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OpenGL-ES-案例12:灰度+颠倒+马赛克(3种)滤镜

本案例的目的是理解如何用GLSL实现灰度+颠倒+马赛克(共5种)滤镜

整体的效果图如下:

image

  • 准备工作的代码与OpenGL ES 案例11:分屏滤镜中一致,只需要修改相应的底部item数组及对应的着色器名称等,这里不再说明这部分内容
  • 顶点着色器也没有任何变化,主要是片元着色器中的实现滤镜算法

下面只针对滤镜的自定义片元着色器中的GLSL代码进行解释说明

灰度滤镜

灰度滤镜的实现原理是让RGB值保持一个平衡并填充,或者只保留一个亮度值,即绿色,在人眼中,绿色的亮度是最显眼的,绿色值越深,在肉眼观察中图片越暗淡,这是眼睛的一种生理现象。

灰度滤镜的算法一共有5种,大致分为3类

  • 权值法:处理后的图片比较逼真
    • 浮点算法:Gray = R*0.3 + G*0.59 + B*0.11 (RGB的权重总和为1)
    • 整数方法:Gray = (R*30 + G*59 + B*11)/100(RGB的权重总和为100)
    • 移位方法:Gray = (R*76 + G*151 + B*28)>>8
  • 平均值法:Gray = (R+G+B)/3,处理后的图片比较柔和
  • 仅取绿色:Gray = G,这种方式方便简单,且易用

在片元着色器中分别使用 浮点算法 和 仅取绿色实现灰度滤镜算法。

  • 浮点算法:这里的RGB权重取自GPUImage框架
precision highp float;
uniform sampler2D Texture;
varying vec2 TextureCoordsVarying;

//RGB的变换因子,即权重值
const highp vec3 W = vec3(0.2125, 0.7154, 0.0721);

void main(){
    //获取对应纹理坐标系下色颜色值
    vec4 mask = texture2D(Texture, TextureCoordsVarying);

    //将颜色mask 与 变换因子相乘得到灰度值
    float luminance = dot(mask.rgb, W);

    //将灰度值转换为(luminance,luminance,luminance,mask.a)并填充到像素中
    gl_FragColor = vec4(vec3(luminance), 1.0);
}

复制代码
  • 仅取绿色
precision highp float;
uniform sampler2D Texture;
varying vec2 TextureCoordsVarying;

void main(){
    //获取对应纹理坐标系下色颜色值
    vec4 mask = texture2D(Texture, TextureCoordsVarying);

    //将RGB全部设置为G,即GRB全部取绿色值
    gl_FragColor = vec4(mask.g, mask.g, mask.g, 1.0);
}

复制代码

效果图如下所示

image

除了自定义着色器外,还可以通过GPUImage、iOS原生的CoreImage实现灰度滤镜。选择哪种方式,需要根据需求而定。

颠倒滤镜

说到颠倒图片,之前在四、 OpenGL ES GLSL图片倒置的翻转解决方案(6种)博文中讲了几种颠倒图片翻转的方式,图片一开始是倒置的,为什么还要翻转在颠倒呢?原因是一开始颠倒的图片如果不翻转,会影响其他滤镜效果的显示,颠倒滤镜只是一个滤镜效果,不会影响其他滤镜效果。

在片元着色器中,翻转纹理坐标y值,实现颠倒滤镜

precision highp float;
uniform sampler2D Texture;
varying vec2 TextureCoordsVarying;

void main(){

    vec4 mask = texture2D(Texture, vec2(TextureCoordsVarying.x, 1.0-TextureCoordsVarying.y));
    gl_FragColor = vec4(mask.rgb, 1.0);
}

复制代码

马赛克滤镜

主要是实现不同马赛克样式的滤镜,主要有以下三种样式

  • 正方形
  • 六边形
  • 三角形

不同马赛克样式,对应不同的滤镜算法,如图所示

image

正方形马赛克

正方形马赛克原理:把图片的一个相当大小的区域用同一个颜色值来表示,可以认为是大规模的降低图像的分辨率,从而让图像的一些细节隐藏起来

滤镜算法主要有以下几步:

  • 根据纹理坐标计算实际图像中的位置,相当于将纹理颜色区放大

  • 计算出一个小马赛克的坐标,即找到马赛克提取颜色值的像素点

  • 将马赛克坐标换算回纹理坐标,即将纹理颜色区缩小 如图所示

    image

片元着色中的滤镜算法实现如下

precision highp float;
//纹理坐标
uniform sampler2D Texture;
//纹理采样器
varying vec2 TextureCoordsVarying;
//纹理图片size
const vec2 TexSize = vec2(400.0, 400.0);
//马赛克size
const vec2 MosaicSize = vec2(16.0, 16.0);

void main(){
    //计算实际图像位置
    vec2 intXY = vec2(TextureCoordsVarying.x * TexSize.x, TextureCoordsVarying.y * TexSize.y);

    //floor(x) 内建函数,返回小于/等于x最大的整数,即向下取整
    //floor(intXY.x/mosaicSize.x)*mosaicSize.x 计算出一个小马赛克的坐标
    vec2 XYMosaic = vec2(floor(intXY.x/MosaicSize.x)*MosaicSize.x, floor(intXY.y/MosaicSize.y)*MosaicSize.y);

    //换算回纹理坐标,此时的纹理坐标是小马赛克的部分的纹理坐标,即某一个色块
    vec2 UVMosaic = vec2(XYMosaic.x/TexSize.x, XYMosaic.y/TexSize.y);
    //获取到马赛克后的纹理坐标的颜色值
    vec4 color = texture2D(Texture, UVMosaic);
    //将马赛克颜色值赋值给gl_FragColor
    gl_FragColor = color;
}

复制代码

六边形马赛克

六边形马赛克原理:将一张图片,分割成由六边形组成,再取每个六边形的中心点画出一个个的矩形,根据矩形的奇偶排列情况求出对应的2个中心点,并计算纹理坐标与两个中心点的距离,根据距离判断,采取就近原则,当前的六边形就采用近的中心点的颜色值。

将图片分割成六边形,六边形中心点画出矩形后的呈现如下所示

image

滤镜算法主要实现步骤有:

  • 设置矩形的长宽比例值TR、TB(TB:TR 符合比例 3:√3) 其中长宽比为3:√3,计算过程如下:

    image

  • 获取纹理坐标的x,y

  • 根据纹理坐标计算对应的矩形坐标wx、wy 假设矩阵的比例为3*len:√3*len,那么纹理坐标(x,y)对应的矩阵坐标为

    image

  • 根据行列的奇偶情况,求对应的中心点纹理坐标v1、v2

    • 偶行偶列:(0,0)(1,1)/,即左上、右下

    • 偶行奇列:(0,1)(1,0)\,即左下、右上

    • 奇行偶列:(0,1)(1,0)\,即左下、右上

    • 奇行奇列:(0,0)(1,1)/,即左上、右下 最终汇总起来也只有2种情况,(0,0)(1,1) 和 (0,1)(1,0),如下图所示

      image

其中单个矩阵中,4个点的坐标计算公式如下:

  • 对于计算中的wx+1,拿(1,0)点来说,wx+1等同于(1,0)与(0,0)之间相差一个矩形的长,这个长度为1,为了得到(1,0)点的坐标,要在(0,0)点坐标的基础上,将wx增加一个长
  • 对于计算中的wy+1,拿(0,1)点来说,wy+1等同于(0,0)与(0,1)之间相差一个矩形的高,这个长度为1,为了得到(0,1)点的坐标,要在(0,0)点坐标的基础上,将wy增加一个高

image

  • 根据距离公式求像素点距离两个中心点的距离s1、s2

    • s1 = √((v1.x-x)² + (v1.y-y)²)

    • s2 = √((v2.x-x)² + (v2.y-y)²) 如图所示,

      image

  • 根据求出的距离,判断离哪个中心点近,就取哪个六边形的中心点颜色值为六边形的颜色值

片元着色器代码

precision highp float;
uniform sampler2D Texture;
varying vec2 TextureCoordsVarying;
//六边形的边长
const float mosaicSize = 0.03;

void main(){

    float length = mosaicSize;
    //矩形的高的比例为√3,取值 √3/2 ,也可以直接取√3
    float TR = 0.866025;
    //矩形的长的比例为3,取值 3/2 = 1.5,也可以直接取3
    float TB = 1.5;

    //取出纹理坐标
    float x = TextureCoordsVarying.x;
    float y = TextureCoordsVarying.y;

    //根据纹理坐标计算出对应的矩阵坐标 
    //即 矩阵坐标wx = int(纹理坐标x/ 矩阵长),矩阵长 = TB*len
    //即 矩阵坐标wy = int(纹理坐标y/ 矩阵宽),矩阵宽 = TR*len
    int wx = int(x / TB / length);
    int wy = int(y / TR / length);
    vec2 v1, v2, vn;

    //判断wx是否为偶数,等价于 wx % 2 == 0
    if (wx/2 * 2 == wx) {
        if (wy/2 * 2 == wy) {//偶行偶列
            //(0,0),(1,1)
            v1 = vec2(length * TB * float(wx), length * TR * float(wy));
            v2 = vec2(length * TB * float(wx+1), length * TR * float(wy+1));
        }else{//偶行奇列
            //(0,1),(1,0)
            v1 = vec2(length * TB * float(wx), length * TR * float(wy+1));
            v2 = vec2(length * TB * float(wx+1), length * TR * float(wy));
        }
    }else{
        if (wy/2 * 2 == wy) {//奇行偶列
            //(0,1),(1,0)
            v1 = vec2(length * TB * float(wx), length * TR * float(wy+1));
            v2 = vec2(length * TB * float(wx+1), length * TR * float(wy));
        }else{//奇行奇列
            //(0,0),(1,1)
            v1 = vec2(length * TB * float(wx), length * TR * float(wy));
            v2 = vec2(length * TB * float(wx+1), length * TR * float(wy+1));
        }
    }
    //利用距离公式,计算中心点与当前像素点的距离
    float s1 = sqrt(pow(v1.x-x, 2.0) + pow(v1.y-y, 2.0));
    float s2 = sqrt(pow(v2.x-x, 2.0) + pow(v2.y-y, 2.0));

    //选择距离小的则为六边形的中心点,且获取它的颜色
    vn = (s1 < s2) ? v1 : v2;
    //获取六边形中心点的颜色值
    vec4 color = texture2D(Texture, vn);
    gl_FragColor = color;
}

复制代码

三角形马赛克

原理:三角形马赛克是由六边形马赛克演变而来,得到三角形的前提,就是的先有六边形,然后将正六边形6等分,每个三角形都是正三角形,然后求出纹理坐标与中心点的夹角,同时求出三角形的中心点,根据夹角判断,夹角属于哪个三角形,就将该三角形的中心点颜色作为整个三角形的纹素

三角形滤镜算法步骤是在六边形滤镜算法的步骤上增加以下步骤:

  • 求出当前像素点与纹理中心点的夹角 如下图所示,纹理坐标为(x,y),中心点为vn,求夹角

    image

  • 计算6个三角形的中心点

    image

  • 判断夹角属于哪个三角形,则获取哪个三角形的中心点坐标 其中,不同三角形的夹角范围如图所示

    image

片元着色器代码:在六边形滤镜算法(即 vn = (s1 < s2) ? v1 : v2;)后增加如下代码

    //获取像素点与中心点的角度
   float a = atan((x-vn.x)/(y-vn.y));

    //判断夹角,属于哪个三角形,则获取哪个三角形的中心点坐标
    vec2 area1 = vec2(vn.x, vn.y - mosaicSize * TR / 2.0);
    vec2 area2 = vec2(vn.x + mosaicSize / 2.0, vn.y - mosaicSize * TR / 2.0);
    vec2 area3 = vec2(vn.x + mosaicSize / 2.0, vn.y + mosaicSize * TR / 2.0);
    vec2 area4 = vec2(vn.x, vn.y + mosaicSize * TR / 2.0);
    vec2 area5 = vec2(vn.x - mosaicSize / 2.0, vn.y + mosaicSize * TR / 2.0);
    vec2 area6 = vec2(vn.x - mosaicSize / 2.0, vn.y - mosaicSize * TR / 2.0);

    if (a >= PI6 && a < PI6 * 3.0) {
        vn = area1;
    }else if (a >= PI6 * 3.0 && a < PI6 * 5.0){
        vn = area2;
    }else if ((a >= PI6 * 5.0 && a <= PI6 * 6.0) || (a < -PI6 * 5.0 && a > -PI6 * 6.0)){
        vn = area3;
    }else if (a < -PI6 * 3.0 && a >= -PI6 * 5.0){
        vn = area4;
    }else if (a <= -PI6 && a > -PI6 * 3.0){
        vn = area5;
    }else if (a > -PI6 && a < PI6){
        vn = area6;
    }
    //获取对应三角形重心的颜色值
    vec4 color = texture2D(Texture, vn);
    // 将颜色值填充到片元着色器内置变量gl_FragColor
    gl_FragColor = color;

复制代码

atan是GLSL中的内建函数,有两种计算方式 1、atan(y,x) 值域是[0,π], 2、atan(y/x),值域是[-π/2, π/2]

完整的代码见Github - 14_灰度颠倒马赛克OC、14灰度颠倒马赛克_Swift

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