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OpenGL ES 案例12：灰度+颠倒+马赛克（3种）滤镜

2020-08-11  本文已影响0人  Style_月月

OpenGL + OpenGL ES +Metal 系列文章汇总

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：


整体滤镜效果

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

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。

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);
}


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);
}

效果图如下所示


灰度滤镜效果

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);
}

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

不同马赛克样式，对应不同的滤镜算法，如图所示


3种马赛克滤镜的算法流程

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：

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;
}

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


图片切割成六边形，六边形组合成矩阵图示

滤镜算法主要实现步骤有：

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


单个矩阵4个点计算公式

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;
}

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：

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;

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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