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
}
  1. 编写基于并行计算的核函数着色器。
  2. 配置传递参数因子,仅支持Float类型。
  3. 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。

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

✌️.

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