圖像的本質(zhì)

數(shù)字化圖像本質(zhì)上是一個(gè)像素矩陣，如果我們把一個(gè)像素看做圖論當(dāng)中的一個(gè)概念“頂點(diǎn)”(vertex),把相鄰的兩個(gè)像素的色彩接近程度或特征量距離定義為一個(gè)量化數(shù)值而構(gòu)成兩個(gè)像素頂點(diǎn)間的連接邊(edge)的話，這些邊和頂點(diǎn)的集合就定義了數(shù)學(xué)上的一個(gè)“圖”(graph)慢味。通過圖的鄰接矩陣就可以描述圖羔挡，圖像的變化就可以通過矩陣的變換來實(shí)現(xiàn)赶促。

離散數(shù)學(xué)中圖與鄰接矩陣

圖像處理的方式

通過上面的概念可知妒蔚，圖像處理最直接的實(shí)現(xiàn)方式就是：
1. 改變圖像的像素值疮鲫。
2. 改變圖像的像素位置蘸劈。
像有筆和畫布就可以繪畫一樣昏苏，涂鴉是不難的，難的是你能否畫出蒙娜麗莎。圖像處理的底層原理是不復(fù)雜的贤惯，復(fù)雜的是處理后是否是滿足要求的圖像和對(duì)處理過程的抽象洼专。說的更直白一點(diǎn)，對(duì)像素值和像素位置的矩陣變換孵构，方便計(jì)算機(jī)計(jì)算屁商，但是不方便人的理解。

OpenGL介紹

OpenGL規(guī)范描述了繪制2D和3D圖形的抽象API颈墅，用于渲染2D蜡镶、3D圖形。提供了標(biāo)準(zhǔn)的圖像處理與渲染接口恤筛，方便使用和理解官还。手機(jī)當(dāng)前在圖像顯示渲染上通用這個(gè)。只不過嵌入式設(shè)備使用的OpenGL ES1.x可以由硬件GPU支持或用軟件模擬實(shí)現(xiàn)(可以運(yùn)行在CPU上)毒坛，而OpenGL ES2.0及以上的版本采用的是可編程渲染管線妻枕，渲染能力大大提高，但必須由GPU提供支持粘驰。

形狀和色彩

學(xué)習(xí)畫畫的時(shí)候，老師會(huì)教我們先素描出物體的形狀述么，然后著色蝌数。OpenGL用面來描述物體的形狀，用片元描述物體的色彩度秘。其實(shí)這與現(xiàn)實(shí)世界搭建建筑物沒有本質(zhì)區(qū)別《ド。現(xiàn)實(shí)世界的建筑物遠(yuǎn)看是平滑的曲面，其實(shí)近看是由一個(gè)個(gè)小平面組成的剑梳。小平面分得越小唆貌，越細(xì)致，搭建出來的物體就越平滑垢乙。主體成形后锨咙，再涂上涂料，最后呈現(xiàn)的就是漂亮的建筑物追逮。所以O(shè)penGL這樣抽象更符合現(xiàn)實(shí)酪刀，更接近使用自然語(yǔ)言描述。

image.png

在OpenGL中钮孵，物體的形狀通過光柵化后變成片元,對(duì)片元可以進(jìn)行色彩操作骂倘。32位的真色系統(tǒng)就是ARGB8888,使用一個(gè)32位int值可以表示所有的色彩，但人是沒有辦法感知的巴席，調(diào)色也不方便 历涝。就有了數(shù)字色彩的概念，是由能被計(jì)算機(jī)測(cè)量和計(jì)算的基本屬性來定義的，這些屬性有很多荧库，最常見的基本屬性是色相堰塌、飽和度和亮度。

紋理

如果渲染場(chǎng)景中物體的色彩都是通過屬性調(diào)節(jié)得到會(huì)令人興味索然电爹，無(wú)聊到爆蔫仙，并且現(xiàn)實(shí)世界是絢麗多彩的，更是加深了調(diào)節(jié)難度丐箩，使用紋理可以解決這個(gè)問題摇邦。如果想把一張紋理映射到相應(yīng)的幾何圖元，就必須告訴渲染系統(tǒng)如何進(jìn)行紋理的映射和采樣屎勘。紋理的映射方式是圖元中頂點(diǎn)指定恰當(dāng)?shù)募y理坐標(biāo)施籍。所謂紋理采樣就是根據(jù)片元的紋理坐標(biāo)到紋理圖中提取對(duì)應(yīng)位置顏色的過程。由于被渲染圖元中的片元數(shù)量與其對(duì)應(yīng)紋理區(qū)域中像素的數(shù)量并不一定相同概漱，也就是說圖元中的片元與紋理圖中的像素并不總是一一對(duì)應(yīng)丑慎。這就需要采樣策略，最常見的是最近點(diǎn)采樣和線性采樣瓤摧。最近點(diǎn)采樣是直接取片元紋理坐標(biāo)對(duì)應(yīng)紋理區(qū)域中最近點(diǎn)的顏色值竿裂。最近點(diǎn)采樣會(huì)有鋸齒。線性采樣其結(jié)果顏色并不一定僅來自于紋理圖中的一個(gè)像素照弥，其在采樣時(shí)會(huì)考慮片元對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)點(diǎn)附近的幾個(gè)像素腻异。通過加權(quán)求平均計(jì)算出最終的采樣結(jié)果。不會(huì)有鋸齒現(xiàn)象这揣，是平滑過渡的悔常，但是線條邊緣會(huì)模糊。

兩種采樣的原理圖和對(duì)比圖

渲染方式

OpenGL提供的抽象對(duì)像素值和位置的改變處理方式是統(tǒng)一的给赞，位置是空間域(x,y,z),像素是色域(r,g,b)机打，對(duì)數(shù)學(xué)來說，他們只是不同的變量和不同的映射方法片迅，從問題空間到解空間研究方法沒有改變残邀。OpenGL通過可編程渲染管線繪制的方式對(duì)圖像進(jìn)行處理，如下圖：

OpenGL渲染架構(gòu)圖

其中Vertex Shader和Fragment Shader支持可編程障涯，能渲染更加逼真罐旗、可定制化的場(chǎng)景。

相機(jī)應(yīng)用AR介紹

市面上大多的AR應(yīng)用都是分層設(shè)計(jì)的唯蝶，設(shè)計(jì)架構(gòu)圖如下：

AR分層渲染

此類體感玩法應(yīng)用最核心的技術(shù)是動(dòng)作九秀、表情、環(huán)境檢測(cè)粘我、3D物體構(gòu)建和渲染鼓蜒。產(chǎn)品設(shè)計(jì)避免同質(zhì)化設(shè)計(jì)內(nèi)容痹换，升級(jí)相機(jī)的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，靈活運(yùn)用設(shè)計(jì)元素和體感玩法都弹，讓體驗(yàn)更好娇豫。

ARcore介紹

ARCore 是 Google 的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)構(gòu)建平臺(tái)。 ARCore 利用不同的 API 讓手機(jī)能夠感知其環(huán)境畅厢、了解現(xiàn)實(shí)世界并與信息進(jìn)行交互冯痢。 提供AR 體驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)世界的信息支撐。

ARCore 使用三個(gè)主要功能將虛擬內(nèi)容與通過手機(jī)攝像頭看到的現(xiàn)實(shí)世界整合：

• 運(yùn)動(dòng)跟蹤讓手機(jī)可以理解和跟蹤它相對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的位置框杜。
• 環(huán)境理解讓手機(jī)可以檢測(cè)各類表面（例如地面浦楣、咖啡桌或墻壁等水平、垂直和傾斜表面）的大小和位置咪辱。
• 光照估計(jì)讓手機(jī)可以估測(cè)環(huán)境當(dāng)前的光照條件振劳。

OpenGL在AR中的應(yīng)用

OpenGL主要完成相機(jī)預(yù)覽數(shù)據(jù)的二次處理、3D道具的構(gòu)建油狂、2D紋理的混合历恐、光效、粒子特效专筷、濾鏡等圖像處理弱贼。創(chuàng)建FBO綁定MediaCodec實(shí)現(xiàn)視頻的錄制。實(shí)現(xiàn)原理如下：

1.創(chuàng)建GPU SurfaceTexture收到相機(jī)的預(yù)覽數(shù)據(jù)磷蛹，當(dāng)作二次處理的原始數(shù)據(jù)哮洽。
2.創(chuàng)建 CPU Surface收到相機(jī)的預(yù)覽數(shù)據(jù)，用于關(guān)鍵信息檢測(cè)弦聂。
3.基于CNN檢測(cè)人臉信息，做美顏美妝算法處理氛什。
4.基于ARcore檢測(cè)平面莺葫、肢體動(dòng)作、表情信息枪眉，生成動(dòng)作驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)捺檬。
5.加載3D obj文件，生成3D道具贸铜。
6.根據(jù)人臉堡纬、肢體、表情蒿秦、平面等關(guān)鍵信息烤镐，確定3D道具的位置、大小棍鳖、方向炮叶，渲染3D道具碗旅。(一幀幀渲染，只要位置镜悉、大小祟辟、方向不同，就會(huì)產(chǎn)生3D道具表情或肢體運(yùn)動(dòng)效果)侣肄。
7.加入光效旧困、粒子特效、濾鏡等效果稼锅。
8.綁定MediaCodec吼具，實(shí)現(xiàn)視頻錄制。實(shí)現(xiàn)方法是OpenGL渲染的目標(biāo)地變成MediaCodec的Surface缰贝。

流程圖.png

圖像處理的發(fā)展看法

1. 相機(jī)作為影像采集系統(tǒng)馍悟，API2給用戶提供了更多影像數(shù)據(jù)通道，可以并行的做多種算法剩晴，算法疊加會(huì)成為一種趨勢(shì)锣咒。
2. 提升AR類應(yīng)用體感玩法，讓體驗(yàn)更好赞弥。對(duì)算法精確性毅整、復(fù)雜度有較高的需求，特別是面對(duì)算力不強(qiáng)的嵌入式設(shè)備绽左。
3. 以前大部分圖像處理都是在跑在CPU上悼嫉，現(xiàn)在越來越多的跑在GPU上了，包括相機(jī)拼窥、視頻戏蔑、游戲這幾類用戶最關(guān)注的手機(jī)應(yīng)用，所以手機(jī)上GPU圖像處理越來越重要鲁纠。
4. 從文字总棵、圖片、語(yǔ)音改含、視頻信息媒介發(fā)展趨勢(shì)來看情龄，音視頻會(huì)是主要的信息傳輸和記錄媒介，音視頻的壓縮存儲(chǔ)捍壤、檢索骤视、傳輸、編解碼技術(shù)會(huì)是一個(gè)方向鹃觉。
5. 像學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)一樣专酗，研究一個(gè)運(yùn)算，后面大概率會(huì)研究它的逆運(yùn)算盗扇，例如微分與積分笼裳。如果未來存儲(chǔ)的都是被處理后的圖像唯卖，原片會(huì)有需求，復(fù)原處理也會(huì)成了一個(gè)方向躬柬。