OpenGL ES 案例：灰度+颠倒+马赛克（3种）滤镜

本案例的目的是理解如何用GLSL实现灰度+颠倒+马赛克（共5种）滤镜

整体的效果图如下：

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准备工作的代码与分频demo中一致，只需要修改相应的底部item数组及对应的着色器名称等，这里不再说明这部分内容
顶点着色器也没有任何变化，主要是片元着色器中的实现滤镜算法

下面只针对滤镜的自定义片元着色器中的GLSL代码进行解释说明

灰度滤镜

灰度滤镜的实现原理是让RGB值保持一个平衡并填充，或者只保留一个亮度值，即绿色，在人眼中，绿色的亮度是最显眼的，绿色值越深，在肉眼观察中图片越暗淡，这是眼睛的一种生理现象。

灰度滤镜的算法一共有5种，大致分为3类

权值法：处理后的图片比较逼真
- 浮点算法：Gray = R*0.3 + G*0.59 + B*0.11 (RGB的权重总和为1)
- 整数方法：Gray = （R*30 + G*59 + B*11）/100（RGB的权重总和为100)
- 移位方法：Gray = （R*76 + G*151 + B*28）>>8
平均值法：Gray = （R+G+B）/3，处理后的图片比较柔和
仅取绿色：Gray = G，这种方式方便简单，且易用

在片元着色器中分别使用浮点算法和仅取绿色实现灰度滤镜算法。

浮点算法：这里的RGB权重取自GPUImage框架

precision highp float;
uniform sampler2D Texture;
varying vec2 TextureCoordsVarying;

//RGB的变换因子，即权重值
const highp vec3 W = vec3(0.2125, 0.7154, 0.0721);

void main(){
    //获取对应纹理坐标系下色颜色值
    vec4 mask = texture2D(Texture, TextureCoordsVarying);

    //将颜色mask 与 变换因子相乘得到灰度值
    float luminance = dot(mask.rgb, W);

    //将灰度值转换为(luminance,luminance,luminance,mask.a)并填充到像素中
    gl_FragColor = vec4(vec3(luminance), 1.0);
}

仅取绿色

precision highp float;
uniform sampler2D Texture;
varying vec2 TextureCoordsVarying;

void main(){
    //获取对应纹理坐标系下色颜色值
    vec4 mask = texture2D(Texture, TextureCoordsVarying);

    //将RGB全部设置为G，即GRB全部取绿色值
    gl_FragColor = vec4(mask.g, mask.g, mask.g, 1.0);
}

效果图如下所示

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除了自定义着色器外，还可以通过GPUImage、iOS原生的CoreImage实现灰度滤镜。选择哪种方式，需要根据需求而定。

颠倒滤镜

说到颠倒图片，之前在翻转解决方案博文中讲了几种颠倒图片翻转的方式，图片一开始是倒置的，为什么还要翻转在颠倒呢？原因是一开始颠倒的图片如果不翻转，会影响其他滤镜效果的显示，颠倒滤镜只是一个滤镜效果，不会影响其他滤镜效果。

在片元着色器中，翻转纹理坐标y值，实现颠倒滤镜

precision highp float;
uniform sampler2D Texture;
varying vec2 TextureCoordsVarying;

void main(){

    vec4 mask = texture2D(Texture, vec2(TextureCoordsVarying.x, 1.0-TextureCoordsVarying.y));
    gl_FragColor = vec4(mask.rgb, 1.0);
}

马赛克滤镜

主要是实现不同马赛克样式的滤镜，主要有以下三种样式

正方形
六边形
三角形

不同马赛克样式，对应不同的滤镜算法，如图所示

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正方形马赛克

正方形马赛克原理：把图片的一个相当大小的区域用同一个颜色值来表示，可以认为是大规模的降低图像的分辨率，从而让图像的一些细节隐藏起来

滤镜算法主要有以下几步：

根据纹理坐标计算实际图像中的位置，相当于将纹理颜色区放大
计算出一个小马赛克的坐标，即找到马赛克提取颜色值的像素点
将马赛克坐标换算回纹理坐标，即将纹理颜色区缩小
如图所示

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片元着色中的滤镜算法实现如下

precision highp float;
//纹理坐标
uniform sampler2D Texture;
//纹理采样器
varying vec2 TextureCoordsVarying;
//纹理图片size
const vec2 TexSize = vec2(400.0, 400.0);
//马赛克size
const vec2 MosaicSize = vec2(16.0, 16.0);

void main(){
    //计算实际图像位置
    vec2 intXY = vec2(TextureCoordsVarying.x * TexSize.x, TextureCoordsVarying.y * TexSize.y);

    //floor(x) 内建函数，返回小于/等于x最大的整数，即向下取整
    //floor(intXY.x/mosaicSize.x)*mosaicSize.x 计算出一个小马赛克的坐标
    vec2 XYMosaic = vec2(floor(intXY.x/MosaicSize.x)*MosaicSize.x, floor(intXY.y/MosaicSize.y)*MosaicSize.y);

    //换算回纹理坐标，此时的纹理坐标是小马赛克的部分的纹理坐标，即某一个色块
    vec2 UVMosaic = vec2(XYMosaic.x/TexSize.x, XYMosaic.y/TexSize.y);
    //获取到马赛克后的纹理坐标的颜色值
    vec4 color = texture2D(Texture, UVMosaic);
    //将马赛克颜色值赋值给gl_FragColor
    gl_FragColor = color;
}

六边形马赛克

六边形马赛克原理：将一张图片，分割成由六边形组成，再取每个六边形的中心点画出一个个的矩形，根据矩形的奇偶排列情况求出对应的2个中心点，并计算纹理坐标与两个中心点的距离，根据距离判断，采取就近原则，当前的六边形就采用近的中心点的颜色值。

将图片分割成六边形，六边形中心点画出矩形后的呈现如下所示

image

滤镜算法主要实现步骤有：

设置矩形的长宽比例值TR、TB（TB：TR 符合比例 3：√3）
其中长宽比为3：√3，计算过程如下：

image
获取纹理坐标的x，y
根据纹理坐标计算对应的矩形坐标wx、wy
假设矩阵的比例为3*len：√3*len，那么纹理坐标（x，y）对应的矩阵坐标为

image
根据行列的奇偶情况，求对应的中心点纹理坐标v1、v2
- 偶行偶列：（0，0）（1，1）/，即左上、右下
- 偶行奇列：（0，1）（1，0）\，即左下、右上
- 奇行偶列：（0，1）（1，0）\，即左下、右上
- 奇行奇列：（0，0）（1，1）/，即左上、右下
  最终汇总起来也只有2种情况，（0，0）（1，1）和（0，1）（1，0），如下图所示
  
  image

其中单个矩阵中，4个点的坐标计算公式如下：

对于计算中的wx+1，拿（1，0）点来说，wx+1等同于（1，0）与（0，0）之间相差一个矩形的长，这个长度为1，为了得到（1，0）点的坐标，要在（0，0）点坐标的基础上，将wx增加一个长
对于计算中的wy+1，拿（0，1）点来说，wy+1等同于（0，0）与（0，1）之间相差一个矩形的高，这个长度为1，为了得到（0，1）点的坐标，要在（0，0）点坐标的基础上，将wy增加一个高

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根据距离公式求像素点距离两个中心点的距离s1、s2
- s1 = √（（v1.x-x）² + （v1.y-y）²）
- s2 = √（（v2.x-x）² + （v2.y-y）²）
  如图所示，
  
  image
根据求出的距离，判断离哪个中心点近，就取哪个六边形的中心点颜色值为六边形的颜色值

片元着色器代码

precision highp float;
uniform sampler2D Texture;
varying vec2 TextureCoordsVarying;
//六边形的边长
const float mosaicSize = 0.03;

void main(){

    float length = mosaicSize;
    //矩形的高的比例为√3，取值 √3/2 ，也可以直接取√3
    float TR = 0.866025;
    //矩形的长的比例为3，取值 3/2 = 1.5，也可以直接取3
    float TB = 1.5;

    //取出纹理坐标
    float x = TextureCoordsVarying.x;
    float y = TextureCoordsVarying.y;

    //根据纹理坐标计算出对应的矩阵坐标 
    //即 矩阵坐标wx = int（纹理坐标x/ 矩阵长），矩阵长 = TB*len
    //即 矩阵坐标wy = int（纹理坐标y/ 矩阵宽），矩阵宽 = TR*len
    int wx = int(x / TB / length);
    int wy = int(y / TR / length);
    vec2 v1, v2, vn;

    //判断wx是否为偶数，等价于 wx % 2 == 0
    if (wx/2 * 2 == wx) {
        if (wy/2 * 2 == wy) {//偶行偶列
            //(0,0),(1,1)
            v1 = vec2(length * TB * float(wx), length * TR * float(wy));
            v2 = vec2(length * TB * float(wx+1), length * TR * float(wy+1));
        }else{//偶行奇列
            //(0,1),(1,0)
            v1 = vec2(length * TB * float(wx), length * TR * float(wy+1));
            v2 = vec2(length * TB * float(wx+1), length * TR * float(wy));
        }
    }else{
        if (wy/2 * 2 == wy) {//奇行偶列
            //(0,1),(1,0)
            v1 = vec2(length * TB * float(wx), length * TR * float(wy+1));
            v2 = vec2(length * TB * float(wx+1), length * TR * float(wy));
        }else{//奇行奇列
            //(0,0),(1,1)
            v1 = vec2(length * TB * float(wx), length * TR * float(wy));
            v2 = vec2(length * TB * float(wx+1), length * TR * float(wy+1));
        }
    }
    //利用距离公式，计算中心点与当前像素点的距离
    float s1 = sqrt(pow(v1.x-x, 2.0) + pow(v1.y-y, 2.0));
    float s2 = sqrt(pow(v2.x-x, 2.0) + pow(v2.y-y, 2.0));

    //选择距离小的则为六边形的中心点，且获取它的颜色
    vn = (s1 < s2) ? v1 : v2;
    //获取六边形中心点的颜色值
    vec4 color = texture2D(Texture, vn);
    gl_FragColor = color;
}

三角形马赛克

原理：三角形马赛克是由六边形马赛克演变而来，得到三角形的前提，就是的先有六边形，然后将正六边形6等分，每个三角形都是正三角形，然后求出纹理坐标与中心点的夹角，同时求出三角形的中心点，根据夹角判断，夹角属于哪个三角形，就将该三角形的中心点颜色作为整个三角形的纹素

三角形滤镜算法步骤是在六边形滤镜算法的步骤上增加以下步骤：

求出当前像素点与纹理中心点的夹角
如下图所示，纹理坐标为（x，y），中心点为vn，求夹角

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计算6个三角形的中心点

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判断夹角属于哪个三角形，则获取哪个三角形的中心点坐标
其中，不同三角形的夹角范围如图所示

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片元着色器代码：在六边形滤镜算法（即 vn = (s1 < s2) ? v1 : v2;）后增加如下代码

    //获取像素点与中心点的角度
   float a = atan((x-vn.x)/(y-vn.y));

    //判断夹角，属于哪个三角形，则获取哪个三角形的中心点坐标
    vec2 area1 = vec2(vn.x, vn.y - mosaicSize * TR / 2.0);
    vec2 area2 = vec2(vn.x + mosaicSize / 2.0, vn.y - mosaicSize * TR / 2.0);
    vec2 area3 = vec2(vn.x + mosaicSize / 2.0, vn.y + mosaicSize * TR / 2.0);
    vec2 area4 = vec2(vn.x, vn.y + mosaicSize * TR / 2.0);
    vec2 area5 = vec2(vn.x - mosaicSize / 2.0, vn.y + mosaicSize * TR / 2.0);
    vec2 area6 = vec2(vn.x - mosaicSize / 2.0, vn.y - mosaicSize * TR / 2.0);

    if (a >= PI6 && a < PI6 * 3.0) {
        vn = area1;
    }else if (a >= PI6 * 3.0 && a < PI6 * 5.0){
        vn = area2;
    }else if ((a >= PI6 * 5.0 && a <= PI6 * 6.0) || (a < -PI6 * 5.0 && a > -PI6 * 6.0)){
        vn = area3;
    }else if (a < -PI6 * 3.0 && a >= -PI6 * 5.0){
        vn = area4;
    }else if (a <= -PI6 && a > -PI6 * 3.0){
        vn = area5;
    }else if (a > -PI6 && a < PI6){
        vn = area6;
    }
    //获取对应三角形重心的颜色值
    vec4 color = texture2D(Texture, vn);
    // 将颜色值填充到片元着色器内置变量gl_FragColor
    gl_FragColor = color;

atan是GLSL中的内建函数，有两种计算方式
1、atan(y,x) 值域是[0，π],
2、atan(y/x),值域是[-π/2, π/2]