iOS 利用 Metal 实现滤镜与动效滤镜

网罗开发

发布于 2022-03-25 16:24:21

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功能清单

🟣 目前，Metal Moudle[1] 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
支持矩阵卷积
滤镜部分大致分为以下几个模块：
- Blend[2]：图像融合技术
- Blur[3]：模糊效果
- ColorProcess[4]：图像的基本像素颜色处理
- Effect[5]：效果处理
- Lookup[6]：查找表过滤器
- Matrix[7]: 矩阵卷积滤波器
- Shape[8]：图像形状大小相关

总结下来目前共有`100+`种滤镜供您使用。

主要部分

核心，基础核心板块
- 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。
- C7FilterProtocol[9]：滤镜设计必须遵循此协议。
输出，输出板块
- 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。
- C7FilterOutput[10]：输出内容协议，所有输出都必须实现该协议。
- C7FilterImage[11]：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[12]: 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

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
}

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

举个例子

设计一款灵魂出窍滤镜，

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<half, access::write> outputTexture [[texture(0)]],
                      texture2d<half, access::sample> 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()

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)