3D LUT 滤镜 shader 源码分析

最近在做滤镜相关的渲染学习，目前大部分 LUT 滤镜代码实现都是参考由 GPUImage 提供的 LookupFilter 的逻辑，整个代码实现不多。参考网上的博文也有各种解释，参考了大量博文之后终于理解了，所以自己重新整理了一份，方便以后阅读理解，对整体代码的实现过程结合LUT的原理进行一个简单整理。

GPUImageLookupFilter shader 源码

 varying highp vec2 textureCoordinate;      
 varying highp vec2 textureCoordinate2;
 
 uniform sampler2D inputImageTexture;  // 目标纹理，对应原始资源
 uniform sampler2D inputImageTexture2; // 查找表纹理，对应LUT图片
 
 uniform lowp float intensity;
 
 void main()
 {
     //获取原始图层颜色
     highp vec4 textureColor = texture2D(inputImageTexture, textureCoordinate);
     
     //获取蓝色通道颜色，textureColor.b 的范围为(0,1)，blueColor 范围为(0,63) 
     highp float blueColor = textureColor.b * 63.0;
     
     //quad1为查找颜色所在左边位置的小正方形
     highp vec2 quad1;
     quad1.y = floor(floor(blueColor) / 8.0);
     quad1.x = floor(blueColor) - (quad1.y * 8.0);
     
     //quad2为查找颜色所在右边位置的小正方形
     highp vec2 quad2;
     quad2.y = floor(ceil(blueColor) / 8.0);
     quad2.x = ceil(blueColor) - (quad2.y * 8.0);
     
     //获取到左边小方形里面的颜色值
     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);
     
    //获取到右边小方形里面的颜色值
     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);
     
     //获取对应位置纹理的颜色 RGBA 值
     lowp vec4 newColor1 = texture2D(inputImageTexture2, texPos1);
     lowp vec4 newColor2 = texture2D(inputImageTexture2, texPos2);
     
     //真正的颜色是 newColor1 和 newColor2 的混合
     lowp vec4 newColor = mix(newColor1, newColor2, fract(blueColor));

     gl_FragColor = mix(textureColor, vec4(newColor.rgb, textureColor.w), intensity);
 }

整个源码的主要逻辑为：查找颜色所在位置的小正方形、查找小正方形内的具体颜色、颜色混合。上面注释已将具体的实现过程描述清楚，但与我们的 LUT 图片割裂，接下来结合 LUT 的实现原理以及具体的数据来形象地描述整个实现流程。

假设我们输入的参数为：
textureColor = ver4(.0, .0, 0.5, 1.0)

查找颜色所在位置的小正方形

我们知道LUT有64个小正方形，目标是为了找到对应小正方形里面的对应的颜色，我们需要先确认是第几个小正方形，正是通过 textureColor.b * 63 查找

带入blueColor -> textureColor.b = 0.5
对 textureColor.b * 63.0 = 31.5

也就是说我们需要第 [31.5] 位置小正方形，但是索引(从0-63共64个)都是正数，对于 31.5 索引 我们该怎么确定是 31 还是第 32 个呢？GPUImage给出的一种插值方式就是两个都要，然后进行一次混合，从而使得值能够俊均匀的在两个小正方形色块中。

具体逻辑为：

quad1.y = floor(floor(blueColor) / 8.0) = 3，确定为小方块在纵坐标索引3，也就是第4行。

quad1.x = floor(blueColor) - (quad1.y * 8.0) = 31 - 24 = 7

也就确定了小方块为(3,7) 也就是第4排第8个。

同理，对于第2个小方块确定的位置为(4,0) 也就是第5排第1个。

quad2.y = floor(ceil(blueColor) / 8.0) = 4

quad2.x = ceil(blueColor) - (quad2.y * 8.0)= 0

查找小正方形内的具体颜色

已经获取到对应的方块了，接下来需要确定方块内的像素的位置了。一般一个LUT的大小为 512x512，由8x8小方块构成，也就是每个方块的的像素为64x64，如下图所示：

计算x坐标的逻辑为：

texPos1.x = (quad1.x * 0.125) + 0.5/512.0 + ((0.125 - 1.0/512.0) * textureColor.r)

这一段是相对比较难理解的，我们可以分几部分进行理解：

第一部分：(quad1.x * 0.125)

我们得到 quad1.x = 7，也就是第8列，*0.125将坐标转化在(0,1)之间，也就是得到在01坐标系内如图红线的位置。

第二部分：((0.125 - 1.0/512.0) * textureColor.r)

我们可以把它当成 (63.0/512.0)* textureColor.r , 63.0/512.0代表着一个512x512中每个小方块的64份数据（为什么是63？别忘了0的存在），textureColor.r 数据在 0-1之间，这样就能确认在第一部分结果基础之上的偏移值。

第三部分：0.5/512.0

这一部分主要是 +0.5 做四舍五入运算，为保证第512行取到的是511.5/512，第1行取到的是 0.5/512.0。

同理，计算y的坐标，以及计算另一个小正方形内的位置是一样的。

最后在通过对从两个小正方形获取到的颜色进行 mix，并返回给着色器，GPU再对原始图像进行每一个像素点绘制，从而实现滤镜的效果。

总结

LUT 对应的 Shader 执行过程主要为：查找颜色所在位置的小正方形、查找小正方形内的具体颜色、颜色混合，整个流程都比较好理解，但代码相对而言比较难理解，网上看了很多其他的大佬写的一些文章，最开始自己看的时候也是很难理解的，后面终于悟了，所以想通过自己的理解，尽力更形象地解释（虽然可能也没有很形象），如果还有什么疑问，欢迎一起交流学习。