CSS filter与前端滤镜

今天（2020.04.04）很多网站都换成了灰色调，如淘宝百度掘金知乎等，通过实地考察，灰度的技术无一例外都使用了以下CSS，如淘宝的：

html {
    -webkit-filter: grayscale(100%);
    filter: progid:DXImageTransform.Microsoft.BasicImage(grayscale=1);
}

第一行对非IE浏览器生效，第二行是对IE浏览器生效（emmm…似乎浏览器就分为两种），本质上都是使用filter的grayscale属性，实现灰阶效果，灰阶是一种常用的图片滤镜。打开PS可以看到多种滤镜可选择：

而通过CSS的filter能够实现其中的一些滤镜效果，如灰阶，高斯模糊等。

这个时候你可能会问，网页又不是图片，里面可能会有很多文本，为什么也能应用图片的滤镜呢？实际上网页在渲染到屏幕之前都会被栅格化成Canvas位图再画到屏幕上，所以filter处理的就是这张位图。

通过Chromium源码，我们可以看到相关滤镜的实现，实际上是使用了一个图像矩阵对原始位图进行转换，如下代码所示：

void GetGrayscaleMatrix(float amount, float matrix[20]) {
  // Note, these values are computed to ensure MatrixNeedsClamping is false
  // for amount in [0..1]
  matrix[0] = 0.2126f + 0.7874f * amount;
  matrix[1] = 0.7152f - 0.7152f * amount;
  matrix[2] = 1.f - (matrix[0] + matrix[1]);
  matrix[3] = matrix[4] = 0.f;
 
  matrix[5] = 0.2126f - 0.2126f * amount;
  matrix[6] = 0.7152f + 0.2848f * amount;
  matrix[7] = 1.f - (matrix[5] + matrix[6]);
  matrix[8] = matrix[9] = 0.f;
 
  matrix[10] = 0.2126f - 0.2126f * amount;
  matrix[11] = 0.7152f - 0.7152f * amount;
  matrix[12] = 1.f - (matrix[10] + matrix[11]);
  matrix[13] = matrix[14] = 0.f;
 
  matrix[15] = matrix[16] = matrix[17] = matrix[19] = 0.f;
  matrix[18] = 1.f;
}

这个便为灰阶grayscale的矩阵获取方式，如果CSS传的amount值为1（上面参数的便为1 – amount = 0，代码传参的时候使用了和1的差值），那么将得到以下矩阵：

这个矩阵便是用来对每个像素点进行转换，假设某个像素点的像素值为rgba（255, 119, 50, 0.5），那么这个像素点转换计算如下：

实际上对RGB每一位的计算为：

R/G/B = 255 * 0.2126 + 119 * 0.7152 + 50 * 0.0722 = 143

即使用公式：

这个其实就是灰阶算法，所谓灰阶例如黑白电视便是像素点只用一个维度表示：浅或深，所以需要把RGB三维数据处理成一维的，最简单的便是取RGB的平均值即可，但更科学的应该是用人眼对三原色的感知程度分配系数，这样能提高对比度。

那么为什么上面需要用一个矩阵计算呢，实际上统一成一个矩阵有一个显而易见好处是做多重变换的时候，只需要对这个矩阵进行累乘得到一个最终的矩阵即可，类似于transform. 例如可以在灰阶之后再加上棕褐色（sepia）的处理：

html {
  filter: grayscale(1) sepia(0.5);
}

如下图对比：

棕褐色的矩阵获取方式为：

如果灰阶的矩阵为A，棕褐色矩阵为B，那么此次的变换矩阵便为A * B（注意矩阵一般不满足交换律，A * B不等于B *A），如果我们先做棕褐色处理再做灰阶的话，最后的效果就是灰阶的。

我们发现 Direct2D 等引擎也是使用的这种方式进行变换，只不过采用的矩阵会有点差异：

其它相对简单的滤镜如色调旋转（hue-rotate），反相（invert）等都是采用的这种矩阵变换，但是对于高斯模糊（blur）、投影（drop-shadow）等则是需要一些更复杂的算法，在源码里可以看到，高斯模糊是使用Skia的SkBlurImageFilter类做的处理，具体的计算过程可见 源码 。不管是矩阵还是单独的处理，它们都是继承于PaintFilter.

最后，本篇主要简单介绍了下filter滤镜的一些原理，通过采用一个图像变换矩阵做的处理，不同的滤镜变换的公式不一样，所采用的矩阵也不一样，多种效果可以通过矩阵累积成一个新的矩阵。同时，对于模糊和投影单独有一些更加高级的处理。

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