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Android 高階UI解密 (二) ：Paint濾鏡 與 顏色過濾（矩陣變換）

阿新 • • 發佈：2019-01-29

若是曾經檢視過系統UI的原始碼， 會發現其中使用了一些渲染效果，例如將圖片加上黑白、懷舊的效果，生活中常用的逆天美顏相機，其中的原理就是使用了濾鏡效果、顏色通道過濾。若還要深究其原理組成，便涉及到了高等數學裡的矩陣變換，也就是Android 中的顏色矩陣！此篇文章便來一探究竟如何實現濾鏡和其原理組成。

（關於矩陣這一塊，無需過度深究數學部分，此處為了充分理解渲染效果，只需瞭解大概原理，利用其API完成簡單濾鏡效果。）

其實濾鏡效果就是對影象進行一定的過濾加工處理。例如PS軟體中常見的濾鏡效果：模糊、銳化、素描等等，以上功能便涉及到濾鏡效果的矩陣。使用Paint設定濾鏡效果，可分為以下兩個方面：

  • Alpha濾鏡處理
  • 顏色RGB的濾鏡處理

以上兩個方面正好對應Paint的兩個重點API，分別是以下：

  • setMaskFilter(MaskFilter filter) 是基於整個畫面來進行過濾。
  • setColorFilter(ColorFilter filter)是對每個畫素的顏色進行過濾。

此篇文章分為以上兩個方面來詳細解析濾鏡、顏色過濾的奧祕。

一. Alpha濾鏡處理

Alpha就是對透明度的處理，涉及到MaskFilter這個類，它是一個抽象類：

這裡寫圖片描述

MaskFilter是在繪製Alpha通道遮罩之前執行轉換的物件的基類。 MaskFilter

的子類可以通過Paint的setMaskFilter方法設定到畫筆中。 而模糊遮罩濾鏡BlurMaskFilter和浮雕遮罩濾鏡EmbossMaskFilter是實現MaskFilter的子類。

1. 模糊遮罩濾鏡BlurMaskFilter

見名識意，此濾鏡類似於一種模糊效果。以構造方法中指定的半徑模糊其邊緣，另外還可指定模糊的風格，模糊其內部、外部、邊框或者本身。

//構造方法
BlurMaskFilter (float radius, BlurMaskFilter.Blur style)

引數說明：

  • radius：模糊區域半徑；
  • style：模糊的格式 （BlurMaskFilter.Blur 型別）
    • INNER：模糊內部邊框，外部不變；
    • NORMAL：模糊內外邊框；
    • OUTER：內部不變，模糊外部；
    • SOLID：在邊界內部畫實體，模糊外面；

注意：注意以上四種類型的解釋差異，模糊內部和模糊內部邊框是不同的！

  • 內外部邊框相關：INNER只是簡單模糊其內部邊框，圖片外部呈現淡白色；而NORMAL是直接模糊內外邊框，圖片外部已經呈現圖片邊緣的背景色；
  • 內外部相關：OUTER效果比較奇葩，圖片內部空白，外部模糊成圖片邊緣的背景色；SOLID則是保持內部實體，外部模糊成圖片邊緣的背景色。

程式碼測試後的效果圖如下：

這裡寫圖片描述

2. 浮雕遮罩濾鏡（EmbossMaskFilter）

EmbossMaskFilter(float[] direction, float ambient, float specular, float blurRadius)

引數說明：

  • direction：指定光源方向的3個標量[x，y，z]的陣列；
  • ambient：指定環境光量強度[0,1]；
  • specular：指定鏡面反射係數（例如8）；
  • blurRadius：指定模糊半徑（例如3）；
        mPaint.setMaskFilter(new EmbossMaskFilter(new float[]{400,100,100}, 0.5f, 60, 80));
        canvas.drawBitmap(bitmap, 400, 100, mPaint);

這裡寫圖片描述

注意：檢視EmbossMaskFilter類的構造方法原始碼，發現其真正建立物件是呼叫了native方法，因此這也表明google在android 的graphics包中準備了一系列的濾鏡，也需要傳入相應的引數，而其中引數的運算是非常複雜的，涉及到矩陣運算。

需要強調的是“矩陣運算”並非只是簡單的公式計算，試想一塊手機螢幕所含的畫素點有多少，假設是1080P，若一張圖片覆蓋整個螢幕，需要處理每一個畫素點，工作量是很大的，為了計算效率而採用了native方法，交由它來完成。

二. 顏色RGB的濾鏡處理

濾鏡的所有處理效果都是通過顏色矩陣的變換實現的，例如生活中常見的美顏相機，它實現的一些特效：高光、復古、黑白等濾鏡。那麼首先來了解何為矩陣？其中涉及到多階矩陣，這裡以二階矩陣為例進行講解。

1. 矩陣簡析

（1）定義

這裡寫圖片描述

（2）矩陣乘法

矩陣其實就相當於一個二維陣列，而重點則在於矩陣之間的計算，特別是乘法計算與後續濾鏡計算有關，乘法運算如下：

這裡寫圖片描述

矩陣的乘法計算步驟如下：

  • 將第一個矩陣A的第一行，與第二個矩陣B的第一列的數字分別相乘，得到的結果相加，最終的值做為結果矩陣的第(1,1)位置的值（即第一行，第一列）。
  • 同樣，A矩陣的第一行與B矩陣的第二列的數字分別相乘然後相加，結果做為結果矩陣第(1，2)位置的值（即第一行第二列）。
  • 依次類推。

注意：矩陣A乘以矩陣B和矩陣B乘以矩陣A的結果是不一樣的。

示例如下：

這裡寫圖片描述

2. 色彩資訊的矩陣表示

魯迅曾經說過（並沒有）：矩陣運算對於Android畫素處理的意義極大！

以上在重點強調矩陣中的乘法運算後，接下來將解密其奧妙。顏色的組成為ARGB，這裡先不討論Alpha透明度，以RGB為主。舉個例子：美顏相機中的圖片美白原理就是將紅色、綠色、藍色進行位移，可以獲得不同的效果，而其中的計算則可以藉助矩陣完成。

（1）四階表示

ARGB的四階表示式如下：

這裡寫圖片描述

如果想將色彩（0，255，0，255）更改為半透明時，可以使用下面的的矩陣運算來表示：

這裡寫圖片描述

其實顏色變換就是將矩陣看成一套數學模型，便於計算ARGB值。

（2）五階矩陣

任何一個顏色都是三色素（紅綠藍）構成的，也就是RGB。例如黃色是由紅色和綠色形成。

考慮下面這兩個變換需求：

  • 紅色分量值更改為原來的2倍；
  • 綠色分量增加100；

若要實現以上變換，四階矩陣的乘法無法實現。根據以上ARGB四階矩陣的運算規則，只能進行乘法運算，而無法進行加法運算，因此在四階色彩變換矩陣上增加一個“啞元座標”，來實現所列的矩陣運算，也就是“五階矩陣”。過程如下圖：

這裡寫圖片描述

第一個矩陣中前四列中任然代表ARGB，而第五列則是分量值，即綠色需要加的100，200 = 1*100+100。

3. 例項

（1）需求

通過矩陣變換講一個圖片、顏色塊，過濾掉其中的紅色、綠色，只留下藍色。

（2）程式碼

檢視以下程式碼，繪製出以下兩個圖形進行對比：

  • 第一個矩形設定其ARGB顏色，整體偏紅色；
  • 重點是第二個矩形的顏色過濾器設定：建立其ColorMatrix 矩形變換物件，其中根據上部分公式講解，結合過濾紅色、綠色的需求。因此第一行第一列為R值為0，第二行第二列為G值為0，第三行第三列為B值為1，第四行第四列為A值為1，最後一列是分量值，皆為0。
        //=====顏色RGB的濾鏡處理===

        mPaint.setColor(Color.argb(255,200,100,100));
        canvas.drawRect(200, 200, 400, 400, mPaint);

        canvas.translate(400,0);

        //五階矩陣，R、G為0，A、B為1，第五列為分量，不需要進行平移為0
        ColorMatrix matrix = new ColorMatrix(new float[]{
            0,0,0,0,0,
            0,0,0,0,0,
            0,0,1,0,0,
            0,0,0,1,0,
        });

        //設定顏色過濾器
        mPaint.setColorFilter(new ColorMatrixColorFilter(matrix));
        canvas.drawRect(200, 200, 400, 400, mPaint);

（3）效果展示

這裡寫圖片描述

根據以上對比圖實踐成功，將第一個矩形中的顏色（#C86464）過濾，僅留下藍色（#000064）。若純色塊對比不明顯，難以理解“過濾”的概念，直接使用圖片對比，將以上程式碼中的drawRect改成drawBitmap即可，效果如下：

這裡寫圖片描述

注意：其濾鏡的原理還是在於設定的顏色過濾器——矩陣變換，同理可只過濾掉紅色、綠色、藍色或任意組合，都可由矩陣變換完成。其中不僅可以修改ARGB值（乘法），同樣可以修改五階矩陣中代表分量值的第五列（加法），不同的修改方式可以形成各式濾鏡效果。例如美圖秀秀中的各種濾鏡其原理是如此，內部包含大量的濾鏡模板（庫）。

4. 實踐濾鏡效果——色彩運算

以上簡單的舉個例子實踐了矩陣變換，下面來總結歸納其矩陣運算，無非是以下兩種：

  • 色彩的平移運算（加法運算）
  • 色彩的縮放運算（乘法運算）

以下程式碼實踐5種濾鏡效果來熟悉運用矩陣運算。

（1）反相效果 —— 曝光

常見的照相機中的曝光也就是矩陣運算中的反向，即設原先的ARGB值為100，200，250，用最大值255減去原來的值，結果為155，55，5，就是“曝光”。

矩陣運算解析：其餘程式碼同上個程式碼示例相同，這裡主要是矩陣運算方面的變化：反向效果涉及到用255減去原值，因此直接結合乘法與加法（分量值），可實現該結果！

程式碼示例如下：

        //曝光效果
        ColorMatrix matrix = new ColorMatrix(new float[]{
            -1,0,0,0,255,
            0,-1,0,0,255,
            0,0,-1,0,255,
            0,0,0,1,0,
        });

圖片展示效果如下：

這裡寫圖片描述

（2）美白效果 —– 顏色增強

矩陣運算解析：首先需要知道1f是影象原色，即不改變影象濾鏡。若要增強顏色達到一種美白的效果，只需要將RGB值稍加增大即可。

程式碼如下：

        //美白效果
        ColorMatrix matrix = new ColorMatrix(new float[]{
            1.2f,0,0,0,0,
            0,1.2f,0,0,0,
            0,0,1.2f,0,0,
            0,0,0,1.2f,0,
        });

圖片展示效果如下：

這裡寫圖片描述

（3）黑白效果

去色原理：只要把RGB三通道的色彩資訊設定成一樣，即R=G=B，那麼影象就變成了灰色，並且為了保證影象亮度不變，同一個通道中的 R+G+B=1。

例如 0.213+0.715+0.072 = 1，三個數字是根據色彩光波頻率及色彩心理學計算出來的。（人對色彩的感知是融合色彩顯示和視覺心理成分的，例如你盯著一個純色快看一段時間，再看向別的事物，此時你看的事物都是自帶濾鏡的）

矩陣運算解析：根據以上三個值設定RGB即可得到黑白影象的效果，但是需要將五階矩陣中代表RGB的前四階中代表各列中每一行的值都設定，A無需考慮，最後以列分量也無需考慮。

程式碼如下：

        //黑白圖片
        ColorMatrix matrix = new ColorMatrix(new float[]{
                0.213f, 0.715f,0.072f,0,0,
                0.213f, 0.715f,0.072f,0,0,
                0.213f, 0.715f,0.072f,0,0,
                0,      0,      0,    1f,0,
        });

圖片展示效果如下：

這裡寫圖片描述

（4）色彩反射效果

何為反射效果？例如將影象中紅色的成分替換成綠色的成分，綠色的成分替換成紅色的。

        //原始效果
        ColorMatrix matrix = new ColorMatrix(new float[]{
            1f,0,0,0,0,
            0,1f,0,0,0,
            0,0,1f,0,0,
            0,0,0,1f,0,
        });

矩陣運算解析：以上是影象原始效果，即ARGB皆為1F，即使設定了此顏色過濾，影象並無任何改變。與此對比，要實現色彩反射效果，比如紅色和綠色交換—-把第一行和第二行交換即可。

程式碼如下：

        //髮色效果（比如紅色和綠色交換----把第一行和第二行交換）
        ColorMatrix matrix = new ColorMatrix(new float[]{
            0,1f,0,0,0,
            1f,0,0,0,0,
            0,0,1f,0,0,
            0,0,0,1f,0,
        });

圖片展示效果如下：

這裡寫圖片描述

（5）復古效果

矩陣運算解析：這是美顏相機中常見的一款濾鏡形式，矩陣中有特定的演算法模板。

程式碼如下：

        //復古風格
        ColorMatrix matrix = new ColorMatrix(new float[]{
                1/2f,1/2f,1/2f,0,0,
                1/3f,1/3f,1/3f,0,0,
                1/4f,1/4f,1/4f,0,0,
                0,0,0,1f,0,
            });

圖片展示效果如下：

這裡寫圖片描述

三. ColorMatrix 相關詳解

上一點講解了多個有關矩陣變換的例子，對實踐矩陣運算和其產生的效果稍有理解，如果涉及到美容相機或者影象處理的一些效果需求，絕大可能會用到矩陣運算，而矩陣運算肯定涉及到ColorMatrix，此部分內容來詳細解析ColorMatrix。

這裡寫圖片描述

ColorMatrix就是4x5矩陣，用於轉換點陣圖的RGB顏色和Alpha分量。 該矩陣可以作為單個數組傳遞，並按以下方式處理：

  [ a, b, c, d, e,
    f, g, h, i, j,
    k, l, m, n, o,
    p, q, r, s, t ]

當應用於顏色[R，G，B，A]時，每個值的範圍是[0, 255]，生成的顏色計算如下：

   R’ = a*R + b*G + c*B + d*A + e;
   G’ = f*R + g*G + h*B + i*A + j;
   B’ = k*R + l*G + m*B + n*A + o;
   A’ = p*R + q*G + r*B + s*A + t;

1、構造方法

（1）用指定的值陣列建立一個新的Colormatrix

        ColorMatrix matrix = new ColorMatrix(new float[]{});

程式碼示例：

ColorMatrix matrix = new ColorMatrix(new float[]{
                1.2f,0,0,0,0,
                0,1.2f,0,0,0,
                0,0,1.2f,0,0,
                0,0,0,1.2f,0,
        });

（2）建立一個新的Colormatrix，後續設值

        ColorMatrix matrix = new ColorMatrix();
        float[] scr = {...};
        matrix.set(src)

2.設定色彩的縮放函式（矩陣的乘法運算）

setScale(float rScale, float gScale, float bScale, float aScale)

API作用：設定此顏色矩陣按指定的值進行縮放。
引數：分別是設定R、G、B、A相乘的值。

注意：在上一部分的第四點中已經介紹過矩陣變換中兩種重要運算 —— 乘法和加法，並且在以上示例中都是直接修改 4*5 陣列矩陣。Colormatrix提供的此API可以輕易設定R、G、B、A需要相乘的值。另外追蹤其原始碼實現也很簡單，就是根據引數設定值與陣列中對應的R、G、B、A相乘。

3.設定飽和度（矩陣的加法運算）

setSaturation(float sat)

API作用：設定矩陣以影響顏色的飽和度。
引數： sat引數指對映到灰色的值。 1代表原色，0代表灰色，>1則增加飽和度。

API原始碼

    public void setSaturation(float sat) {
        reset();
        float[] m = mArray;

        final float invSat = 1 - sat;
        final float R = 0.213f * invSat;
        final float G = 0.715f * invSat;
        final float B = 0.072f * invSat;

        m[0] = R + sat; m[1] = G;       m[2] = B;
        m[5] = R;       m[6] = G + sat; m[7] = B;
        m[10] = R;      m[11] = G;      m[12] = B + sat;
    }

原始碼剖析

有詳細檢視上一部分內容的讀者，你會發現原始碼中這個三個特殊值很熟悉，它就是在講解濾鏡中黑白效果中有提到的去色原理：R+G+B=1從而圖片呈現灰色，同時考慮到色彩光波頻率及色彩心理學，計算得出最佳值RGB最佳值：0.213+0.715+0.072 = 1。因此在此基礎之上，根據引數設定的值來修改RGB值，達到影象飽和度變化！

例項

下面實現一個簡單的demo，在onDraw方法中設定影象的顏色過濾器，設定飽和度為0，在onTouchEvent方法中監聽點選處理，每次觸控其飽和度以0.3f 增加，檢視影象變化效果：

（程式碼文末提供，在此不贅述）

這裡寫圖片描述

效果分析

檢視以上效果符合預期情況，最初設定引數為0，因此影象呈現出灰色，隨著不斷點選，飽和度依次增加，即RGB值逐漸增加，顏色恢復成原色，接著點選，引數值大於1，影象明顯過飽和。

4.色彩旋轉函式

setRotate(int axis, float degrees)

API作用：通過指定的值設定顏色軸上的旋轉。
引數： axis代表旋轉軸，0紅色軸，1綠色，2藍色；degrees代表旋轉的度數。

這裡寫圖片描述

注意： 類似於上圖中的3D效果，例如這裡指定圍繞B軸選裝，則B值不變，R、G值會隨之改變，而且一圈360度旋轉完會再次恢復到原始顏色影象。

例項

下面實現一個簡單的demo，在onDraw方法中設定影象的顏色過濾器，設定圍繞R軸旋轉，在onTouchEvent方法中監聽點選處理，每次觸控其旋轉度數以20f增加，檢視影象變化效果：

（程式碼文末提供，在此不贅述）

這裡寫圖片描述

效果分析

檢視以上效果，根據設定是圍繞R軸旋轉，隨著度數增加，影象漸漸呈現紅色，最終又慢慢恢復成影象原色。既然將此顏色過濾器指定圍繞R軸，隨著旋轉角度增加，達到某一個臨界點，影象會逐漸過濾掉所有顏色，只剩下紅色。繼續增加，顏色接著改變，直至旋轉到360度恢復成原影象。

5. ColorFilter的子類

這裡寫圖片描述

ColorFilter類：一個顏色過濾器可以和Paint一起使用來修改用這個顏料繪製的每個畫素的顏色。從它的名字也可知，為繪製設定顏色過濾。顏色過濾就是為繪製的內容設定統一的過濾規則。

Paint.setColorFilter(ColorFilter filter)

一般是通過Paint畫筆設定其顏色過濾器，由於ColorFilter是抽象類，使用的是它的三個子類，如下：

（1）ColorMatrixColorFilter 色彩矩陣的顏色顧慮器

類作用：通過4x5彩色矩陣轉換顏色的彩色濾鏡。 這個濾鏡可以用來改變畫素的飽和度，從YUV轉換到RGB等。

//建構函式
new ColorMatrixColorFilter(ColorMatrix matrix);

構造方法引數：就是**ColorMatrix**4x5矩陣，用於轉換點陣圖的RGB顏色和Alpha分量。

注意：本篇文章第二大部分顏色RGB的濾鏡處理，使用的都是ColorMatrixColorFilter 色彩矩陣的顏色顧慮器，在此無需贅述。

（2） LightingColorFilter 光照顏色過濾器（過濾顏色和增強色彩）

類作用：可用於模擬簡單照明效果的濾色器。 一個LightingColorFilter由兩個引數定義，一個用於將源顏色（稱為colorMultiply）和一個用於新增到源顏色（稱為colorAdd）的顏色相乘。 這個彩色濾光片保持不變的alpha通道。

給定源顏色RGB，由此得出R’G’B’顏色：

 R' = R * colorMultiply.R + colorAdd.R
 G' = G * colorMultiply.G + colorAdd.G
 B' = B * colorMultiply.B + colorAdd.B
//建構函式
new LightingColorFilter(int mul, int add);

構造方法引數： mul是與源RGB相乘的值；add是與源RGB相加的分量值。

注意：此方法就是結合了矩陣運算中的乘法和加法，更加簡化。需要注意的是引數型別雖為int值，但規定為顏色值，即16進位制的值，例如0x00ff00，說白了就是範圍 [0,255]區間的顏色值。

例項

這裡做一個簡單的測試，設定LightingColorFilter 光照顏色過濾器的兩個引數分別為0x00ff00，0x000000。0x00ff00就是一個綠色值（原諒色~），會與RGB源值相乘，而這裡相加的值設定為0，不做修改。因此設定該光照顏色過濾器後，影象整體應該呈現出綠色。

        ......
        mPaint.setColorFilter(new LightingColorFilter(0x00ff00, 0x000000));
        canvas.drawBitmap(bitmap, null, new RectF(200, 200, 400, 400*bitmap.getHeight()/bitmap.getWidth()), mPaint);

效果如下：

這裡寫圖片描述

效果分析

圖片效果與理想效果相符，因此根據此API可輕易完成矩陣變換中的乘法和加法運算，實現需求效果。

（3） PorterDuffColorFilter 圖形混合濾鏡（圖形學理論）

類作用：一種彩色濾光片，可用於使用單色和特定的Porter-Duff複合模式為源畫素著色。 就是使用一個指定的顏色和一種指定的 PorterDuff.Mode 來與繪製物件進行合成。

//建構函式
new PorterDuffColorFilter(int color, PorterDuff.Mode mode);

構造方法引數： color 引數是指定的顏色；mode 引數是指定的 Mode，即PorterDuff.Mode。

注意： PorterDuffColorFilter 和ComposeShader兩者都使用到了PorterDuff.Mode，其中一個是顏色過濾器，一個是著色器，而且PorterDuffColorFilter顏色過濾器只能指定一種顏色作為源，而不是一個 Bitmap。

文章小結

此篇文章的主要是研究Paint的兩個重點API：從Alpha濾鏡處理、顏色RGB的濾鏡處理兩個方面拓展開，其中涉及到了高數知識——矩陣運算，此篇為了研究顏色過濾原理稍作介紹，並實踐展示了幾個濾鏡效果，學會API實際運用。

此篇文章是有關於有關Paint的高階使用，結合上一篇Paint的基本使用，Paint相關知識重點暫時介紹到這裡，下一篇文章將開始歸納Canvas畫布相關內容。

（程式碼整理中，後續會提供）

若有錯誤，歡迎指教~

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Android APIDemos 研讀之二：android.graphics.Camera 源文地址 : http://blog.csdn.net/sharetop/article/details/5277655

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android學習軌跡之二：Android許可權標籤uses-permission的書寫位置

場景 想獲取手機內所有聯絡人。並且AndroidManifest.xml中也添加了 <uses-permission android:name="android.permission.READ_CONTACTS" />  許可權程式碼。  可是一樣出現 Permission denail. .

阿里雲 Aliplayer高階功能介紹(二)：縮圖

基本介紹 Aliplayer提供了縮圖的功能，讓使用者在拖動進度條之前知道視訊的內容，使用者能夠得到很好的播放體驗，縮圖是顯示在Controlbar的上面，並且包含當前的時間，阿里雲的媒體處理服務提供介面可以生成縮圖的功能， 先看一下基本的效果： 縮圖的格式 WebVTT介紹 縮圖採用了web

Android多媒體學習十二：Android中Video的三種播放方式的實現

在Android中，我們有三種方式來實現視訊的播放。 1、使用其自帶的播放器。指定Action為ACTION_VIEW,Data為Uri，Type為其MIME型別。 2、使用VideoView來播放。在佈局檔案中使用VideoView結合MediaController來實

Android高階UI ProgressBar實現各種效果的圓形進度

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Android 高階UI元件之下拉選單(Spanner)

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Android高階UI PullToRefresh下拉重新整理

配置該第三方庫步驟 1. 下載 下載的是eclipse的library工程，在android studio需要將其作為module加入。 2. 新增到android studio中 file->new->import mo

Android介面程式設計——Android高階UI元件（三）

ArrayAdapter是比較簡單介面卡，只能用於顯示一行文字資料。建構函式如下： ArrayAdapter(Context context, int resource, T[] objects) ArrayAdapter(Context context, int resource, List<T&g

Day4.2--Android高階UI控制元件之AutoCompleteTextView的使用

AutoCompleteTextView--自動不全文字檢視， 先來看下它的繼承關係： 可以看到，AutoCompleteTextView實際上是繼承自EditText的， 因此它也是一個可編輯的文字框 那麼它也EditText得區別在哪裡呢， 看下動態圖所示： 從圖中

Android事件分發機制二：viewGroup與view對事件的處理

## 前言 很高興遇見你~ 在上一篇文章 [Android事件分發機制一：事件是如何到達activity的？](https://juejin.cn/post/6918272111152726024) 中，我們討論了觸控資訊從螢幕產生到傳送給具體 的view處理的整體流程，這裡先來簡單回顧一下： ![整體