iOS 利用 Metal 实现滤镜与动效滤镜

Harbeth 是 Apple 的 Metal 框架上的一小部分实用程序和扩展，致力于使您的 Swift GPU 代码更加简洁，让您更快地构建管道原型。本文就来介绍与设计基于GPU的滤镜，图形处理和滤镜制作...

功能清单

目前，Metal Moudle 最重要的特点可以总结如下：

• 支持运算符函数式操作
• 支持快速设计滤镜
• 支持输出源的快速扩展
• 支持相机采集特效
• 支持矩阵卷积
• 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
  • ColorProcess：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
  • VisualEffect: 视觉动态特效

总结下来目前共有100+种滤镜供您使用。

• 代码零侵入注入滤镜功能，

原始代码：
ImageView.image = originImage

注入滤镜代码：
let filter = C7ColorMatrix4x4(matrix: Matrix4x4.sepia)
ImageView.image = try? originImage.make(filter: filter)

• 相机采集生成图片

注入边缘检测滤镜
var filter = C7EdgeGlow()
filter.lineColor = UIColor.blue

生成相机采集器
let collector = C7FilterCollector(callback: {
    self.ImageView.image = $0
})
collector.captureSession.sessionPreset = AVCaptureSession.Preset.hd1280x720
collector.filter = filter
ImageView.layer.addSublayer(collector)

主要部分

• 核心，基础核心板块

  • C7FilterProtocol：滤镜设计必须遵循此协议。
    • modifier：编码器类型和对应的函数名称。
    • factors：设置修改参数因子，需要转换为Float。
    • otherInputTextures：多个输入源，包含MTLTexture的数组
    • outputSize：更改输出图像的大小。

• 输出，输出板块

  • C7FilterOutput：输出内容协议，所有输出都必须实现该协议。
    • make：根据滤镜处理生成数据。
    • makeGroup：多个滤镜组合，请注意滤镜添加的顺序可能会影响图像生成的结果。
  • C7FilterImage：基于C7FilterOutput的图像输入源，以下模式仅支持基于并行计算的编码器。
  • C7FilterTexture: 基于C7FilterOutput的纹理输入源，输入纹理转换成滤镜处理纹理。

设计滤镜

• 下面我们就第一款滤镜来分享一下如何设计处理

1. 实现协议 C7FilterProtocal

public protocol C7FilterProtocol {
     /// 编码器类型和对应的函数名
     ///
     /// 计算需要对应的`kernel`函数名
     /// 渲染需要一个`vertex`着色器函数名和一个`fragment`着色器函数名
     var modifier: Modifier { get }
    
     /// 制作缓冲区
     /// 设置修改参数因子，需要转换为`Float`。
     var factors: [Float] { get }
    
     /// 多输入源扩展
     /// 包含 `MTLTexture` 的数组
     var otherInputTextures: C7InputTextures { get }
    
     /// 改变输出图像的大小
     func outputSize（input size：C7Size）-> C7Size
}

2. 编写基于并行计算的核函数着色器。
3. 配置传递参数因子，仅支持Float类型。
4. 配置额外的所需纹理。

举个例子

设计一款灵魂出窍滤镜，

Soul.gif

public struct C7SoulOut: C7FilterProtocol {
    
    /// The adjusted soul, from 0.0 to 1.0, with a default of 0.5
    public var soul: Float = 0.5
    public var maxScale: Float = 1.5
    public var maxAlpha: Float = 0.5
    
    public var modifier: Modifier {
        return .compute(kernel: "C7SoulOut")
    }
    
    public var factors: [Float] {
        return [soul, maxScale, maxAlpha]
    }
    
    public init() { }
}

• 此过滤器需要三个参数：

  • soul：调整后的灵魂，从 0.0 到 1.0，默认为 0.5
  • maxScale：最大灵魂比例
  • maxAlpha：最大灵魂的透明度

• 编写基于并行计算内核函数

kernel void C7SoulOut(texture2d outputTexture [[texture(0)]],
                      texture2d inputTexture [[texture(1)]],
                      constant float *soulPointer [[buffer(0)]],
                      constant float *maxScalePointer [[buffer(1)]],
                      constant float *maxAlphaPointer [[buffer(2)]],
                      uint2 grid [[thread_position_in_grid]]) {
    constexpr sampler quadSampler(mag_filter::linear, min_filter::linear);
    const half4 inColor = inputTexture.read(grid);
    const float x = float(grid.x) / outputTexture.get_width();
    const float y = float(grid.y) / outputTexture.get_height();

    const half soul = half(*soulPointer);
    const half maxScale = half(*maxScalePointer);
    const half maxAlpha = half(*maxAlphaPointer);

    const half alpha = maxAlpha * (1.0h - soul);
    const half scale = 1.0h + (maxScale - 1.0h) * soul;

    const half soulX = 0.5h + (x - 0.5h) / scale;
    const half soulY = 0.5h + (y - 0.5h) / scale;

    const half4 soulMask = inputTexture.sample(quadSampler, float2(soulX, soulY));
    const half4 outColor = inColor * (1.0h - alpha) + soulMask * alpha;

    outputTexture.write(outColor, grid);
}

• 简单使用，由于我这边设计的是基于并行计算管道，所以可以直接生成图片

var filter = C7SoulOut()
filter.soul = 0.5
filter.maxScale = 2.0

/// 直接显示在ImageView
ImageView.image = try? originImage.makeImage(filter: filter)

• 至于上面的动效也很简单，添加一个计时器，然后改变soul值就完事，简单嘛。

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高级用法

• 运算符链式处理

/// 1.转换成BGRA
let filter1 = C7Color2(with: .color2BGRA)

/// 2.调整颗粒度
var filter2 = C7Granularity()
filter2.grain = 0.8

/// 3.调整白平衡
var filter3 = C7WhiteBalance()
filter3.temperature = 5555

/// 4.调整高光阴影
var filter4 = C7HighlightShadow()
filter4.shadows = 0.4
filter4.highlights = 0.5

/// 5.组合操作
let AT = C7FilterTexture.init(texture: originImage.mt.toTexture()!)
let result = AT ->> filter1 ->> filter2 ->> filter3 ->> filter4

/// 6.获取结果
filterImageView.image = result.outputImage()

Mix.png

• 批量操作处理

/// 1.转换成RBGA
let filter1 = C7Color2(with: .color2RBGA)

/// 2.调整颗粒度
var filter2 = C7Granularity()
filter2.grain = 0.8

/// 3.配置灵魂效果
var filter3 = C7SoulOut()
filter3.soul = 0.7

/// 4.组合操作
let group: [C7FilterProtocol] = [filter1, filter2, filter3]

/// 5.获取结果
filterImageView.image = try? originImage.makeGroup(filters: group)

Mix2.png

两种方式都可以处理多滤镜方案，怎么选择就看你心情。✌️

CocoaPods

• 如果要导入 Metal 模块，则需要在 Podfile 中：

pod 'Harbeth'

• 如果要导入 OpenCV 图像模块，则需要在 Podfile 中：

pod 'OpencvQueen'

最后

• 关于滤镜框架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，当然也有大部分滤镜算法是参考GPUImage设计而来。
• 再附上一个开发加速库KJCategoriesDemo地址 喜欢的老板们可以点个星

✌️.