OpenGL ES之LUT（滤镜基准图）

未标题-2

前言

Look Up Table（简称LUT，查找表)。输入一个值，然后通过查找表来得到一个输出值。在调色领域中，称为颜色查找表，查找表的分量为R、G、B，是一种降低GPU运算量的技术，通过将颜色值存储在一张表中，在需要的时候通过索引在这张表上找到对应的颜色值。这是一种使用空间换时间的算法。

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

从RGB色彩讲起

我们知道光的三原色是红（Red）、绿（Green)、蓝（Blue)，也就是RGB，我们将这三种光按不同比例混合就可以得到丰富的色彩。我们规定R、G、B三者的取值范围为[0, 255]，0表示不发光，255表示发出最强的光，因此RGB(255, 0, 0)表示纯红色，同理RGB(0, 255, 0)表示纯绿色，RGB(0, 0, 255)纯蓝色。

3D LUT

在滤镜的LUT效果应用中，通常是将用3D LUT预存效果的RGB值。在8bit的RGB色域空间中，每个分量的取值范围为[0, 255]，一张完整的色域空间就为256 * 256 * 256 = 16581375bit = 16M。但实际上并不需要那么多颜色，通常会列举节点来储存，两个节点之间的颜色通过线性插值得出。

LUT3D-s

1、表现形式

3D LUT的储存就是一堆RGB数据，它可以使用以下三种方式进行表示：

1、三维数组
2、颜色方块

LUT-3D3

3、颜色图片

LUT 1D

2、颜色图片

颜色图片的本质就是将颜色方块进行二维化处理。上述颜色图片分辨率为512*512，里面有8*8的大格子，每个大格子中存有64*64个小格子，用来存储色彩像素点。

每个小格子如下图所示，X轴表示[0, 255]的R通道，Y轴表示[0, 255]的G通道。B通道分量放在了8*8的大格子中，从左到右从上到下，最后将RGB三个分量叠加

一张颜色图片一功能储存64 * 64 * 64 = 512 * 512 = 262144种色彩

3、输出一张标准LUT图片

1、创建RGBA原始数据

RGBA rgba[8 * 64][8 * 64];
    
for (int by = 0; by < 8; by++) {
    for (int bx = 0; bx < 8; bx++) {
        for (int g = 0; g < 64; g++) {
            for (int r = 0; r < 64; r++) {
                // 将RGB[0, 255]分成64份，每份相差4个单位， +0.5做四舍五入运算
                int rr = (int)(r * 255.0 / 63.0 + 0.5);
                int gg = (int)(g * 255.0 / 63.0 + 0.5);
                int bb = (int)((bx + by * 8) * 255.0 / 63.0 + 0.5);
                int aa = 255.0;
                int x = r + bx * 64;
                int y = g + by * 64;
                
                rgba[y][x] = (RGBA){rr, gg, bb, aa};
            }
        }
    }
}

2、写入数据，生成图片

int width = 8 * 64;
int height = 8 * 64;
    
size_t bufferLength = width * height * 4;
CGDataProviderRef dataProviderRef = CGDataProviderCreateWithData(NULL, &rgba, bufferLength, NULL);
CGColorSpaceRef colorSpaceRef = CGColorSpaceCreateDeviceRGB();
    
CGBitmapInfo bitmapInfo = kCGBitmapByteOrderDefault;
CGColorRenderingIntent renderingIntent = kCGRenderingIntentDefault;
    
CGImageRef imageRef = CGImageCreate(width, height, 8, 32, width * 4, colorSpaceRef, bitmapInfo, dataProviderRef, NULL, YES, renderingIntent);
    
uint32_t *pixels = (uint32_t *)malloc(bufferLength);

CGContextRef contextRef = CGBitmapContextCreate(pixels, width, height, 8, 32, colorSpaceRef, kCGImageAlphaPremultipliedLast);
CGContextDrawImage(contextRef, CGRectMake(0, 0, width, height), imageRef);
UIImage *image = nil;
if ([UIImage respondsToSelector:@selector(imageWithCGImage:scale:orientation:)]) {
    float scale = [UIScreen mainScreen].scale;
    image = [UIImage imageWithCGImage:imageRef scale:scale orientation:UIImageOrientationUp];
} else {
    image = [UIImage imageWithCGImage:imageRef];
}
    
CGImageRelease(imageRef);
CGContextRelease(contextRef);
CGDataProviderRelease(dataProviderRef);
CGColorSpaceRelease(colorSpaceRef);
free(pixels);

使用GLSL实现LUT滤镜

制作滤镜基准图

1、将上述的LUT图片和需要上效果的图片拖进Photoshop

ps1

2、隐藏LUT图片，进行色彩调整，这里进行了色相、自然饱和度的调整，并调整了曲线，拉高阴影处的曲线。

ps2

3、隐藏上效果图片，导出LUT图片

LUT

Coding

输入双纹理（如果对于纹理输入绘制不清楚的可以看OpenGL ES之纹理渲染），InputImageTexture为输入的需要应用效果的图片纹理，InputImageTexture2为基准图纹理。

// glsl.fsh
precision mediump float;

uniform sampler2D InputImageTexture2;
uniform sampler2D InputImageTexture;
uniform lowp float intensity;

varying vec2 TextureCoordinate;

void main() {
    // 取出当前像素的纹素
    highp vec4 textureColor = texture2D(InputImageTexture, TextureCoordinate);
    
    highp float blueColor = textureColor.b * 63.0;
    
    // 计算B通道，看使用哪个像素色块（这里分别对计算结果向上，向下取整，然后再对两者进行线性计算，减小误差）
    highp vec2 quad1;
    quad1.y = floor(floor(blueColor) / 8.0);
    quad1.x = floor(blueColor) - (quad1.y * 8.0);
    
    highp vec2 quad2;
    quad2.y = floor(ceil(blueColor) / 8.0);
    quad2.x = ceil(blueColor) - (quad2.y * 8.0);
    
    // 计算R、G通道
    highp vec2 texPos1;
    texPos1.x = (quad1.x * 0.125) + 0.5/512.0 + ((0.125 - 1.0/512.0) * textureColor.r);
    texPos1.y = (quad1.y * 0.125) + 0.5/512.0 + ((0.125 - 1.0/512.0) * textureColor.g);
     
    highp vec2 texPos2;
    texPos2.x = (quad2.x * 0.125) + 0.5/512.0 + ((0.125 - 1.0/512.0) * textureColor.r);
    texPos2.y = (quad2.y * 0.125) + 0.5/512.0 + ((0.125 - 1.0/512.0) * textureColor.g);
    
    // 根据转换后的纹理坐标，在基准图上取色
    lowp vec4 newColor1 = texture2D(InputImageTexture2, texPos1);
    lowp vec4 newColor2 = texture2D(InputImageTexture2, texPos2);
    
    // 对计算出来的两个色值，线性求平均(fract：取小数点后值)
    lowp vec4 newColor = mix(newColor1, newColor2, fract(blueColor));
    
    // intensity 按需计算滤镜透明度，混合计算前后的色值
    gl_FragColor = mix(textureColor, vec4(newColor.rgb, textureColor.w), intensity);
}

注意

1、坐标系

UIKit坐标系Y轴朝下，CoreGraphics、OpenGL坐标系Y轴朝上，两者颠倒，所以在做图片生成纹理的时候要注意坐标系变换

坐标系

在OpenGL ES之纹理渲染文章中，为了正确渲染图片到UIKit上，图片生成纹理的时候在CoreGraphics做了Transform转换操作。然而我们基准图在生成纹理的时候不需要做转换操作，否则会导致基准图颠倒，色值查找错误

- (GLuint)texture:(BOOL)needTransform {
    CGImageRef imageRef = self.CGImage;
    
    GLint width = (GLint)CGImageGetWidth(imageRef);
    GLint height = (GLint)CGImageGetHeight(imageRef);
    CGRect rect = CGRectMake(0, 0, width, height);
    
    CGColorSpaceRef colorSpaceRef = CGColorSpaceCreateDeviceRGB();
    void * imageData = malloc(width * height * 4);
    CGContextRef contextRef = CGBitmapContextCreate(imageData, width, height, 8, 4 * width, colorSpaceRef, kCGImageAlphaPremultipliedLast | kCGBitmapByteOrder32Big);
    
    CGColorSpaceRelease(colorSpaceRef);
    
    if (needTransform) {
        CGContextTranslateCTM(contextRef, 0, height);
        CGContextScaleCTM(contextRef, 1.0, -1.0);
    }
    CGContextDrawImage(contextRef, rect, imageRef);
    
    GLuint textureID;
    glGenBuffers(1, &textureID);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureID);
    
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, width, height, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, imageData);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
    
    CGContextRelease(contextRef);
    free(imageData);
    
    return textureID;
}

为了解决渲染图片方向问题，我们可以有两种方式解决：

1、图片纹理可以进行Transform，基准图纹理不Transform
2、图片和基准图都不进行Transform，使用转换矩阵MVP

// glsl.vsh
attribute vec4 Position;
attribute vec2 InputTextureCoordinate;

varying vec2 TextureCoordinate;
uniform mat4 MVP;

void main (void) {
    gl_Position = MVP * Position;
    TextureCoordinate = InputTextureCoordinate;
}

// 模型矩阵
GLKMatrix4 model = GLKMatrix4MakeScale(1.0, -1.0, 0.0);
// 观察矩阵
GLKMatrix4 view = GLKMatrix4MakeLookAt(0.0, 0.0, 3.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);
// 正交投影矩阵
GLKMatrix4 project = GLKMatrix4MakeOrtho(-1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 0.1, 100);
    
GLKMatrix4 mvp = GLKMatrix4Identity;
mvp = GLKMatrix4Multiply(mvp, project);
mvp = GLKMatrix4Multiply(mvp, view);
mvp = GLKMatrix4Multiply(mvp, model);
    
glUniformMatrix4fv(_mvpUniform, 1, GL_FALSE, (GLfloat *)&mvp);

最终效果

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