高斯模糊 Shader
预览
模糊前
模糊后
深度模糊后
正文
高斯模糊
在我们开始讨论代码之前，我们要先稍微了解以下几点...
> 下面的讲解比较笼统，水平不够，请见谅！
高斯模糊是什么？
高斯模糊（Gaussian Blur），也叫高斯平滑，是一种生活中比较常见的图像处理效果。
经过高斯模糊处理的图像看起来就像是在一块毛玻璃后面，也就是俗称的“毛玻璃效果”。
高斯模糊也常用于处理噪点过高的图像，使图像看起来更平滑。
—▼—
实现原理是什么？
从数学的角度来看，高斯模糊的处理过程就是图像与其正态分布做卷积。
- 正态分布
正态分布（Normal distribution）是一种概率分布，主要特征为集中性、对称性和均匀变动性等。
因正态分布又称高斯分布（Gaussian distribution），所以这种技术就叫做高斯模糊。
我们可以计算当前像素一定范围内的像素的权重，越靠近当前像素权重越大，形成一个符合正态分布的权重矩阵。
（图片来源于网络，侵删）
- 卷积
卷积（Convolution）是一种积分变换的数学运算方法。
利用卷积算法，我们可以将当前像素的颜色与周围像素的颜色按比例进行融合，得到一个相对均匀的颜色。
（图片来源于网络，侵删）
- 卷积核
其中还涉及到一个名为卷积核（Convolution kernel）的概念，卷积核一般为矩阵，我们可以将它想象成卷积过程中使用的模板，模板中包含了当前像素周围每个像素颜色的权重。
> 下图中间的那部分就是卷积核
（图片来源于网络，侵删）
—▼—
稍微总结
用大白话来解释高斯模糊，就是采集当前像素一定范围内的颜色，将采集到的颜色按比例进行合成（越靠近当前像素的颜色比例越高，也就是正态分布的体现），得到一个比较均匀的颜色。
将图像中的每个像素都按照上面的流程进行处理，最后就可以得到更为平滑（模糊）的图像。
当然采集的范围越大，得到的图像就会越模糊。
代码实现
下面我将在 Cocos Creator 2.3.3 中实现一个高斯模糊的 Shader，除了前面部分属性定义，核心的逻辑是通用的。
> Shader 文件已添加至 Eazax-CCC 项目，点击文章底部“阅读原文”即可获取
完整代码
// Eazax-CCC 高斯模糊 1.0.0.20200523
CCEffect %{
techniques:
- passes:
- vert: vs
frag: fs
blendState:
targets:
- blend: true
rasterizerState:
cullMode: none
properties:
size: { value: [500.0, 500.0], editor: { tooltip: '节点尺寸' } }
}%
CCProgram vs %{
precision highp float;
#include <cc-global>
in vec3 a_position;
in vec2 a_uv0;
in vec4 a_color;
out vec2 v_uv0;
out vec4 v_color;
void main () {
gl_Position = cc_matViewProj * vec4(a_position, 1);
v_uv0 = a_uv0;
v_color = a_color;
}
}%
CCProgram fs %{
precision highp float;
in vec2 v_uv0;
in vec4 v_color;
uniform sampler2D texture;
uniform Properties {
vec2 size;
};
// 模糊半径
// for 循环的次数必须为常量
const float RADIUS = 20.0;
// 获取模糊颜色
vec4 getBlurColor (vec2 pos) {
vec4 color = vec4(0); // 初始颜色
float sum = 0.0; // 总权重
// 卷积过程
for (float r = -RADIUS; r <= RADIUS; r++) { // 水平方向
for (float c = -RADIUS; c <= RADIUS; c++) { // 垂直方向
vec2 target = pos + vec2(r / size.x, c / size.y); // 目标像素位置
float weight = (RADIUS - abs(r)) * (RADIUS - abs(c)); // 计算权重
color += texture2D(texture, target) * weight; // 累加颜色
sum += weight; // 累加权重
}
}
color /= sum; // 求出平均值
return color;
}
void main () {
vec4 color = getBlurColor(v_uv0); // 获取模糊后的颜色
color.a = v_color.a; // 还原透明度
gl_FragColor = color;
}
}%—▼—
代码分析
- CCEffect
首先头部是平平无奇的 YAML 格式的属性定义代码块。唯一特别的地方就是多了个 size 属性，用于输入作用节点的尺寸。
properties:
size: { value: [500.0, 500.0], editor: { tooltip: '节点尺寸' } }你可能会好奇（也许不会）为什么要传入节点尺寸，这里稍微说明一下：
1. 在片段着色器阶段的顶点坐标用视口坐标（Viewport Coordinates）表示，视口坐标是标准化（Normalize）后的屏幕坐标（Screen Coordinates），其可用范围是（0.0, 0.0）到（1.0, 1.0），原点为左下角。
例如：屏幕正中间的视口坐标应为（0.5, 0.5）。
2. 我们传入尺寸的目的就是便于我们计算顶点的实际位置。
例如：在一个 720 x 1280 的屏幕中，像素与像素之间的水平距离为 1.0 / 720.0，垂直距离为 1.0 / 1280.0。
- 顶点着色器（Vertex Shader）
紧跟其后的是一个平平无奇的顶点着色器，未对顶点作任何特殊处理，直接将顶点坐标以及颜色信息传递给下一个着色器。
> 这部分代码在上面完整代码里有，我这里就不贴了，因为实在是太平平无奇了...
- 片段着色器（Fragment Shader）
> 重头戏来了！（敲黑板）
1. 首先我们拿到了从顶点着色器传递过来的顶点坐标和颜色信息，另外还接收到了 texture 和 size 属性。
in vec2 v_uv0;
in vec4 v_color;
uniform sampler2D texture;
// 接收传入的 size 属性
uniform Properties {
vec2 size;
};2. 接着定义了一个常量 RADIUS 来表示模糊采样的半径，半径越大，采样的颜色越多，图像也就越模糊。
> 在 GLSL 中循环的次数必须为常量，因为循环语句会被展开为原生 GPU 指令，所以必须确定循环展开次数，Shader 编译器才能正确地生成 GPU 指令。
const float RADIUS = 20.0;然后定义了一个函数 getBlurColor 来获取模糊后的颜色，该函数接收一个顶点坐标作为参数，经卷积加权平均计算后返回最终颜色。（详细过程请看注释）
// 获取模糊颜色
vec4 getBlurColor (vec2 pos) {
vec4 color = vec4(0); // 初始颜色
float sum = 0.0; // 总权重
// 卷积过程
for (float r = -RADIUS; r <= RADIUS; r++) { // 水平方向
for (float c = -RADIUS; c <= RADIUS; c++) { // 垂直方向
vec2 target = pos + vec2(r / size.x, c / size.y); // 目标像素位置
float weight = (RADIUS - abs(r)) * (RADIUS - abs(c)); // 计算权重
color += texture2D(texture, target) * weight; // 累加颜色
sum += weight; // 累加权重
}
}
color /= sum; // 求出一个平均值
return color;
}3. 然后是着色器的主函数，在获取到模糊的颜色之后，将颜色透明度还原为输入的透明度，最后将舞台交还给渲染管线。
void main () {
vec4 color = getBlurColor(v_uv0); // 获取模糊后的颜色
color.a = v_color.a; // 还原透明度
gl_FragColor = color;
}