iOS GPUImage实时美颜滤镜

作者: 路漫漫其修远兮Wzt | 来源:发表于2018-05-08 11:42 被阅读169次

1.背景

前段时间由于项目需求，做了一个基于GPUImage的实时美颜滤镜。现在各种各样的直播、视频App层出不穷，美颜滤镜的需求也越来越多。为了回馈开源，现在我把它放到了GitHub上面，感兴趣的朋友可以去下载。下面将主要介绍实现美颜滤镜的原理和思路。

2. GPUImage

GPUImage是一个开源的基于GPU的图片或视频的处理框架，其本身内置了多达120多种常见的滤镜效果。有了它，添加实时的滤镜只需要简单地添加几行代码。下面的例子是以摄像头的数据为源，对其实时地进行反色的操作(类似相片底片的效果)：

self.videoCamera = [[GPUImageVideoCamera alloc] initWithSessionPreset:AVCaptureSessionPreset640x480 cameraPosition:AVCaptureDevicePositionFront];

self.videoCamera.outputImageOrientation = UIInterfaceOrientationPortrait;

self.videoCamera.horizontallyMirrorFrontFacingCamera = YES;

GPUImageColorInvertFilter *invert = [[GPUImageColorInvertFilter alloc] init];

[self.videoCamera addTarget:invert];

self.filterView = [[GPUImageView alloc] initWithFrame:self.view.frame];

self.filterView.center = self.view.center;

[self.view addSubview:self.filterView];

[invert addTarget:self.filterView];

[self.videoCamera startCameraCapture];

其实美颜也是一样，如果有这么一个美颜的滤镜（姑且叫做GPUImageBeautifyFilter)，那么只需要把上面代码中的GPUImageColorInvertFilter替换成GPUImageBeautifyFilter即可。我们只需要做一个GPUImageBeautifyFilter就能实现实时美颜了，问题来了，到底什么算是美颜呢？我的理解是，大家对于美颜比较常见的需求就是磨皮、美白。当然提高饱和度、提亮之类的就根据需求而定。本文将着重介绍磨皮的实现（实际上GPUImageBeautifyFilter也实现了美白、提亮等效果）。

3. 磨皮

磨皮的本质实际上是模糊。而在图像处理领域，模糊就是将像素点的取值与周边的像素点取值相关联。而我们常见的高斯模糊，它的像素点取值则是由周边像素点求加权平均所得，而权重系数则是像素间的距离的高斯函数，大致关系是距离越小、权重系数越大。下图3.1是高斯模糊效果的示例:

高斯模糊效果图3.1

2031820-fdd32650fdf06567.png

如果单单使用高斯模糊来磨皮，得到的效果是不尽人意的。原因在于，高斯模糊只考虑了像素间的距离关系，没有考虑到像素值本身之间的差异。举个例子来讲，头发与人脸分界处（颜色差异很大，黑色与人皮肤的颜色），如果采用高斯模糊则这个边缘也会模糊掉，这显然不是我们希望看到的。而双边滤波(Bilateral Filter) 则考虑到了颜色的差异，它的像素点取值也是周边像素点的加权平均，而且权重也是高斯函数。不同的是，这个权重不仅与像素间距离有关，还与像素值本身的差异有关，具体讲是，像素值差异越小，权重越大，也是这个特性让它具有了保持边缘的特性，因此它是一个很好的磨皮工具。下图3.2是双边滤波的效果示例：

双边滤波效果图3.2

2031820-b71a296c14de8ab8.png

对比3.1和3.2，双边滤波效果确实在人脸细节部分保留得更好，因此我采用了双边滤波作为磨皮的基础算法。双边滤波在GPUImage中也有实现，是GPUImageBilateralFilter。
根据图3.2，可以看到图中仍有部分人脸的细节保护得不够，还有我们并不希望将人的头发也模糊掉（我们只需要对皮肤进行处理）。由此延伸出来的改进思路是结合双边滤波，边缘检测以及肤色检测。整体逻辑如下：

2031820-bd560df591a6b26e.png

Combination Filter是我们自己定义的三输入的滤波器。三个输入分别是原图像A(x, y),双边滤波后的图像B(x, y），边缘图像C(x, y)。其中A,B,C可以看成是图像矩阵，(x,y)可以看成其中某一像素的坐标。Combination Filter的处理逻辑如下图：

2031820-558663036aa5e18f.png

下面是主要的shader代码：

NSString *const kGPUImageBeautifyFragmentShaderString = SHADER_STRING

(

varying highp vec2 textureCoordinate;

varying highp vec2 textureCoordinate2;

varying highp vec2 textureCoordinate3;

uniform sampler2D inputImageTexture;

uniform sampler2D inputImageTexture2;

uniform sampler2D inputImageTexture3;

uniform mediump float smoothDegree;

void main()

{

highp vec4 bilateral = texture2D(inputImageTexture, textureCoordinate);

highp vec4 canny = texture2D(inputImageTexture2, textureCoordinate2);

highp vec4 origin = texture2D(inputImageTexture3,textureCoordinate3);

highp vec4 smooth;

lowp float r = origin.r;

lowp float g = origin.g;

lowp float b = origin.b;

if (canny.r < 0.2 && r > 0.3725 && g > 0.1568 && b > 0.0784 && r > b && (max(max(r, g), b) - min(min(r, g), b)) > 0.0588 && abs(r-g) > 0.0588) {

smooth = (1.0 - smoothDegree) * (origin - bilateral) + bilateral;

}

else {

smooth = origin;

}

gl_FragColor = smooth;

}

);

Combination Filter通过肤色检测和边缘检测，只对皮肤和非边缘部分进行处理。下面是采用这种方式进行磨皮之后的效果图:

最终磨皮效果图3.3

2031820-7320d9b7d2c9809d.png

对比3.3与3.2，可以看到3.3对人脸细节的保护更好，同时对于面部磨皮效果也很好，给人感觉更加真实。

4.延伸

我所采用的磨皮算法是基于双边滤波的，主要是考虑到它同时结合了像素间空间距离以及像素值本身的差异。当然也不一定要采用双边滤波，也有通过改进高斯模糊（结合像素值差异）来实现磨皮的，甚至能取得更好的效果。另外GPUImageBeautifyFilter不仅仅具有磨皮功能，也实现了log曲线调色，亮度、饱和度的调整，具体详情可以参见demo 。

其他相关GPUImage的研究：

图像处理之GPUImage图片滤镜
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/53507016

图像处理之CPU图片滤镜
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/53518322

图像处理之CoreImage图片滤镜
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/53518529

iOS GPUImage研究序一：内置滤镜：
http://blog.csdn.net/Xoxo_x/article/details/57082804

iOS GPUImage研究二：捕获图像stillCamera写入相册
http://blog.csdn.net/Xoxo_x/article/details/57086446

iOS GPUImage研究三：视频采集并添加实时滤镜
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/58357978

iOS GPUImage研究四：为视频文件添加滤镜
http://blog.csdn.net/Xoxo_x/article/details/58818703

iOS GPUImage研究五：短视频拍摄(滤镜、文件写入)
http://blog.csdn.net/Xoxo_x/article/details/70198469

iOS GPUImage研究六：为视频添加图片水印
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/71055867

iOS GPUImage研究七：动态相册初探(水印)
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/71076584

将图片保存到本地
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/53517878

基于IM实现直播礼物效果
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/52044388

GPUImage之为视频添加10种原生滤镜
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/52749033

GPUImage–流行的美颜滤镜GPUImageBeautifyFilter
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/52743107

GPUImage基于OpenGL ES 2.0,比基于CPU的图形和视频处理更快速.
GPUImage把OpenGL ES封装为简洁的Objective-C接口.

学习资料

GPUImage详细解析(一)
http://url.cn/2FwjqIr
GPUImage详细解析（二）
http://url.cn/2GsW2qg
GPUImage详细解析（三）- 实时美颜滤镜
http://url.cn/2F0SKgR
GPUImage详细解析（四）模糊图片处理
http://url.cn/2GX6JEQ
GPUImage详细解析（五）滤镜视频录制
http://url.cn/2GHCo71
GPUImage详细解析（六）-用视频做视频水印
http://url.cn/2JrhR7V
GPUImage详细解析（七）文字水印和动态图像水印
http://url.cn/2IzRshs
GPUImage详细解析（八）视频合并混音
http://url.cn/2DmUYiA
GPUImage详细解析（九）图像的输入输出和滤镜通道
http://url.cn/2EFjlGp 收起

下载GPUImage，地址：https://github.com/BradLarson/GPUImage
共125个滤镜, 分为四类

    1、Color adjustments: 31 filters, 颜色处理相关
    2、Image processing: 40 filters, 图像处理相关.
    3、Blending modes: 29 filters, 混合模式相关.
    4、Visual effects: 25 filters, 视觉效果相关.

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "GPUImageBrightnessFilter.h"                   //亮度
#import "GPUImageExposureFilter.h"                  //曝光
#import "GPUImageContrastFilter.h"                  //对比度
#import "GPUImageSaturationFilter.h"                //饱和度
#import "GPUImageGammaFilter.h"                     //伽马线
#import "GPUImageColorInvertFilter.h"               //反色
#import "GPUImageSepiaFilter.h"                     //褐色（怀旧）
#import "GPUImageLevelsFilter.h"                    //色阶
#import "GPUImageGrayscaleFilter.h"                 //灰度
#import "GPUImageHistogramFilter.h"                 //色彩直方图，显示在图片上
#import "GPUImageHistogramGenerator.h"              //色彩直方图
#import "GPUImageRGBFilter.h"                       //RGB
#import "GPUImageToneCurveFilter.h"                 //色调曲线
#import "GPUImageMonochromeFilter.h"                //单色
#import "GPUImageOpacityFilter.h"                   //不透明度
#import "GPUImageHighlightShadowFilter.h"           //提亮阴影
#import "GPUImageFalseColorFilter.h"                //色彩替换（替换亮部和暗部色彩）
#import "GPUImageHueFilter.h"                       //色度
#import "GPUImageChromaKeyFilter.h"                 //色度键
#import "GPUImageWhiteBalanceFilter.h"              //白平横
#import "GPUImageAverageColor.h"                    //像素平均色值
#import "GPUImageSolidColorGenerator.h"             //纯色
#import "GPUImageLuminosity.h"                      //亮度平均
#import "GPUImageAverageLuminanceThresholdFilter.h" //像素色值亮度平均，图像黑白（有类似漫画效果）
#import "GPUImageLookupFilter.h"                    //lookup 色彩调整
#import "GPUImageAmatorkaFilter.h"                  //Amatorka lookup
#import "GPUImageMissEtikateFilter.h"               //MissEtikate lookup
#import "GPUImageSoftEleganceFilter.h"              //SoftElegance lookup
#pragma mark - 图像处理 Handle Image
#import "GPUImageCrosshairGenerator.h"              //十字
#import "GPUImageLineGenerator.h"                   //线条
#import "GPUImageTransformFilter.h"                 //形状变化
#import "GPUImageCropFilter.h"                      //剪裁
#import "GPUImageSharpenFilter.h"                   //锐化
#import "GPUImageUnsharpMaskFilter.h"               //反遮罩锐化
//#import "GPUImageFastBlurFilter.h"                  //模糊
#import "GPUImageGaussianBlurFilter.h"              //高斯模糊
#import "GPUImageGaussianSelectiveBlurFilter.h"     //高斯模糊，选择部分清晰
#import "GPUImageBoxBlurFilter.h"                   //盒状模糊
#import "GPUImageTiltShiftFilter.h"                 //条纹模糊，中间清晰，上下两端模糊
#import "GPUImageMedianFilter.h"                    //中间值，有种稍微模糊边缘的效果
#import "GPUImageBilateralFilter.h"                 //双边模糊
#import "GPUImageErosionFilter.h"                   //侵蚀边缘模糊，变黑白
#import "GPUImageRGBErosionFilter.h"                //RGB侵蚀边缘模糊，有色彩
#import "GPUImageDilationFilter.h"                  //扩展边缘模糊，变黑白
#import "GPUImageRGBDilationFilter.h"               //RGB扩展边缘模糊，有色彩
#import "GPUImageOpeningFilter.h"                   //黑白色调模糊
#import "GPUImageRGBOpeningFilter.h"                //彩色模糊
#import "GPUImageClosingFilter.h"                   //黑白色调模糊，暗色会被提亮
#import "GPUImageRGBClosingFilter.h"                //彩色模糊，暗色会被提亮
#import "GPUImageLanczosResamplingFilter.h"         //Lanczos重取样，模糊效果
#import "GPUImageNonMaximumSuppressionFilter.h"     //非最大抑制，只显示亮度最高的像素，其他为黑
#import "GPUImageThresholdedNonMaximumSuppressionFilter.h" //与上相比，像素丢失更多
#import "GPUImageSobelEdgeDetectionFilter.h"        //Sobel边缘检测算法(白边，黑内容，有点漫画的反色效果)
#import "GPUImageCannyEdgeDetectionFilter.h"        //Canny边缘检测算法（比上更强烈的黑白对比度）
#import "GPUImageThresholdEdgeDetectionFilter.h"    //阈值边缘检测（效果与上差别不大）
#import "GPUImagePrewittEdgeDetectionFilter.h"      //普瑞维特(Prewitt)边缘检测(效果与Sobel差不多，貌似更平滑)
#import "GPUImageXYDerivativeFilter.h"              //XYDerivative边缘检测，画面以蓝色为主，绿色为边缘，带彩色
#import "GPUImageHarrisCornerDetectionFilter.h"     //Harris角点检测，会有绿色小十字显示在图片角点处
#import "GPUImageNobleCornerDetectionFilter.h"      //Noble角点检测，检测点更多
#import "GPUImageShiTomasiFeatureDetectionFilter.h" //ShiTomasi角点检测，与上差别不大
#import "GPUImageMotionDetector.h"                  //动作检测
#import "GPUImageHoughTransformLineDetector.h"      //线条检测
#import "GPUImageParallelCoordinateLineTransformFilter.h" //平行线检测
#import "GPUImageLocalBinaryPatternFilter.h"        //图像黑白化，并有大量噪点
#import "GPUImageLowPassFilter.h"                   //用于图像加亮
#import "GPUImageHighPassFilter.h"                  //图像低于某值时显示为黑

#pragma mark - 视觉效果 Visual Effect
#import "GPUImageSketchFilter.h"                    //素描
#import "GPUImageThresholdSketchFilter.h"           //阀值素描，形成有噪点的素描
#import "GPUImageToonFilter.h"                      //卡通效果（黑色粗线描边）
#import "GPUImageSmoothToonFilter.h"                //相比上面的效果更细腻，上面是粗旷的画风
#import "GPUImageKuwaharaFilter.h"                  //桑原(Kuwahara)滤波,水粉画的模糊效果；处理时间比较长，慎用
#import "GPUImageMosaicFilter.h"                    //黑白马赛克
#import "GPUImagePixellateFilter.h"                 //像素化
#import "GPUImagePolarPixellateFilter.h"            //同心圆像素化
#import "GPUImageCrosshatchFilter.h"                //交叉线阴影，形成黑白网状画面
#import "GPUImageColorPackingFilter.h"              //色彩丢失，模糊（类似监控摄像效果）

#import "GPUImageVignetteFilter.h"                  //晕影，形成黑色圆形边缘，突出中间图像的效果
#import "GPUImageSwirlFilter.h"                     //漩涡，中间形成卷曲的画面
#import "GPUImageBulgeDistortionFilter.h"           //凸起失真，鱼眼效果
#import "GPUImagePinchDistortionFilter.h"           //收缩失真，凹面镜
#import "GPUImageStretchDistortionFilter.h"         //伸展失真，哈哈镜
#import "GPUImageGlassSphereFilter.h"               //水晶球效果
#import "GPUImageSphereRefractionFilter.h"          //球形折射，图形倒立

#import "GPUImagePosterizeFilter.h"                 //色调分离，形成噪点效果
#import "GPUImageCGAColorspaceFilter.h"             //CGA色彩滤镜，形成黑、浅蓝、紫色块的画面
#import "GPUImagePerlinNoiseFilter.h"               //柏林噪点，花边噪点
#import "GPUImage3x3ConvolutionFilter.h"            //3x3卷积，高亮大色块变黑，加亮边缘、线条等
#import "GPUImageEmbossFilter.h"                    //浮雕效果，带有点3d的感觉
#import "GPUImagePolkaDotFilter.h"                  //像素圆点花样
#import "GPUImageHalftoneFilter.h"                  //点染,图像黑白化，由黑点构成原图的大致图形

#pragma mark - 混合模式 Blend

#import "GPUImageMultiplyBlendFilter.h"             //通常用于创建阴影和深度效果
#import "GPUImageNormalBlendFilter.h"               //正常
#import "GPUImageAlphaBlendFilter.h"                //透明混合,通常用于在背景上应用前景的透明度
#import "GPUImageDissolveBlendFilter.h"             //溶解
#import "GPUImageOverlayBlendFilter.h"              //叠加,通常用于创建阴影效果
#import "GPUImageDarkenBlendFilter.h"               //加深混合,通常用于重叠类型
#import "GPUImageLightenBlendFilter.h"              //减淡混合,通常用于重叠类型
#import "GPUImageSourceOverBlendFilter.h"           //源混合
#import "GPUImageColorBurnBlendFilter.h"            //色彩加深混合
#import "GPUImageColorDodgeBlendFilter.h"           //色彩减淡混合
#import "GPUImageScreenBlendFilter.h"               //屏幕包裹,通常用于创建亮点和镜头眩光
#import "GPUImageExclusionBlendFilter.h"            //排除混合
#import "GPUImageDifferenceBlendFilter.h"           //差异混合,通常用于创建更多变动的颜色
#import "GPUImageSubtractBlendFilter.h"             //差值混合,通常用于创建两个图像之间的动画变暗模糊效果
#import "GPUImageHardLightBlendFilter.h"            //强光混合,通常用于创建阴影效果
#import "GPUImageSoftLightBlendFilter.h"            //柔光混合
#import "GPUImageChromaKeyBlendFilter.h"            //色度键混合
#import "GPUImageMaskFilter.h"                      //遮罩混合
#import "GPUImageHazeFilter.h"                      //朦胧加暗
#import "GPUImageLuminanceThresholdFilter.h"        //亮度阈
#import "GPUImageAdaptiveThresholdFilter.h"         //自适应阈值
#import "GPUImageAddBlendFilter.h"                  //通常用于创建两个图像之间的动画变亮模糊效果
#import "GPUImageDivideBlendFilter.h"               //通常用于创建两个图像之间的动画变暗模糊效果

iOS GPUImage实时美颜滤镜

1.背景

2. GPUImage

3. 磨皮

4.延伸

其他相关GPUImage的研究：

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