Metal图像处理——颜色查找表（Color Lookup Table）

前言

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本文介绍Metal下的颜色查找表（Color Lookup Table）。

正文

一张1024x1024的普通图片，是由1024 * 1024=1048576个像素点组成，每个像素点包括RGBA共32bit，常见的图像处理是对相邻像素点颜色、像素点本身颜色做处理。
在对像素点本身颜色做处理的情况下，需要把某个颜色映射成另外一个颜色，比如说把颜色rgb(0.2, 0.3, 0.4) * colorMatrix = rgb(0.1, 0.2, 0.3)，可以使用shader实现这个颜色转变对图片进行处理。但实际过程中的颜色映射计算过程可能会更加复杂，并且会有很多冗余运算（比如我们对相同的颜色会有重复的运算），我们希望用空间换取时间，把相同颜色值的运算结果缓存下来。

如何避免冗余运算？

假如我们用一个三维数组colorConvert来缓存这个结果，那么rgb(0.2, 0.3, 0.4) * colorMatrix处理就变成数组访问操作rgb(0.2, 0.3, 0.4) =colorConvert[0.2 * 255][0.3 * 255][0.4 * 255]=rgb(0.1, 0.2, 0.3)，运算效率会有较高的提升。

但是数组长度有512* 512 * 512= 134 217 728，太占用内存！我们可以减少数组每一维的大小，把512种可能减少为64种。同时为了有更好的过渡效果，每次计算的时候我们可以用相邻的结果进行线性结合。

我们以一维的情况为例，用数组a[64]来缓存512种颜色的映射结果。假如某个点的值是102，那么有102/4=25.5，映射结果为a[25] * 0.5+a[26] * 0.5，即两边各取一半；假如某个点的值是101，那么有101/4=25.25，映射结果为a[25] * 0.25 + a[26] * 0.75，按照小数点进行分配。

这样可以用合理的数组大小缓存运算结果，并且可以在PC端提前计算出映射的数组。
接下来的问题是：

如何把映射数组传递给shader？

直接的方案是使用文本记录映射结果，然后把移动端加载文本，读取结果后存入内存的数组buffer，再把buffer作为shader的一个参数。

这里我们肯定不采用这种办法，而是采用颜色查找表（Color Lookup Table）。
我们的映射数组是colorConvert3[64][64][64]，相当于64个二维数组colorConvert2[64][64]。如果我们colorConvert2[i][j]的结果写入一张64 * 64的图片第(i, j)个像素点，即用一张64 * 64的图片来缓存这个结果，如下：

对于colorConvert3[64][64][64]，可以采用把64张图片拼成一个8 * 8个小图组成的大图，如下：

最后，问题只有：

如何从图片读取对应运算结果？

图片有64个正方形，每个小正方存着64 * 64的运算结果。对于颜色rgb(x, y, z)，我们先用z值算出正方形的位置，再用（x，y）读取对应结果。
整个过程如下：（shader中的颜色值都是归一化后的结果，区间为[0, 1]）

• 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，再用蓝色值的小数部分进行mix操作；

整个shader如下：

constant float SquareSize = 63.0 / 512.0;
constant float stepSize = 0.0; //0.5 / 512.0;

fragment float4
samplingShader(RasterizerData input [[stage_in]], // stage_in表示这个数据来自光栅化。（光栅化是顶点处理之后的步骤，业务层无法修改）
               texture2d normalTexture [[ texture(LYFragmentTextureIndexNormal) ]], // texture表明是纹理数据，LYFragmentTextureIndexNormal是索引
               texture2d lookupTableTexture [[ texture(LYFragmentTextureIndexLookupTable) ]]) // texture表明
{
    constexpr sampler textureSampler (mag_filter::linear,
                                      min_filter::linear); // sampler是采样器
    float4 textureColor = normalTexture.sample(textureSampler, input.textureCoordinate); //正常的纹理颜色
    
    float blueColor = textureColor.b * 63.0; // 蓝色部分[0, 63] 共64种
    
    float2 quad1; // 第一个正方形的位置, 假如blueColor=22.5，则y=22/8=2，x=22-8*2=6，即是第2行，第6个正方形；（因为y是纵坐标）
    quad1.y = floor(floor(blueColor) * 0.125);
    quad1.x = floor(blueColor) - (quad1.y * 8.0);
    
    float2 quad2; // 第二个正方形的位置，同上。注意x、y坐标的计算，还有这里用int值也可以，但是为了效率使用float
    quad2.y = floor(ceil(blueColor) * 0.125);
    quad2.x = ceil(blueColor) - (quad2.y * 8.0);
    
    float2 texPos1; // 计算颜色(r,b,g)在第一个正方形中对应位置
    /*
     quad1是正方形的坐标，每个正方形占纹理大小的1/8，即是0.125，所以quad1.x * 0.125是算出正方形的左下角x坐标
     stepSize这里设置为0，可以忽略；
     SquareSize是63/512，一个正方形小格子在整个图片的纹理宽度
     */
    
    texPos1.x = (quad1.x * 0.125) + stepSize + (SquareSize * textureColor.r);
    texPos1.y = (quad1.y * 0.125) + stepSize + (SquareSize * textureColor.g);
    
    float2 texPos2; // 同上
    texPos2.x = (quad2.x * 0.125) + stepSize + (SquareSize * textureColor.r);
    texPos2.y = (quad2.y * 0.125) + stepSize + (SquareSize * textureColor.g);
    
    float4 newColor1 = lookupTableTexture.sample(textureSampler, texPos1); // 正方形1的颜色值
    float4 newColor2 = lookupTableTexture.sample(textureSampler, texPos2); // 正方形2的颜色值
    
    float4 newColor = mix(newColor1, newColor2, fract(blueColor)); // 根据小数点的部分进行mix
    return float4(newColor.rgb, textureColor.w); //不修改alpha值
}

总结

颜色转换表是在网上找了一张，特此感谢——LUT（颜色查找表）的来源；
Shader部分参考自GPUImageLookupFilter，demo的地址在这里。