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
- 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); }
- 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); }
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
- 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
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：
- 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
正方形马赛克算法图示
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
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：
- 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
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
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
- 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，
与中心点距离图示
- 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; }
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
计算6个三角形的中心点
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
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]
