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1.背景

前段時間由于項目需求，做了一個基于GPUImage的實時美顏濾鏡?，F(xiàn)在各種各樣的直播、視頻App層出不窮，美顏濾鏡的需求也越來越多。為了回饋開源，現(xiàn)在我把它放到了GitHub上面，感興趣的朋友可以去下載。下面將主要介紹實現(xiàn)美顏濾鏡的原理和思路。

2. GPUImage

GPUImage是一個開源的基于GPU的圖片或視頻的處理框架，其本身內(nèi)置了多達120多種常見的濾鏡效果。有了它，添加實時的濾鏡只需要簡單地添加幾行代碼。下面的例子是以攝像頭的數(shù)據(jù)為源，對其實時地進行反色的操作(類似相片底片的效果)：

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];

其實美顏也是一樣，如果有這么一個美顏的濾鏡（姑且叫做GPUImageBeautifyFilter)，那么只需要把上面代碼中的GPUImageColorInvertFilter替換成GPUImageBeautifyFilter即可。我們只需要做一個GPUImageBeautifyFilter就能實現(xiàn)實時美顏了，問題來了，到底什么算是美顏呢？我的理解是，大家對于美顏比較常見的需求就是磨皮、美白。當然提高飽和度、提亮之類的就根據(jù)需求而定。本文將著重介紹磨皮的實現(xiàn)（實際上GPUImageBeautifyFilter也實現(xiàn)了美白、提亮等效果）。

3. 磨皮

磨皮的本質(zhì)實際上是模糊。而在圖像處理領(lǐng)域，模糊就是將像素點的取值與周邊的像素點取值相關(guān)聯(lián)。而我們常見的高斯模糊，它的像素點取值則是由周邊像素點求加權(quán)平均所得，而權(quán)重系數(shù)則是像素間的距離的高斯函數(shù)，大致關(guān)系是距離越小、權(quán)重系數(shù)越大。下圖3.1是高斯模糊效果的示例:

高斯模糊效果圖3.1

2031820-fdd32650fdf06567.png

如果單單使用高斯模糊來磨皮，得到的效果是不盡人意的。原因在于，高斯模糊只考慮了像素間的距離關(guān)系，沒有考慮到像素值本身之間的差異。舉個例子來講，頭發(fā)與人臉分界處（顏色差異很大，黑色與人皮膚的顏色），如果采用高斯模糊則這個邊緣也會模糊掉，這顯然不是我們希望看到的。而雙邊濾波(Bilateral Filter) 則考慮到了顏色的差異，它的像素點取值也是周邊像素點的加權(quán)平均，而且權(quán)重也是高斯函數(shù)。不同的是，這個權(quán)重不僅與像素間距離有關(guān)，還與像素值本身的差異有關(guān)，具體講是，像素值差異越小，權(quán)重越大，也是這個特性讓它具有了保持邊緣的特性，因此它是一個很好的磨皮工具。下圖3.2是雙邊濾波的效果示例：

雙邊濾波效果圖3.2

2031820-b71a296c14de8ab8.png

對比3.1和3.2，雙邊濾波效果確實在人臉細節(jié)部分保留得更好，因此我采用了雙邊濾波作為磨皮的基礎算法。雙邊濾波在GPUImage中也有實現(xiàn)，是GPUImageBilateralFilter。
根據(jù)圖3.2，可以看到圖中仍有部分人臉的細節(jié)保護得不夠，還有我們并不希望將人的頭發(fā)也模糊掉（我們只需要對皮膚進行處理）。由此延伸出來的改進思路是結(jié)合雙邊濾波，邊緣檢測以及膚色檢測。整體邏輯如下：

2031820-bd560df591a6b26e.png

Combination Filter是我們自己定義的三輸入的濾波器。三個輸入分別是原圖像A(x, y),雙邊濾波后的圖像B(x, y），邊緣圖像C(x, y)。其中A,B,C可以看成是圖像矩陣，(x,y)可以看成其中某一像素的坐標。Combination Filter的處理邏輯如下圖：

2031820-558663036aa5e18f.png

下面是主要的shader代碼：

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通過膚色檢測和邊緣檢測，只對皮膚和非邊緣部分進行處理。下面是采用這種方式進行磨皮之后的效果圖:

最終磨皮效果圖3.3

2031820-7320d9b7d2c9809d.png

對比3.3與3.2，可以看到3.3對人臉細節(jié)的保護更好，同時對于面部磨皮效果也很好，給人感覺更加真實。

4.延伸

我所采用的磨皮算法是基于雙邊濾波的，主要是考慮到它同時結(jié)合了像素間空間距離以及像素值本身的差異。當然也不一定要采用雙邊濾波，也有通過改進高斯模糊（結(jié)合像素值差異）來實現(xiàn)磨皮的，甚至能取得更好的效果。另外GPUImageBeautifyFilter不僅僅具有磨皮功能，也實現(xiàn)了log曲線調(diào)色，亮度、飽和度的調(diào)整，具體詳情可以參見demo 。

其他相關(guān)GPUImage的研究：

圖像處理之GPUImage圖片濾鏡
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/53507016

圖像處理之CPU圖片濾鏡
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/53518322

圖像處理之CoreImage圖片濾鏡
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/53518529

iOS GPUImage研究序一：內(nèi)置濾鏡：
http://blog.csdn.net/Xoxo_x/article/details/57082804

iOS GPUImage研究二：捕獲圖像stillCamera寫入相冊
http://blog.csdn.net/Xoxo_x/article/details/57086446

iOS GPUImage研究三：視頻采集并添加實時濾鏡
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/58357978

iOS GPUImage研究四：為視頻文件添加濾鏡
http://blog.csdn.net/Xoxo_x/article/details/58818703

iOS GPUImage研究五：短視頻拍攝(濾鏡、文件寫入)
http://blog.csdn.net/Xoxo_x/article/details/70198469

iOS GPUImage研究六：為視頻添加圖片水印
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/71055867

iOS GPUImage研究七：動態(tài)相冊初探(水印)
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/71076584

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

基于IM實現(xiàn)直播禮物效果
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/52044388

GPUImage之為視頻添加10種原生濾鏡
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/52749033

GPUImage–流行的美顏濾鏡GPUImageBeautifyFilter
http://blog.csdn.net/xoxo_x/article/details/52743107

GPUImage基于OpenGL ES 2.0,比基于CPU的圖形和視頻處理更快速.
GPUImage把OpenGL ES封裝為簡潔的Objective-C接口.

學習資料

GPUImage詳細解析(一)
http://url.cn/2FwjqIr
GPUImage詳細解析（二）
http://url.cn/2GsW2qg
GPUImage詳細解析（三）- 實時美顏濾鏡
http://url.cn/2F0SKgR
GPUImage詳細解析（四）模糊圖片處理
http://url.cn/2GX6JEQ
GPUImage詳細解析（五）濾鏡視頻錄制
http://url.cn/2GHCo71
GPUImage詳細解析（六）-用視頻做視頻水印
http://url.cn/2JrhR7V
GPUImage詳細解析（七）文字水印和動態(tài)圖像水印
http://url.cn/2IzRshs
GPUImage詳細解析（八）視頻合并混音
http://url.cn/2DmUYiA
GPUImage詳細解析（九）圖像的輸入輸出和濾鏡通道
http://url.cn/2EFjlGp 收起

下載GPUImage，地址：https://github.com/BradLarson/GPUImage
共125個濾鏡, 分為四類

    1、Color adjustments: 31 filters, 顏色處理相關(guān)
    2、Image processing: 40 filters, 圖像處理相關(guān).
    3、Blending modes: 29 filters, 混合模式相關(guān).
    4、Visual effects: 25 filters, 視覺效果相關(guān).

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "GPUImageBrightnessFilter.h"                   //亮度
#import "GPUImageExposureFilter.h"                  //曝光
#import "GPUImageContrastFilter.h"                  //對比度
#import "GPUImageSaturationFilter.h"                //飽和度
#import "GPUImageGammaFilter.h"                     //伽馬線
#import "GPUImageColorInvertFilter.h"               //反色
#import "GPUImageSepiaFilter.h"                     //褐色（懷舊）
#import "GPUImageLevelsFilter.h"                    //色階
#import "GPUImageGrayscaleFilter.h"                 //灰度
#import "GPUImageHistogramFilter.h"                 //色彩直方圖，顯示在圖片上
#import "GPUImageHistogramGenerator.h"              //色彩直方圖
#import "GPUImageRGBFilter.h"                       //RGB
#import "GPUImageToneCurveFilter.h"                 //色調(diào)曲線
#import "GPUImageMonochromeFilter.h"                //單色
#import "GPUImageOpacityFilter.h"                   //不透明度
#import "GPUImageHighlightShadowFilter.h"           //提亮陰影
#import "GPUImageFalseColorFilter.h"                //色彩替換（替換亮部和暗部色彩）
#import "GPUImageHueFilter.h"                       //色度
#import "GPUImageChromaKeyFilter.h"                 //色度鍵
#import "GPUImageWhiteBalanceFilter.h"              //白平橫
#import "GPUImageAverageColor.h"                    //像素平均色值
#import "GPUImageSolidColorGenerator.h"             //純色
#import "GPUImageLuminosity.h"                      //亮度平均
#import "GPUImageAverageLuminanceThresholdFilter.h" //像素色值亮度平均，圖像黑白（有類似漫畫效果）
#import "GPUImageLookupFilter.h"                    //lookup 色彩調(diào)整
#import "GPUImageAmatorkaFilter.h"                  //Amatorka lookup
#import "GPUImageMissEtikateFilter.h"               //MissEtikate lookup
#import "GPUImageSoftEleganceFilter.h"              //SoftElegance lookup
#pragma mark - 圖像處理 Handle Image
#import "GPUImageCrosshairGenerator.h"              //十字
#import "GPUImageLineGenerator.h"                   //線條
#import "GPUImageTransformFilter.h"                 //形狀變化
#import "GPUImageCropFilter.h"                      //剪裁
#import "GPUImageSharpenFilter.h"                   //銳化
#import "GPUImageUnsharpMaskFilter.h"               //反遮罩銳化
//#import "GPUImageFastBlurFilter.h"                  //模糊
#import "GPUImageGaussianBlurFilter.h"              //高斯模糊
#import "GPUImageGaussianSelectiveBlurFilter.h"     //高斯模糊，選擇部分清晰
#import "GPUImageBoxBlurFilter.h"                   //盒狀模糊
#import "GPUImageTiltShiftFilter.h"                 //條紋模糊，中間清晰，上下兩端模糊
#import "GPUImageMedianFilter.h"                    //中間值，有種稍微模糊邊緣的效果
#import "GPUImageBilateralFilter.h"                 //雙邊模糊
#import "GPUImageErosionFilter.h"                   //侵蝕邊緣模糊，變黑白
#import "GPUImageRGBErosionFilter.h"                //RGB侵蝕邊緣模糊，有色彩
#import "GPUImageDilationFilter.h"                  //擴展邊緣模糊，變黑白
#import "GPUImageRGBDilationFilter.h"               //RGB擴展邊緣模糊，有色彩
#import "GPUImageOpeningFilter.h"                   //黑白色調(diào)模糊
#import "GPUImageRGBOpeningFilter.h"                //彩色模糊
#import "GPUImageClosingFilter.h"                   //黑白色調(diào)模糊，暗色會被提亮
#import "GPUImageRGBClosingFilter.h"                //彩色模糊，暗色會被提亮
#import "GPUImageLanczosResamplingFilter.h"         //Lanczos重取樣，模糊效果
#import "GPUImageNonMaximumSuppressionFilter.h"     //非最大抑制，只顯示亮度最高的像素，其他為黑
#import "GPUImageThresholdedNonMaximumSuppressionFilter.h" //與上相比，像素丟失更多
#import "GPUImageSobelEdgeDetectionFilter.h"        //Sobel邊緣檢測算法(白邊，黑內(nèi)容，有點漫畫的反色效果)
#import "GPUImageCannyEdgeDetectionFilter.h"        //Canny邊緣檢測算法（比上更強烈的黑白對比度）
#import "GPUImageThresholdEdgeDetectionFilter.h"    //閾值邊緣檢測（效果與上差別不大）
#import "GPUImagePrewittEdgeDetectionFilter.h"      //普瑞維特(Prewitt)邊緣檢測(效果與Sobel差不多，貌似更平滑)
#import "GPUImageXYDerivativeFilter.h"              //XYDerivative邊緣檢測，畫面以藍色為主，綠色為邊緣，帶彩色
#import "GPUImageHarrisCornerDetectionFilter.h"     //Harris角點檢測，會有綠色小十字顯示在圖片角點處
#import "GPUImageNobleCornerDetectionFilter.h"      //Noble角點檢測，檢測點更多
#import "GPUImageShiTomasiFeatureDetectionFilter.h" //ShiTomasi角點檢測，與上差別不大
#import "GPUImageMotionDetector.h"                  //動作檢測
#import "GPUImageHoughTransformLineDetector.h"      //線條檢測
#import "GPUImageParallelCoordinateLineTransformFilter.h" //平行線檢測
#import "GPUImageLocalBinaryPatternFilter.h"        //圖像黑白化，并有大量噪點
#import "GPUImageLowPassFilter.h"                   //用于圖像加亮
#import "GPUImageHighPassFilter.h"                  //圖像低于某值時顯示為黑

#pragma mark - 視覺效果 Visual Effect
#import "GPUImageSketchFilter.h"                    //素描
#import "GPUImageThresholdSketchFilter.h"           //閥值素描，形成有噪點的素描
#import "GPUImageToonFilter.h"                      //卡通效果（黑色粗線描邊）
#import "GPUImageSmoothToonFilter.h"                //相比上面的效果更細膩，上面是粗曠的畫風
#import "GPUImageKuwaharaFilter.h"                  //桑原(Kuwahara)濾波,水粉畫的模糊效果；處理時間比較長，慎用
#import "GPUImageMosaicFilter.h"                    //黑白馬賽克
#import "GPUImagePixellateFilter.h"                 //像素化
#import "GPUImagePolarPixellateFilter.h"            //同心圓像素化
#import "GPUImageCrosshatchFilter.h"                //交叉線陰影，形成黑白網(wǎng)狀畫面
#import "GPUImageColorPackingFilter.h"              //色彩丟失，模糊（類似監(jiān)控攝像效果）

#import "GPUImageVignetteFilter.h"                  //暈影，形成黑色圓形邊緣，突出中間圖像的效果
#import "GPUImageSwirlFilter.h"                     //漩渦，中間形成卷曲的畫面
#import "GPUImageBulgeDistortionFilter.h"           //凸起失真，魚眼效果
#import "GPUImagePinchDistortionFilter.h"           //收縮失真，凹面鏡
#import "GPUImageStretchDistortionFilter.h"         //伸展失真，哈哈鏡
#import "GPUImageGlassSphereFilter.h"               //水晶球效果
#import "GPUImageSphereRefractionFilter.h"          //球形折射，圖形倒立

#import "GPUImagePosterizeFilter.h"                 //色調(diào)分離，形成噪點效果
#import "GPUImageCGAColorspaceFilter.h"             //CGA色彩濾鏡，形成黑、淺藍、紫色塊的畫面
#import "GPUImagePerlinNoiseFilter.h"               //柏林噪點，花邊噪點
#import "GPUImage3x3ConvolutionFilter.h"            //3x3卷積，高亮大色塊變黑，加亮邊緣、線條等
#import "GPUImageEmbossFilter.h"                    //浮雕效果，帶有點3d的感覺
#import "GPUImagePolkaDotFilter.h"                  //像素圓點花樣
#import "GPUImageHalftoneFilter.h"                  //點染,圖像黑白化，由黑點構(gòu)成原圖的大致圖形

#pragma mark - 混合模式 Blend

#import "GPUImageMultiplyBlendFilter.h"             //通常用于創(chuàng)建陰影和深度效果
#import "GPUImageNormalBlendFilter.h"               //正常
#import "GPUImageAlphaBlendFilter.h"                //透明混合,通常用于在背景上應用前景的透明度
#import "GPUImageDissolveBlendFilter.h"             //溶解
#import "GPUImageOverlayBlendFilter.h"              //疊加,通常用于創(chuàng)建陰影效果
#import "GPUImageDarkenBlendFilter.h"               //加深混合,通常用于重疊類型
#import "GPUImageLightenBlendFilter.h"              //減淡混合,通常用于重疊類型
#import "GPUImageSourceOverBlendFilter.h"           //源混合
#import "GPUImageColorBurnBlendFilter.h"            //色彩加深混合
#import "GPUImageColorDodgeBlendFilter.h"           //色彩減淡混合
#import "GPUImageScreenBlendFilter.h"               //屏幕包裹,通常用于創(chuàng)建亮點和鏡頭眩光
#import "GPUImageExclusionBlendFilter.h"            //排除混合
#import "GPUImageDifferenceBlendFilter.h"           //差異混合,通常用于創(chuàng)建更多變動的顏色
#import "GPUImageSubtractBlendFilter.h"             //差值混合,通常用于創(chuàng)建兩個圖像之間的動畫變暗模糊效果
#import "GPUImageHardLightBlendFilter.h"            //強光混合,通常用于創(chuàng)建陰影效果
#import "GPUImageSoftLightBlendFilter.h"            //柔光混合
#import "GPUImageChromaKeyBlendFilter.h"            //色度鍵混合
#import "GPUImageMaskFilter.h"                      //遮罩混合
#import "GPUImageHazeFilter.h"                      //朦朧加暗
#import "GPUImageLuminanceThresholdFilter.h"        //亮度閾
#import "GPUImageAdaptiveThresholdFilter.h"         //自適應閾值
#import "GPUImageAddBlendFilter.h"                  //通常用于創(chuàng)建兩個圖像之間的動畫變亮模糊效果
#import "GPUImageDivideBlendFilter.h"               //通常用于創(chuàng)建兩個圖像之間的動畫變暗模糊效果

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2. GPUImage

3. 磨皮

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