OpenGL ES 案例13：动效滤镜（6种）

OpenGL + OpenGL ES +Metal 系列文章汇总

本案例的目的是理解如何用GLSL实现缩放+灵魂出窍+抖动+闪白+毛刺+幻觉6中动效滤镜

准备工作

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

滤镜算法

6种滤镜的思路及实现如下所示


6种滤镜算法汇总

下面只针对滤镜的自定义着色器中的GLSL代码进行解释说明

缩放滤镜

缩放原理：通过修改顶点着色器中的顶点和纹理的映射关系实现缩放

缩放效果如下


缩放滤镜效果

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
    如下图所示


    缩放滤镜算法图示

顶点着色器

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;
}

振幅的计算可以不用abs函数，主要是因为time * (PI / duration的角度范围始终是在[0, π]范围内的，而这个范围内的sin函数的结果范围是[0,1]，所以可以不用abs函数取绝对值
除了缩放需要在顶点着色器中实现，其余的滤镜效果都是在片元着色器中实现。其实缩放也是可以在片元着色器中实现的。

灵魂出窍滤镜

原理：通过在原图上叠加一个图层，将两个图层进行颜色混合实现，且上面的叠加的层随着时间推移逐渐放大且透明度降低至0，以此循环往复。需要在片元着色器中进行滤镜算法

灵魂出窍滤镜效果如下：

灵魂出窍滤镜效果

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

下图是灵魂出窍中动效的计算过程图示


灵魂出窍滤镜算法图示

片元着色器

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;
}

抖音抖动滤镜

原理：颜色偏移 + 微弱的放大效果，即先将纹理放大，然后将放大后的纹理坐标的纹素进行颜色偏移

抖动滤镜效果如下：


抖动滤镜效果

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

其中获取时间戳、计算当前进度值的图示与灵魂出窍中一致，下图是颜色偏移&缩放比例的计算，以及在时间戳递增过程中，抖动滤镜的变化过程


抖动算法图示

片元着色器

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);
}

闪白滤镜

原理：在原图上添加一个白色遮罩，且白色图层的透明度随着时间推移而变化，并与原图进行颜色混合

闪白效果如下：


闪白滤镜效果

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

算法的计算过程图示如下


闪白算法图示

片元着色器

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);
}

毛刺滤镜

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

毛刺滤镜效果如下：


毛刺滤镜效果

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

以上几步的计算过程图示如下


毛刺算法图示

片元着色器

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，所以只调整红色
    gl_FragColor = vec4(maskR.r, mask.g, maskB.b, mask.a);
}

GLSL中没有随机值的函数，需要通过自定义函数，利用fract函数获得随机数

幻觉滤镜

原理：残影+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。

幻觉滤镜效果如下：


幻觉滤镜效果

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

计算过程图示如下


幻觉算法图示

片元着色器

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

uniform float Time;

const float PI = 3.1415926;
//一次幻觉效果的时长，即周期
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，通过它可以每经过一段时间，去生成一个新的mask
//转圈产生幻影的单个像素点的颜色值
vec4 getMask(float time, vec2 textureCoords, float padding) {
   //圆心坐标
    vec2 translation = vec2(sin(time * (PI * 2.0 / duration)),cos(time * (PI * 2.0 / duration)));
    
    //新的纹理坐标 = 原始纹理坐标 + 偏移量 * 圆周坐标（新的图层与图层之间是有间距的，所以需要偏移）
    vec2 translationTextureCoords = textureCoords + padding * translation;
    
    //根据新的纹理坐标获取新图层的纹素
    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
//进度：
float maskAlphaProgress(float currentTime, float hideTime, float startTime) {
//mod（时长+持续时间 - 开始时间，时长）得到一个周期内的time
    float time = mod(duration + currentTime - startTime, duration);
    //如果小于0.9，返回time，反之，返回0.9
    return min(time, hideTime);
}

void main(){
    //将传入的时间戳转换到一个周期内，time的范围是【0，2】
    //获得时间周期
    float time = mod(Time, duration);
    //放大后的倍数
    float scale = 1.2;
    //偏移量 = 0.083
    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;
    
    //新建层的隐藏时间 即新建层什么时候隐藏 
    float hideTime = 0.9;
    //时间间隔：隔0.2s创建一个新层
    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
    //幻影残留数据
    //max RGB alpha
    //新图层的 R透明度
    float maxAlphaR = 0.5;
    //新图层的 G透明度
    float maxAlphaG = 0.05;
    //新图层的 B透明度
    float maxAlphaB = 0.05;
    
    //获取新的图层的坐标，需要传入时间、纹理坐标、偏移量
    vec4 mask = getMask(time, textureCoords, padding);
    //RGB ：for循环中使用
    float alphaR = 1.0;
    float alphaG = 1.0;
    float alphaB = 1.0;
    
    //最终图层颜色：初始化
    vec4 resultMask = vec4(0, 0, 0, 0);
    
    //循环：每一层循环都会得到新的图层的颜色，即幻影颜色
    //一次循环只是计算一个像素点的纹素，需要在真机运行。模拟器会卡，主要是模拟器上是CPU模拟GPU的
    for (float f = 0.0; f < duration; f += timeGap) {
        float tmpTime = f;
        //获取到【0，2】s内所获取的运动后的纹理坐标
        //获得幻影当前时间的颜色值
        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
        //临时的透明度 = 根据时间推移RGB的透明度发生变化
        //获得临时的红绿蓝透明度
        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;
        
        //累计每一层临时RGB * RGB的临时透明度
        //结果 += 临时颜色 * 透明度，即刚产生的图层的颜色
        resultMask += vec4(tmpMask.r * tmpAlphaR,tmpMask.g * tmpAlphaG,tmpMask.b * tmpAlphaB,1.0);
                           
        //透明度递减
        alphaR -= tmpAlphaR;
        alphaG -= tmpAlphaG;
        alphaB -= tmpAlphaB;
    }
    
    //最终颜色 += 原始纹理的RGB * 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;
}

代码中的getMask函数中，由于sin和cos的都是取值范围是[-1, 1]，其中对纹理坐标的偏移，可以理解为某一个像素点围绕原纹理坐标在做圆周运动，即效果图中的转圈，如下图所示


幻觉转圈过程解析

完整的代码见Github - 15_缩放+灵魂出窍+抖动等6种OC、15缩放+灵魂出窍+抖动等6种_Swift

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