Android动态高斯模糊蒙层

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1 原理

学过数字图像处理或深度学习的同学应该对卷积核（滤波器）这个概念不陌生，事实上模糊就是减少图像的高频信息，高斯模糊就是一个低通滤波器（个人理解图像的高频信息就是图像的细节，低频信息是图像的轮廓）。

模糊在图像中的意思可理解为：中心像素的像素值为由周围像素的像素值的和的平均值。如图：

第一幅图为原始图像，其中心像素的像素值为2，第二幅图为中心像素进行模糊后的图像，其像素值为周围像素值的和的平均值。

对整幅图像来说，高斯模糊就是对图像的所有像素点做上述的卷积操作（卷积核不变），如下图：

1.1 模糊半径

模糊半径指的是中心点与周围像素的距离取值，3*3大小的卷积核模糊半径就是1.5，5*5的模糊半径为2.5依此类推。

计算平均值时，模糊半径越大，参与模糊的像素点越多，图像越模糊，下图分别是原图、模糊半径3像素、模糊半径10像素的效果。

1.2 高斯核

既然每个点都要取周边像素的平均值，那么就涉及到了权重分配的问题。如果使用简单平均，显然不是很合理，因为图像都是连续的，越靠近的点关系越密切，越远离的点关系越疏远。因此，加权平均更合理，距离越近的点权重越大，距离越远的点权重越小。而高斯模糊就是用正态分布来分配周围像素的权重。

在图形上，正态分布是一种钟形曲线，越接近中心，取值越大，越远离中心，取值越小。计算平均值的时候，我们只需要将中心像素作为原点，其他点按照其在正态曲线上的位置，分配权重，就可以得到一个加权平均值。一维正态分布图像如下图所示，由于图像都是二维的，所以我们需要二维的正态分布。

这里直接给出二维高斯函数（在计算平均值的时候，中心点就是原点，所以默认等于0，为模糊半径）：

高斯核函数得出的卷积核模板称之为高斯核，假设一个高斯函数的卷积和模板是5*5，那么他这25个点的x，y具体取值为：

如果要构建一个模糊半径为2的权重矩阵那么他的矩阵应该是（2*2+1）（2*2+1），为什么要加1呢是因为作为权重矩阵往往都是奇数矩阵，通常来讲这是为了能有一个中心点，如果不是奇数那么中心点的半径就不是统一的，例如如果是22的矩阵那么就无法确定准确的中心点位置，奇数刚好可以解决这个问题

有了这个矩阵我们就可以开始利用高斯函数来进行计算了，将x,y带入函数中，并将带入，可以得到权重矩阵：

为了得到权重矩阵需要对上面的矩阵进行归一化处理，得到如下权重矩阵（高斯核）：

1.3 色值计算

得到高斯核后就可以做滑块运算（卷积）了，计算出每个像素点的色值，如果是彩色图像，需要对RGB三个颜色通道进行运算再叠加。

为了提高卷积运算的速度，将高斯核分解为一个行向量和一个列向量进行运算，能减低时间复杂度，这里不展开讲了，感兴趣的可以搜索二维高斯核的可分离核形式，参考二维高斯模糊和可分离核形式的快速实现

这么看下来高斯模糊的原理是不是很简单，那接下来我们看一下在Android中如何实现高斯模糊。

2 RenderScript

RenderScript 是用于在 Android 上以高性能运行计算密集型任务的框架。RenderScript 主要用于数据并行计算，不过串行工作负载也可以从中受益。RenderScript 运行时可在设备上提供的多个处理器（如多核 CPU 和 GPU）间并行调度工作。这样您就能够专注于表达算法而不是调度工作。RenderScript 对于专注于图像处理、计算摄影或计算机视觉的应用来说尤其有用。

这里我们使用Android提供的RenderScript进行高斯模糊，Android上实现高斯模糊有三种方式：

Java ： FastBlur.java ，是由应用非常广泛的 StackBlur 模糊算法实现代码，但是效率最低。

C++ ：有两种实现，1：标准高斯模糊算法； 2：均值模糊，效率属于中等。

RenderScript ：用来在 Android 上编写高性能代码的一种语言（使用C99标准，运行时机器再次优化编译，可以均衡的运行在多个CPU 和 GPU上，有一个半径限制小于25的限制），运算效率最高，但在API17以上才可以使用，如果使用兼容包的话，会导致APK 体积增大，support包约160k。

因为我们要做的高斯模糊蒙层是需要实时刷新的，所以这里使用RenderScript更加合适，

2.1 模糊实现

1. 创建一个RenderScript实例：是用.create()方法创建实例，有好几个重载的方法可以选。同一时间点最好只创建一个RenderScript实例。

2. 创建一个或多个Allocation类实例：Allocation类用于存储需要进行处理的对象数据。包含很多静态创建方法，比较常用的是createFromBitmap(…)和createTyped(…)

3. 创建需要使用的脚本，这里脚本需要分成两类：

ScriptC 这是我们自己编写的.rs文件。编译器会为我们自动映射一个java类，名字是ScriptC_文件名。假如我们写的文件是abc.rs,映射的类名就是ScriptC_abc,实例化操作如下：

ScriptIntrinsic 这是RenderScript内置的已经帮我们写好了的常用脚本，比如有高斯模糊、图像融合等等，它们都继承抽象类ScriptIntrinsic。

4. 设置必要的脚本变量：

RenderScript内置的脚本设置参数就不用说了，主要讲下我们自定义的脚本如何在java中赋值。如果在你自己写的.rs文件中需要使用到额外的参数，你可以定义全局变量，比如int xyz;，那么自动映射的java类中将会自动产生get和set方法，如set_xyz(int);。这样就可以在java代码中做赋值操作,你需要做的仅仅是定义全局变量。注意：静态变量和常量不会生成set方法，只有get。

5. 执行脚本：

最终执行一般调用forEach方法。在自定义的.rs文件中，有参数的方法都会映射两个java方法forEach_方法名，一个是参数跟你自己定义相同的方法，另一个重载的方法是多了一个Script.LaunchOptions类型的参数，可以设置x、y、z三个维度的起点和结束点（比如可以针对图片的某个区域进行操作）。

6. 从Allocation复制数据：将计算完成的数据从Allocation中复制出来，调用copyto(…)方法。（例如复制到一个bitmap）

7. 销毁RenderScript实例：最后，当然不要忘记销毁RenderScript实例，调用它的destroy()方法销毁

2.2 实时效果实现

上面简单介绍了如何讲一个图片（bitmap）模糊化展示出来，而毛玻璃蒙层需要实时的模糊效果，下面简单介绍一些实时模糊效果的实现方案。

实时模糊事实上就是在绘制之前将即将展示出来的bitmap模糊化并替换掉原有的bitmap，也就是说每次执行onDraw方法之前都需要进行一次模糊操作（实时模糊确实会产生一定的性能压力）。

Android给我们提供了一个监听接口ViewTreeObserver.OnPreDrawListener，每次触发onDraw之前都会进入这个监听器的onPreDraw() 方法中，我们可以在这个方法中处理模糊效果，代码如下：

上面代码先确定模糊的位置，将模糊的区域透明化，再将模糊后的bitmap加上去。详细的代码实现可以看参考中的几个Github。

参考：

高斯模糊_SnailTyan的博客-CSDN博客_高斯模糊

【图像处理】高斯模糊、高斯函数、高斯核、高斯卷积操作

二维高斯模糊和可分离核形式的快速实现

GitHub - centerzx/ShapeBlurView: 高斯模糊蒙层库

opencv学习小结（1）–高斯模糊与卷积核、模糊半径

RenderScript 概览 | Android 开发者 | Android Developers (google.cn)

Android 高斯模糊之RenderScript