GLSL实现图像处理

Posted 2022-12-08 周旭光

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,int nHeight,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,constGLuint texID,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,int nHeight,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：

#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：

#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

#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

#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。

#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。