProgress(time, hideTime, tmpTime) / hideTime;
        float tmpAlphaB = maxAlphaB - maxAlphaB * maskAlphaProgress(time, hideTime, tmpTime) / hideTime;
        //累积每⼀层每个通道乘以透明度颜⾊通道
        resultMask += vec4(tmpMask.r * tmpAlphaR, tmpMask.g * tmpAlphaG, tmpMask.b * tmpAlphaB, 1.0);
        //透明度递减 9
        alphaR -= tmpAlphaR; alphaG -= tmpAlphaG; alphaB -= tmpAlphaB;
    }
    //最终颜⾊ += 红绿蓝 * 透明度
    resultMask += vec4(mask.r * alphaR, mask.g * alphaG, mask.b * alphaB, 1.0);
    //将最终颜⾊填充到像素点⾥.
    gl_FragColor = resultMask;

}
复制代码

附Demo地址:

Github完整Demo

003--滤镜处理(缩放/灵魂出窍/抖动/闪白/毛刺/幻觉)