后处理——深入相机变形特效

后处理(Post-processing)，是针对原有的游戏画面进行算法加工，达到提升画面质量或增强画面效果的技术，可通过着色器Shader程序实现。

概述

变形特效是处理和增强画面效果的一类后处理技术，经常被应用在各类相机短视频app特效中，如美颜瘦身、哈哈镜特效。

本文主要从各类美颜相机中梳理了以下几种常用的变形特效：

• 局部扭曲 (twirl effect)
• 局部膨胀 (inflate effect)
• 任意方向挤压 (pinch effect)

其中，扭曲可用在眼睛的局部旋转，膨胀可以用于大眼，挤压/拉伸可用于脸部塑性和瘦脸等。如何通过着色器Shader实现这些变形，是本文讨论的重点。（ps:着急预览代码的童鞋见文末）

变形技原理

虽然变形的效果千奇百怪，但它们往往离不开这三个要素：变形位置、影响范围和变形程度。

因此它在Shader中的实现，就是通过构造一个变形函数，将传入原始uv坐标，变形的位置、范围range和程度strength，经过计算后生成变形后的采样坐标，代码如下：

#iChannel0 "src/assets/texture/joker.png"

vec2 deform(vec2 uv, vec2 center, float range, float strength) {
  // TODO: 变形处理
  return uv;
}

void mainImage(out vec4 fragColor, vec2 coord) {
    vec2 uv = coord / iResolution.xy;
    vec2 mouse = iMouse.xy / iResolution.xy;
    uv = deform(uv, mouse, .5, .5);
    vec3 color = texture(iChannel0, uv).rgb;
    fragColor.rgb = color;
}

本文着色器代码采用GLSL规范，遵循Shader-Toy的写法，方便大家预览。

变形小技巧：采样距离场变换

我们设置定点坐标O，任意点到点O距离为dist，以不同dist值为半径，以点O为中心可形成无数个等距的采样圈，它们被称为点O的距离场。

我们可以通过改变采样圈的大小、位置，进而改变纹理采样位置，以实现膨胀/收缩、挤压/拉伸的变形效果。

vec2 deform(vec2 uv, vec2 center, float range, float strength) {
  float dist = distance(uv, center);
  vec2 direction = normalize(uv - center);
  dist = transform(dist, range, strength); // 改变采样圈半径
  center = transform(center, dist, range, strength); // 改变采样圈中心位置
  return center + dist * direction;
}

这个技巧的应用先不急着说，现在我们还是从简单的扭曲变形开始讲。

扭曲

扭曲效果类似旋涡形态，特点是越靠近中心点旋转程度越剧烈，我们可通过递减函数来表示离中心点距离d和对应旋转角度θ之间的关系。

如下图，采用简单的一次函数θ = -A/R *d + A，其中A表示扭曲中心的旋转角度，A为正数则表示旋转方向为顺时针，负数表示逆时针，R表示扭曲的边界；

如上图，扭曲函数入参A(中心旋转角Angle)和R(变形范围Range)可以这么描述：
1）A代表中心旋转角度，绝对值越大，扭曲程度更高；
2）A > 0表示扭曲方向为顺时针，反之A<0表示逆时针；
3）R代表扭曲边界，值越大，影响范围越大。

我们可以引入时间变量time动态改变A的值，产生扭动特效，如上图小丑扭跨效果，具体shader代码如下：

#iChannel0 "src/assets/texture/joker.png"
#define Range .3
#define Angle .5
#define SPEED 3.
mat2 rotate(float a) // 旋转矩阵
{
    float s = sin(a);
    float c = cos(a);
    return mat2(c,-s,s,c);
}
vec2 twirl(vec2 uv, vec2 center, float range, float angle) {
    float d = distance(uv, center);
    uv -=center;
    // d = clamp(-angle/range * d + angle,0.,angle); // 线性方程
    d = smoothstep(0., range, range-d) * angle;
    uv *= rotate(d);
    uv+=center;
    return uv;
}
void mainImage(out vec4 fragColor, vec2 coord) {
    vec2 uv = coord / iResolution.xy;
    vec2 mouse = iMouse.xy / iResolution.xy;
    float cTime = sin(iTime * SPEED);
    uv = twirl(uv, mouse, Range, Angle * cTime);
    vec4 color = texture(iChannel0, uv);
    fragColor = color;
} 

值得一提的是，除了用线性方程表示扭曲关系，还可以使用smoothstep方法，相比linear线性函数，smoothstep方法在扭曲边界处呈现更为平滑，如下图。

考虑到边界的平滑，下面的变形方法也多会用smoothstep函数来替代线性方程。

膨胀/收缩

膨胀特点靠近膨胀中心的纹理被拉伸，而靠近膨胀边界纹理被挤压，这意味着在膨胀范围内，以膨胀中心为距离场，每个采样圈都应该比原先的半径更小，并且圈间距由内到外逐渐扩大。

如下图右侧，我们通过将等距的黑色采样圈映射到更内聚的红色采样圈，使新采样圈之间的间距由内到外单调递增。

我们采样平滑递增函数smoothstep来通过采样圈半径dist计算出缩放值scale：

上图的函数表明，在靠近膨胀中心处，采样圈缩放最明显，缩放值最小(1 - S)；随着dist增大，缩放值scale往1递增，直至到达R边界范围后，scale恒定为1，采样圈不再缩放。

 float scale = (1.- S) + S * smoothstep(0.,1., dist / R); // 计算膨胀采样半径缩放值

于是我们得到上述采样半径缩放公式，其中设定Strength(0 < S < 1)代表膨胀程度。
对于膨胀距离场的变换过程，很容易推断出，要实现膨胀的反向效果收缩，直接让S位于[-1,0]区间即可。

如上图，膨胀函数入参S(变形程度Strength)和R(变形范围Range)可这么描述：
1）当S在[0,1]区间时，呈现膨胀效果，S值越大，膨胀的程度越高；
2）当S在[-10]区间时，呈现收缩效果，S值越小，收缩程度越高；
3）R代表变形的边界，值越大时，影响区域越大；

我们可以引入时间变量time动态改变Strength的值，模拟呼吸动画，如上图小丑鼓肚子效果，具体shader代码如下：

#iChannel0 "src/assets/texture/joker.png"
#define SPEED 2. // 速度
#define RANGE .2 // 变形范围
#define Strength .5 * sin(iTime * SPEED) // 变形程度

vec2 inflate(vec2 uv, vec2 center, float range, float strength) {
    float dist = distance(uv , center);
    vec2 dir = normalize(uv - center);
    float scale = 1.-strength + strength * smoothstep(0., 1. ,dist / range);
    float newDist = dist * scale;
    return center + newDist * dir;
}
void mainImage(out vec4 fragColor, vec2 coord) {
    vec2 uv = coord / iResolution.xy;
    vec2 mouse = iMouse.xy / iResolution.xy;
    uv = inflate(uv, mouse, RANGE, Strength);
    vec3 color = texture(iChannel0, uv).rgb;
    fragColor.rgb = color;
}

纵向/横向拉伸

前面的膨胀是通过对距离场采样圈进行缩放实现的，纵向/横向拉伸则是只对采样圈x轴或y轴进行缩放，一般可用在美颜的“长腿特效”上。

可以发现横向拉伸距离场被变换为多个椭圆采样圈，代码实现如下：

vec2 inflateX(vec2 uv, vec2 center, float radius, float strength) {
    // 前面代码跟膨胀实现一样
    ...
    return center + vec2(newDist, dist) * dir; // 横向拉伸则scale只作用于想x轴
}

挤压

挤压一般会指明一个作用点和一个挤压方向，它的特点是把作用点附近的纹理推到挤压终点位置。

如下图，绿色作用点P作为挤压起点，箭头为挤压向量V，其中向量方向指明挤压的方向，向量长度 length(V)代表挤压的距离，向量终点为挤压后的位置。
要实现纹理挤压，就是让采样圈圆心往挤压向量V上偏移，采样中心点应平移到点P的位置。

随着采样圈的半径dist由内到外逐渐变大，其变换后的圆心偏移量offset逐渐缩短，我们可以用-smoothstep平滑递减函数处理采样圈半径dist与圈偏移量offset之间的关系。

公式：offset = length(V) - length(V) * smoothstep(0, R, dist)，其中R表示挤压边界range。

同样的，我们引入时间变量time动态改变挤压向量的长度和方向，可以实现抖动特效，如上图小丑顶胯效果，具体shader代码如下：

#iChannel0 "src/assets/texture/joker.png"
#define RANGE .25  // 变形范围
#define PINCH_VECTOR vec2( sin(iTime * 10.), cos(iTime * 20.)) * .03 // 挤压向量

vec2 pinch(vec2 uv, vec2 targetPoint, vec2 vector, float range) 
{ 
    vec2 center = targetPoint + vector;
    float dist = distance(uv, targetPoint);
    vec2 point = targetPoint +  smoothstep(0., 1., dist / range) * vector;
    return uv - center + point;
}
void mainImage(out vec4 fragColor, vec2 coord) {
    vec2 uv = coord / iResolution.xy;
    vec2 mouse = iMouse.xy / iResolution.xy;
    uv = pinch(uv, mouse, PINCH_VECTOR, RANGE);
    vec3 color = texture(iChannel0, uv).rgb;
    fragColor.rgb = color;
}

总结

本文主要介绍三类局部变形shader的实现原理，其中膨胀/收缩和挤压效果是通过采样距离场变换实现的，前者变换的是采样圈大小，后者变换的是采用圈位置。

除了这三种局部变形，还有一些有趣的全局变形比如波浪、错位和镜像等特效，shader实现比较容易，就不多做介绍了。

预览代码与效果

扭曲：https://www.shadertoy.com/vie...
膨胀/缩放：https://www.shadertoy.com/vie...
挤压/拉伸：https://www.shadertoy.com/vie...

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