Metal每日分享,LUT查找滤镜效果

简介: Metal每日分享,LUT查找滤镜效果

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实操代码


// LUT查找滤镜
let filter = C7LookupTable.init(image: R.image("lut_abao"))
// 方案1:
let dest = BoxxIO.init(element: originImage, filter: filter)
ImageView.image = try? dest.output()
dest.filters.forEach {
    NSLog("%@", "\($0.parameterDescription)")
}
// 方案2:
ImageView.image = try? originImage.make(filter: filter)
// 方案3:
ImageView.image = originImage ->> filter


实现原理


过滤器

这款滤镜采用并行计算编码器设计.compute(kernel: "C7LookupTable"),参数因子[intensity]

对外开放参数

intensity: 强度,其实就是调整mix混合平均值。

/// LUT映射滤镜
public struct C7LookupTable: C7FilterProtocol {
    public let lookupImage: C7Image?
    public let lookupTexture: MTLTexture?
    public var intensity: Float = 1.0
    public var modifier: Modifier {
        return .compute(kernel: "C7LookupTable")
    }
    public var factors: [Float] {
        return [intensity]
    }
    public var otherInputTextures: C7InputTextures {
        return lookupTexture == nil ? [] : [lookupTexture!]
    }
    public init(image: C7Image?) {
        self.lookupImage = image
        self.lookupTexture = image?.cgImage?.mt.newTexture()
    }
    public init(name: String) {
        self.init(image: R.image(name))
    }
}

着色器

1、用蓝色值计算正方形的位置,得到quad1和quad2;

2、根据红色值和绿色值计算对应位置在整个纹理的坐标,得到texPos1和texPos2;

3、根据texPos1和texPos2读取映射结果newColor1和newColor2,再用蓝色值的小数部分进行mix操作;

kernel void C7LookupTable(texture2d<half, access::write> outputTexture [[texture(0)]],
                          texture2d<half, access::read> inputTexture [[texture(1)]],
                          texture2d<half, access::sample> lookupTexture [[texture(2)]],
                          constant float *intensity [[buffer(0)]],
                          uint2 grid [[thread_position_in_grid]]) {
    const half4 inColor = inputTexture.read(grid);
    const half blueColor = inColor.b * 63.0h; // 蓝色部分[0, 63] 共64种
    // 通过蓝色计算两个方格quad1,quad2
    half2 quad1;
    quad1.y = floor(floor(blueColor) / 8.0h);
    quad1.x = floor(blueColor) - (quad1.y * 8.0h);
    half2 quad2;
    quad2.y = floor(ceil(blueColor) / 8.0h);
    quad2.x = ceil(blueColor) - (quad2.y * 8.0h);
    const float A = 0.125;
    const float B = 0.5 / 512.0;
    const float C = 0.125 - 1.0 / 512.0;
    float2 texPos1; // 计算颜色(r,b,g)在第一个正方形中对应位置
    texPos1.x = A * quad1.x + B + C * inColor.r;
    texPos1.y = A * quad1.y + B + C * inColor.g;
    float2 texPos2;
    texPos2.x = A * quad2.x + B + C * inColor.r;
    texPos2.y = A * quad2.y + B + C * inColor.g;
    constexpr sampler quadSampler(mag_filter::linear, min_filter::linear);
    const half4 newColor1 = lookupTexture.sample(quadSampler, texPos1);
    const half4 newColor2 = lookupTexture.sample(quadSampler, texPos2);
    const half4 newColor = mix(newColor1, newColor2, fract(blueColor));
    const half4 outColor = half4(mix(inColor, half4(newColor.rgb, inColor.a), half(*intensity)));
    outputTexture.write(outColor, grid);
}

1、通过蓝色计算两个方格quad1,quad2

half2 quad1;
quad1.y = floor(floor(blueColor) / 8.0h);
quad1.x = floor(blueColor) - (quad1.y * 8.0h);
half2 quad2;
quad2.y = floor(ceil(blueColor) / 8.0h);
quad2.x = ceil(blueColor) - (quad2.y * 8.0h);
--------------
比如 inColor(0.4, 0.6, 0.2), 先确定第一个方格:
inColor.b = 0.2,blueColor = 0.2 * 63 = 12.6
即为第12个,第13个方格,但是我们要计算它坐在行和列,
floor(12.6) = 12, floor(12 / 8.0h) = 1,即第一行;
floor(blueColor) - (quad1.y * 8.0h) = floor(12.6) - (1 * 8) = 4,即第4列;
同理可以算出第二个方格为第1行,第5列
//ceil 向下取整,ceil(12.6) = 13, 
解决跨行时计算问题,比如blueColor = 7.6,则取第7,8个方格,他们不在同一行

2、计算映射后颜色所在两个方格的位置的归一化纹理坐标

const float A = 0.125;
const float B = 0.5 / 512.0;
const float C = 0.125 - 1.0 / 512.0;
float2 texPos1; // 计算颜色(r,b,g)在第一个正方形中对应位置
texPos1.x = A * quad1.x + B + C * inColor.r;
texPos1.y = A * quad1.y + B + C * inColor.g;
float2 texPos2;
texPos2.x = A * quad2.x + B + C * inColor.r;
texPos2.y = A * quad2.y + B + C * inColor.g;
--------------
(quad1.x * 0.125)表示行归一化的坐标,
(quad1.y * 0.125)表示列归一化的坐标,一共8行,每一行的长度为1/8 = 0.125,一共8列,每一列的长度为1/8 = 0.125;
(inColor.r * 0.125)表示一个方格里红色的位置,因为一个方格长度为0.125,r从0~1;绿色同理;
需要留意的是这里有个0.5/512 和 1.0/512;
0.5/512 是为了取点的中间值,一个点长度为1,总长度512,取点的中间值,即为0.5/512;
1.0/512 是因为计算texPos2.x时,单独对于一个方格来说,是从0~63,所以为63/512,即0.125 - 1.0 / 512;

3、计算映射后颜色

// 使用GPU采样器对纹理采样,取出LUT基准图上对于的 R G 色值
constexpr sampler quadSampler(mag_filter::linear, min_filter::linear);
const half4 newColor1 = lookupTexture.sample(quadSampler, texPos1);
const half4 newColor2 = lookupTexture.sample(quadSampler, texPos2);

4、混合颜色

// 线性取一个平均值,mix 方法根据 b 分量进行两个像素值的混合
const half4 newColor = mix(newColor1, newColor2, fract(blueColor));
// mix(x, y, a); 取x,y的线性混合,x(1-a)+ya
const half4 outColor = half4(mix(inColor, half4(newColor.rgb, inColor.a), half(*intensity))); 


LUT图介绍


LUT图是一张512×512大小的图片,分为64个8×8的小区域,每个小区域对应一个B值(0 ~ 255,间隔4),小区域内的每个像素点对应一组R和G值(0 ~ 255,间隔为4)。

使用时,获取原图某个像素点的值,通过颜色查找,替换为对应的滤镜颜色值。

1.png

从图可以看出:

8x8的方块组成

整体上看每个方块左上角从左上往右下由黑变蓝

单独每个方块的右上角是红色为主

单独每个方块的左下角是绿色为主

这是一个64x64x64颗粒度的LUT设计,总的方格大小为512x512,8x8=64个方格,所以每个方格大小为64x64;

64个方格,每个方格大小为64x64,所以叫做64x64x64颗粒度的设计。因为颜色值的范围为0~255,即256个取值,将256个取值归化到64;

从左上到右下(可以想作z方向),越来越蓝,蓝色值B从0~255,代表用来查找的B,即LUT(R1,G1,B1) = (R2,G2,B2)中的B1;

每一个方格里,从左往右(x方向),红色值R从0~255,代表用来查找的R,即LUT(R1,G1,B1) = (R2,G2,B2)中的R1;

每一个方格里,从上往下(y方向),绿色值G从0~255,代表用来查找的G,即LUT(R1,G1,B1) = (R2,G2,B2)中的G1;

因为一个颜色分量是0~255,所以一个方格表示的蓝色范围为4,比如最左上的方格蓝色为0~4, 查找时,如果有某个像素的蓝色值在0~4之间,则一定是在第一个方格里查找其映射后的颜色;

Example:

查找像素点归一化后的纯蓝色(0,0,1)的映射后的颜色;

  • 使用蓝色B定位方格数
n = 1(B值) * 63(一共64个方格,从第0个算起) = 63

Answer: 定位的方格n是第63个

定位在方格里的位置,使用R,G定位位置x,y

x = 0(R值) * 63(每个方格大小为 64 * 64) = 0
y = 0(G值) * 63(每个方格大小为 64 * 64) = 0

Answer: 方格的(0,0)位置为要定位的x,y

定位在整个图中位置

Py = floor(n/8) * 64 + y = 7 * 64 + 0 = 448;
Px = [n - floor(n/8)*8] * 64 + x = [63-7*8] * 64 + 0 = 448;
P1 = (448, 448)
其中floor(n/8)代表位置所在行,每一行的长度为64,y为方格里的G定位的位置;
[n - floor(n/8) * 8]代表位置所在列数,每一列的长度为64,x为方格里的R定位的位置;
floor为向下取整(解决跨行时计算问题),ceil为向上取整。比如2.3, floor(2.3) = 2; ceil(2.3) = 3;

Answer: 方格大小为512x512,位置为P = (448, 448), 归一化后为(7/8, 7/8)

So: 颜色值(0, 0, 1)的位置确实在第63个方格的左上角;


查找方式


LUT分为1D和3D,本质的区别在于索引的输出所需要的索引数

用公式形式看看区别,先设置Ri、Gi、Bi为输入值,Ro、Go、Bo为输出值,LUT标准的转换方法为FuncLUT;

1D LUT公式
Ro = FuncLUT(Ri)
Go = FuncLUT(Gi)
Bo = FuncLUT(Bi)

从公式可以看出,各个数值之间独立

3D LUT公式
Ro = FuncLUT(Ri, Gi, Bi)
Go = FuncLUT(Ri, Gi, Bi)
Bo = FuncLUT(Ri, Gi, Bi)

在3D LUT中,数值之间会互相影响

从公式对比中我们可以看出来,如果在色深为10位的系统中,1D LUT的数据量大概是3x2^10bit,3D LUT就是(3x2^10)^3bit

由此可以看出3D LUT的数据量比1D LUT多了一个指数级,所以3D LUT的精度比1D LUT高了很多,因为3D LUT的数据量太大,所以是通过列举节点的方式进行数据存储;


参考文章:www.jianshu.com/p/f054464e1…


备注: 在相机捕获时实时渲染每一帧图片的时候,就会有显著的性能差别,尤其是 iPhone 8 Plus 相机捕获的每一帧大小几乎都是最后几种情况那么大(4032x3024)


Harbeth功能清单


支持ios系统和macOS系统

支持运算符函数式操作

支持多种模式数据源 UIImage, CIImage, CGImage, CMSampleBuffer, CVPixelBuffer.

支持快速设计滤镜

支持合并多种滤镜效果

支持输出源的快速扩展

支持相机采集特效

支持视频添加滤镜特效

支持矩阵卷积

支持使用系统 MetalPerformanceShaders.

支持兼容 CoreImage.

滤镜部分大致分为以下几个模块:

Blend:图像融合技术

Blur:模糊效果

Pixel:图像的基本像素颜色处理

Effect:效果处理

Lookup:查找表过滤器

Matrix: 矩阵卷积滤波器

Shape:图像形状大小相关

Visual: 视觉动态特效

MPS: 系统 MetalPerformanceShaders.


最后


关于LUT查找滤镜介绍与设计到此为止吧。

慢慢再补充其他相关滤镜,喜欢就给我点个星🌟吧。

滤镜Demo地址,目前包含100+种滤镜,同时也支持CoreImage混合使用。

再附上一个开发加速库KJCategoriesDemo地址

再附上一个网络基础库RxNetworksDemo地址

喜欢的老板们可以点个星🌟,谢谢各位老板!!!✌️.

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