GLSL实现图像处理

今天晚上没事将以前弄的OPENGL着色语言实现滤镜效果的实现和大家分享一下，滤镜主要包括图像的对比度调整、浮雕效果、彩色图片灰度化、卷积等操作。

这些操作其本质上是属于图像处理的东西，OpenGL实现图像处理主要是用到了GLSL着色语言。具体到着色器就是片段着色器。

说白了就是如何用OpenGL做通用GPU计算，OpenGL做通用计算的步骤主要如下：

读取数据->顶点着色器->片段着色器->渲染到纹理->从纹理读写数据。

步骤具体细化如下：

（1）初始化。

初始化窗口系统。

void InitGLUT(int argc,char**argv)

{

glutInit(&argc,argv);

glutWindow = glutCreateWindow("GPGPU");

}

初始化FBO。在此阶段还需要将投影设置为正摄投影的方式，视口与图像的幅宽一样大，并且还要讲纹理重采样方式设置为最邻近采样，这样就保证了片段操作的时候取得每个数据都是原始数据。

void InitFBO(int nWidth,intnHeight,GLuint*pFb)

{

//创建FBO并绑定

glewInit();

GLuint fb;

glGenFramebuffersEXT(1,&fb);

glBindFramebufferEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT,fb);

*pFb = fb;

//用绘制来调用

glMatrixMode(GL_PROJECTION);

glLoadIdentity();

gluOrtho2D(0,nWidth,0,nHeight);

glMatrixMode(GL_MODELVIEW);

glLoadIdentity();

glViewport(0,0,nWidth,nHeight);

}

初始化shader，包括从文件中读取数据以及编译等操作。

void InitGLSL()

{

//创建顶点shader

vertShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);

if( 0 == vertShader)

{

fprintf(stderr,"Error creating vertex shader.\n");

exit(1);

}

GLint result;

//加载片元着色器

fragShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);

if( 0 == fragShader)

{

fprintf(stderr,"片元着色器创建失败.\n");

exit(1);

}

//c拷贝shader源码

const GLchar *shaderCode2 = loadShaderAsString("BrightNess.glsl");

glShaderSource( fragShader,1, &shaderCode2, NULL );

delete []shaderCode2;

//编译shader

glCompileShader(fragShader);

//检查编译状态

glGetShaderiv( fragShader,GL_COMPILE_STATUS, &result );

if (GL_FALSE ==result)

{

fprintf( stderr,"片元着色器编译失败!\n" );

GLint logLen;

glGetShaderiv( fragShader,GL_INFO_LOG_LENGTH, &logLen );

if( logLen > 0)

{

char * log = (char *)malloc(logLen);

GLsizei written;

glGetShaderInfoLog(fragShader,logLen, &written,log);

fprintf(stderr,"Shaderlog:\n%s", log);

free(log);

}

//创建程序对象

programHandle = glCreateProgram();

if( 0 == programHandle)

{

fprintf(stderr,"Error creating program object.\n");

exit(1);

}

//将着色器链接到程序对象

glAttachShader(programHandle,fragShader);

//链接程序

glLinkProgram(programHandle);

//检查链接状态

GLint status;

glGetProgramiv( programHandle,GL_LINK_STATUS, &status );

if( GL_FALSE == status )

{

fprintf( stderr,"链接失败!\n" );

GLint logLen;

glGetProgramiv(programHandle,GL_INFO_LOG_LENGTH,

&logLen);

if( logLen > 0)

{

char * log = (char *)malloc(logLen);

GLsizei written;

glGetProgramInfoLog(programHandle,logLen,

&written, log);

fprintf(stderr,"Program log: \n%s",log);

free(log);

}

glDeleteProgram(programHandle);

}

else

{

glUseProgram(programHandle);

}

（2）创建纹理对象以及设置参数

这里需要创建两个纹理对象，一个用于输入图像，另外一个用于保存输出的结果，即将保存结果的纹理对象绑定到帧缓存对象上，即实现渲染到纹理的目标。

//创建纹理对象并绑定

GLuint xTexID,yTexID;

glGenTextures(1,&xTexID);

glGenTextures(1,&yTexID);

设置纹理属性如下：

void SetupTexture(stTextureParatextureParameters,constGLuinttexID,int nWidth,int nHeight)

{

glBindTexture(textureParameters.texTarget,texID);

//设置纹理参数

glTexParameteri(textureParameters.texTarget,GL_TEXTURE_MIN_FILTER,GL_NEAREST);

glTexParameteri(textureParameters.texTarget,GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_NEAREST);

glTexParameteri(textureParameters.texTarget,GL_TEXTURE_WRAP_S,GL_CLAMP);

glTexParameteri(textureParameters.texTarget,GL_TEXTURE_WRAP_T,GL_CLAMP);

//定义纹理数据单元类型

glTexImage2D(textureParameters.texTarget,0,textureParameters.texInternalFormat,nWidth,nHeight,0,

textureParameters.texFormat,GL_FLOAT,0);

}

然后将输入数据加载到输入纹理缓存上面

//传入输入数据

glBindTexture(textureParameters.texTarget,xTexID);

glTexSubImage2D(textureParameters.texTarget,0,0,0,nWidth,nHeight,textureParameters.texFormat,GL_FLOAT,pfInput);

//设置映射参数，替换原来的数据

glTexEnvi(GL_TEXTURE_ENV,GL_TEXTURE_ENV_MODE,GL_REPLACE);

最后是将输出纹理绑定到帧缓存对象上并激活输入纹理对象。

//绑定输出纹理缓存

glFramebufferTexture2DEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT,GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT,textureParameters.texTarget,yTexID,0);

//激活当前输入的纹理单元

glActiveTexture(GL_TEXTURE0);

绑定的关联点就是GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT，它代表是帧缓存中的一个颜色缓存。

（3）设置渲染的对象

glDrawBuffer(GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT);

glPolygonMode(GL_FRONT,GL_FILL);

（4）通过绘制来调用“核函数”

这里是一个形象的比喻，就是通过绘制操作来实现对图像的处理，类似于CUDA和opencl里面的核函数调用。

//用绘制进行调用

glBegin(GL_QUADS);

glTexCoord2f(0,0);

glVertex2f(0,0);

glTexCoord2f(nWidth,0);

glVertex2f(nWidth,0);

glTexCoord2f(nWidth,nHeight);

glVertex2f(nWidth,nHeight);

glTexCoord2f(0,nHeight);

glVertex2f(0,nHeight);

glEnd();

glFinish();

（5）读取结果数据以及进一步处理

//从当前纹理缓存拷贝数据

void TransformFromTex(intnWidth,intnHeight,float *pfData)

{

//读取数据

glReadBuffer(GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT);

glReadPixels(0,0,nWidth,nHeight,GL_RGB,GL_FLOAT,pfData);

}

这相当于将数据从显存拷贝到主机内存，然后可以写入文件等。

说了这么多，最后还剩下一个片段着色器的编写。上面相当于把框架已经搭建好，然后只需要更改片段着色器实现不同的图像处理效果了。

这边就以一副风景画为例子实现集中不同的效果。

原图如下：

1、对比度调整，代码如下：

[cpp] view plaincopy

#version 400 compatibility
#extension GL_ARB_texture_rectangle : enable
uniform sampler2DRect uImageUint;
float uT = 0.5;
out vec4 outColor;
//图像对比度增强
void main()
{
vec2 pos = gl_TexCoord[0].st;
vec3 irgb = texture(uImageUint,pos).rgb;
//vec3 target = vec3(128.0,128.0,128.0);
vec3 target = vec3(0.0,0.0,0.0);
outColor = vec4(mix(target,irgb,uT),1.0);
}

处理后效果如下：

2、浮雕效果代码如下：

[cpp] view plaincopy

#version 400 compatibility
#extension GL_ARB_texture_rectangle : enable
uniform sampler2DRect tex;
out vec4 outColor;
//浮雕效果
void main()
{
vec2 pos = gl_TexCoord[0].st;
//获得纹理的尺寸
ivec2 vecSize = textureSize(tex);
float ResS = float(vecSize.s);
float ResT = float(vecSize.t);
vec3 irgb = texture(tex,pos).rgb;
vec2 stpp = vec2(-1.0,-1.0);
vec3 c00 = texture(tex,pos).rgb;
vec3 cp1p1 = texture(tex,pos+stpp).rgb;
vec3 diffs = c00 - cp1p1;
float maxV = diffs.r;
if(abs(diffs.g) > abs(maxV)) maxV = diffs.g;
if(abs(diffs.b) > abs(maxV)) maxV = diffs.b;
float gray = clamp(maxV + 128,0.0,255.0);
outColor = vec4(gray,gray,gray,1.0);
}

处理后的图像如下：

3、颠倒显示

[cpp] view plaincopy

#version 400 compatibility
#extension GL_ARB_texture_rectangle : enable
uniform sampler2DRect tex;
out vec4 outColor;
//图像翻转效果
void main()
{
vec2 pos = gl_TexCoord[0].st;
//获得纹理的尺寸
ivec2 vecSize = textureSize(tex);
int nWidth = (vecSize.s);
int nHeight = (vecSize.t);
pos = vec2(nWidth- pos.x-1,nHeight - pos.y - 1);
vec3 irgb = texture(tex,pos).rgb;
outColor = vec4(irgb,1.0);
}

处理后效果如下：

4、图像黑白化

[cpp] view plaincopy

#version 400 compatibility
#extension GL_ARB_texture_rectangle : enable
uniform sampler2DRect tex;
const vec3 W = vec3(0.2125,0.7154,0.0721);
out vec4 outColor;
void main()
{
vec2 pos = gl_TexCoord[0].st;
vec3 color = texelFetch(tex,ivec2(pos.x+0.5,pos.y+0.5)).rgb;
float luminace = dot(color,W);
outColor = vec4(luminace,luminace,luminace,1.0);
//gl_FragColor = fResult;
}

处理后图片如下：

5、图像的卷积，这个稍微复杂一点，其实也很简单，基本图像处理的东西。

[cpp] view plaincopy

#version 400 compatibility
#extension GL_ARB_texture_rectangle : enable
uniform sampler2DRect tex;
float fRadius = 2;
out vec4 outColor;
void main()
{
vec2 pos = gl_TexCoord[0].st;
vec4 fSum = vec4(0.0,0.0,0.0,0.0);
vec4 fTotal = vec4(0.0,0.0,0.0,0.0);
vec4 fResult = vec4(0.0,0.0,0.0,0.0);
ivec2 vecSize = textureSize(tex);
for (float i = pos.x - fRadius; i < pos.x + fRadius + 0.5; i += 1.0)
for (float j = pos.y - fRadius; j < pos.y + fRadius + 0.5; j += 1.0)
{
if (i >=0 && j >= 0 && i < vecSize.x && j < vecSize.y)
{
fSum += texture2DRect(tex,vec2(i+0.5,j+0.5));
fTotal += vec4(1.0,1.0,1.0,1.0);
}
}
vec4 color = texelFetch(tex,ivec2(pos.x+0.5,pos.y+0.5));
fResult = fSum/fTotal;
outColor = fResult;
//gl_FragColor = fResult;
}

处理后的效果如下：

上面这些都是最基本的图像处理操作，使用shader其实就是利用了显卡的并行数据处理能力，在今天的大数据时代以及资源不足的手机上，如果能充分利用GPU的优势，对于图像的处理将会有速度上的很大提升。

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