git.sesse.net Git - movit/blob - colorspace_conversion_effect.cpp

   1 #include <assert.h>
   2 #include <Eigen/Core>
   3 #include <Eigen/LU>
   4
   5 #include "colorspace_conversion_effect.h"
   6 #include "d65.h"
   7 #include "util.h"
   8
   9 using namespace Eigen;
  10 using namespace std;
  11
  12 namespace movit {
  13
  14 // Color coordinates from Rec. 709; sRGB uses the same primaries.
  15 static const double rec709_x_R = 0.640, rec709_x_G = 0.300, rec709_x_B = 0.150;
  16 static const double rec709_y_R = 0.330, rec709_y_G = 0.600, rec709_y_B = 0.060;
  17
  18 // Color coordinates from Rec. 601. (Separate for 525- and 625-line systems.)
  19 static const double rec601_525_x_R = 0.630, rec601_525_x_G = 0.310, rec601_525_x_B = 0.155;
  20 static const double rec601_525_y_R = 0.340, rec601_525_y_G = 0.595, rec601_525_y_B = 0.070;
  21 static const double rec601_625_x_R = 0.640, rec601_625_x_G = 0.290, rec601_625_x_B = 0.150;
  22 static const double rec601_625_y_R = 0.330, rec601_625_y_G = 0.600, rec601_625_y_B = 0.060;
  23
  24 // Color coordinates from Rec. 2020.
  25 static const double rec2020_x_R = 0.708, rec2020_x_G = 0.170, rec2020_x_B = 0.131;
  26 static const double rec2020_y_R = 0.292, rec2020_y_G = 0.797, rec2020_y_B = 0.046;
  27
  28 ColorspaceConversionEffect::ColorspaceConversionEffect()
  29         : source_space(COLORSPACE_sRGB),
  30           destination_space(COLORSPACE_sRGB)
  31 {
  32         register_int("source_space", (int *)&source_space);
  33         register_int("destination_space", (int *)&destination_space);
  34 }
  35
  36 Matrix3d ColorspaceConversionEffect::get_xyz_matrix(Colorspace space)
  37 {
  38         if (space == COLORSPACE_XYZ) {
  39                 return Matrix3d::Identity();
  40         }
  41         if (space == COLORSPACE_sRGB) {
  42                 // sRGB is not defined by the color primaries, but by concrete
  43                 // forward and inverse matrices that are rounded-off versions
  44                 // of the Rec. 709 color space (see
  45                 // https://photosauce.net/blog/post/what-makes-srgb-a-special-color-space).
  46                 // We're not compliant with the inverse matrix, since we'd be
  47                 // too accurate (sRGB is specified for 8-bit only); however,
  48                 // results should be very close in practice (and even closer to
  49                 // scRGB's inverse matrix, which is a higher-accuracy inversion of
  50                 // the same forward matrix).
  51                 return Matrix3d{
  52                         { 0.4124, 0.3576, 0.1805 },
  53                         { 0.2126, 0.7152, 0.0722 },
  54                         { 0.0193, 0.1192, 0.9505 }
  55                 };
  56         }
  57
  58         double x_R, x_G, x_B;
  59         double y_R, y_G, y_B;
  60
  61         switch (space) {
  62         case COLORSPACE_REC_709:
  63                 x_R = rec709_x_R; x_G = rec709_x_G; x_B = rec709_x_B;
  64                 y_R = rec709_y_R; y_G = rec709_y_G; y_B = rec709_y_B;
  65                 break;
  66         case COLORSPACE_REC_601_525:
  67                 x_R = rec601_525_x_R; x_G = rec601_525_x_G; x_B = rec601_525_x_B;
  68                 y_R = rec601_525_y_R; y_G = rec601_525_y_G; y_B = rec601_525_y_B;
  69                 break;
  70         case COLORSPACE_REC_601_625:
  71                 x_R = rec601_625_x_R; x_G = rec601_625_x_G; x_B = rec601_625_x_B;
  72                 y_R = rec601_625_y_R; y_G = rec601_625_y_G; y_B = rec601_625_y_B;
  73                 break;
  74         case COLORSPACE_REC_2020:
  75                 x_R = rec2020_x_R; x_G = rec2020_x_G; x_B = rec2020_x_B;
  76                 y_R = rec2020_y_R; y_G = rec2020_y_G; y_B = rec2020_y_B;
  77                 break;
  78         default:
  79                 assert(false);
  80         }
  81
  82         // Recover z = 1 - x - y.
  83         double z_R = 1.0 - x_R - y_R;
  84         double z_G = 1.0 - x_G - y_G;
  85         double z_B = 1.0 - x_B - y_B;
  86
  87         // We have, for each primary (example is with red):
  88         //
  89         //   X_R / (X_R + Y_R + Z_R) = x_R
  90         //   Y_R / (X_R + Y_R + Z_R) = y_R
  91         //   Z_R / (X_R + Y_R + Z_R) = z_R
  92         //
  93         // Some algebraic fiddling yields (unsurprisingly):
  94         //
  95         //   X_R = (x_R / y_R) Y_R   (so define k1 = x_R / y_R)
  96         //   Z_R = (z_R / y_R) Y_R   (so define k4 = z_R / y_R)
  97         //
  98         // We also know that since RGB=(1,1,1) should give us the
  99         // D65 illuminant, we must have
 100         //
 101         //   X_R + X_G + X_B = D65_X
 102         //   Y_R + Y_G + Y_B = D65_Y
 103         //   Z_R + Z_G + Z_B = D65_Z
 104         //
 105         // But since we already know how to express X and Z by
 106         // some constant multiple of Y, this reduces to
 107         //
 108         //   k1 Y_R + k2 Y_G + k3 Y_B = D65_X
 109         //      Y_R +    Y_G +    Y_B = D65_Y
 110         //   k4 Y_R + k5 Y_G + k6 Y_B = D65_Z
 111         //
 112         // Which we can solve for (Y_R, Y_G, Y_B) by inverting a 3x3 matrix.
 113
 114         Matrix3d temp;
 115         temp(0,0) = x_R / y_R;
 116         temp(0,1) = x_G / y_G;
 117         temp(0,2) = x_B / y_B;
 118
 119         temp(1,0) = 1.0;
 120         temp(1,1) = 1.0;
 121         temp(1,2) = 1.0;
 122
 123         temp(2,0) = z_R / y_R;
 124         temp(2,1) = z_G / y_G;
 125         temp(2,2) = z_B / y_B;
 126
 127         Vector3d d65_XYZ(d65_X, d65_Y, d65_Z);
 128         Vector3d Y_RGB = temp.inverse() * d65_XYZ;
 129
 130         // Now convert xyY -> XYZ.
 131         double X_R = temp(0,0) * Y_RGB[0];
 132         double Z_R = temp(2,0) * Y_RGB[0];
 133
 134         double X_G = temp(0,1) * Y_RGB[1];
 135         double Z_G = temp(2,1) * Y_RGB[1];
 136
 137         double X_B = temp(0,2) * Y_RGB[2];
 138         double Z_B = temp(2,2) * Y_RGB[2];
 139
 140         Matrix3d m;
 141         m(0,0) = X_R;      m(0,1) = X_G;      m(0,2) = X_B;
 142         m(1,0) = Y_RGB[0]; m(1,1) = Y_RGB[1]; m(1,2) = Y_RGB[2];
 143         m(2,0) = Z_R;      m(2,1) = Z_G;      m(2,2) = Z_B;
 144
 145         return m;
 146 }
 147
 148 string ColorspaceConversionEffect::output_fragment_shader()
 149 {
 150         // Create a matrix to convert from source space -> XYZ,
 151         // another matrix to convert from XYZ -> destination space,
 152         // and then concatenate the two.
 153         //
 154         // Since we right-multiply the RGB column vector, the matrix
 155         // concatenation order needs to be the opposite of the operation order.
 156         Matrix3d source_space_to_xyz = get_xyz_matrix(source_space);
 157         Matrix3d xyz_to_destination_space = get_xyz_matrix(destination_space).inverse();
 158         Matrix3d m = xyz_to_destination_space * source_space_to_xyz;
 159
 160         return output_glsl_mat3("PREFIX(conversion_matrix)", m) +
 161                 read_file("colorspace_conversion_effect.frag");
 162 }
 163
 164 }  // namespace movit