l       高級(jí)效果之水彩化

真正的水彩效果在shader中是比較難實(shí)現(xiàn)的，它需要進(jìn)行中值濾波后累加等一些操作，還需要處理NPR中的筆觸一類的概念。本文繞開(kāi)這些概念，只從視覺(jué)效果上能盡量模擬出水彩的畫(huà)的那種感覺(jué)來(lái)。

水彩畫(huà)一個(gè)最大的特點(diǎn)是水彩在紙上流動(dòng)擴(kuò)散后會(huì)和周圍的顏色攪拌在一起，另外一個(gè)特點(diǎn)就是水彩通常會(huì)形成一個(gè)個(gè)的色塊，過(guò)渡不像照片那樣的平滑。針對(duì)這兩個(gè)特點(diǎn)。可以設(shè)計(jì)這樣的一個(gè)算法來(lái)模擬水彩畫(huà)的效果。

首先我們模擬擴(kuò)散。簡(jiǎn)單的說(shuō)，可以通過(guò)隨機(jī)對(duì)附近的象素點(diǎn)進(jìn)行采樣來(lái)模擬顏色的擴(kuò)散，而這個(gè)隨機(jī)區(qū)域的大小我們可以稱為擴(kuò)散的力度。這在C++代碼里應(yīng)該是非常容易實(shí)現(xiàn)的，讀者只需要使用Random函數(shù)就可以了。但是HLSL并沒(méi)有提供這樣的函數(shù)（似乎有個(gè)noise函數(shù)，不過(guò)不能用L）。怎么辦呢？我們可以采用噪聲紋理的方式，既事先計(jì)算好一個(gè)n*n的隨機(jī)數(shù)數(shù)組，作為紋理傳遞給Pixel shader，這樣在Pixel Shader里我們就能獲得隨機(jī)數(shù)了。得到隨機(jī)數(shù)后，我們將隨機(jī)數(shù)映射成紋理坐標(biāo)的偏移值，就能模擬出色彩的擴(kuò)散了。典型的噪聲紋理是這個(gè)樣子的：

接下來(lái)處理色塊，對(duì)顏色的RGB值分別進(jìn)行量化。把RGB分量由原來(lái)的8bit量化成比特?cái)?shù)更低的值。這樣顏色的過(guò)渡就會(huì)顯得不那么的平滑，而是會(huì)呈現(xiàn)出一定的色塊效果。

通過(guò)以上兩步處理后，圖像依然有非常多的細(xì)節(jié)，尤其是第一步處理中產(chǎn)生的很多細(xì)節(jié)噪點(diǎn)。通過(guò)平滑模糊的方式來(lái)過(guò)濾掉這些高頻噪聲成分。

算法設(shè)計(jì)好了，接下來(lái)看看我們?nèi)绾卧?/span>RenderMonkey里實(shí)現(xiàn)這個(gè)算法。

類似上一個(gè)效果，我們需要兩個(gè)pass來(lái)完成這個(gè)算法，第一個(gè)pass叫flow pass，模擬顏色的流動(dòng)和處理顏色的量化。第二個(gè)pass叫Gauss pass，也就是前面提到的高斯模糊算法。實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)在第一個(gè)pass。

在模擬擴(kuò)散的pass中，同樣需要一個(gè)RenderTarget，以把結(jié)果保存在其中以便后續(xù)處理，然后還需要一個(gè)噪聲紋理來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)。具體代碼如下：

代碼中的_quatLevel用來(lái)表示對(duì)圖像的量化比特?cái)?shù)，值越小，色塊越明顯，比較合理的取值范圍是2-6。_waterPower則表示圖像顏色擴(kuò)散范圍，取值范圍在8－64之間的效果比較好。

下面是經(jīng)過(guò)水彩畫(huà)處理后的圖像：

圖：水彩畫(huà)效果。左圖量化比特?cái)?shù)為6比特，擴(kuò)散范圍為20象素。

                 右圖量化比特?cái)?shù)為5比特，擴(kuò)散范圍為40象素

l       總結(jié)

GPU進(jìn)行數(shù)字圖像處理，甚至是使用GPU進(jìn)行數(shù)字視頻編輯是目前非常流行的話題，市場(chǎng)是已經(jīng)出現(xiàn)很多商業(yè)的產(chǎn)品，比如Mac公司的iMotion，就是完全采用GPU加速的視頻非編軟件，iMotion作者的對(duì)它的評(píng)價(jià)是：Play  with the images in real-time。可見(jiàn)它的效率之高，本文只是簡(jiǎn)單的介紹了HLSL在圖像處理領(lǐng)域的應(yīng)用，希望能給讀者撥開(kāi)一些云霧。通過(guò)以上介紹的幾種濾鏡效果，讀者應(yīng)該大致掌握了使用HLSL進(jìn)行數(shù)字圖像處理的一些基本步驟和方法了，為了方便起見(jiàn)，我們并沒(méi)有把處理完的圖像保存下來(lái)而是僅僅把處理完的圖像顯示在屏幕上，其實(shí)在RendererMonkey中也是可以把處理完的結(jié)果保存起來(lái)的，我們可以創(chuàng)建一個(gè)和圖像等大的RenderTarget。并把我們處理的結(jié)果繪制到這個(gè)RenderTarget中（關(guān)于如何設(shè)置當(dāng)前的RenderTarget，以及如何設(shè)置多個(gè)RenderTarget，留給讀者自己摸索），然后在RenderMonkey的工作區(qū)中選擇那個(gè)RenderTarget，在右鍵菜單中選擇保存到圖像就可以了。

C++也好，Basic也好，乃至現(xiàn)在的HLSL/GLSL也好。它們都是語(yǔ)言而已，充分的了解這些語(yǔ)言，熟悉他們的特性都是非常簡(jiǎn)單的。但是如何充分發(fā)揮他們的作用，用它們做一些有意義的事情，就完全在于我們自己的實(shí)踐和在實(shí)踐中的創(chuàng)造性。如果讀者在實(shí)踐中還能創(chuàng)造出更多，更實(shí)用的效果。甚至是應(yīng)用在商業(yè)產(chǎn)品中。

最后還得提一下的是，文中出現(xiàn)不少信號(hào)處理和數(shù)學(xué)的知識(shí)，可見(jiàn)多花點(diǎn)時(shí)間在數(shù)學(xué)上是非常值得的J

注：處于閱讀方便，本文代碼都未經(jīng)過(guò)優(yōu)化。

參考資料：

高等教育出版社《數(shù)字圖像處理》

RenderMonkey官方網(wǎng)站：http://ati.amd.com/developer/rendermonkey/index.html