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 // Color coordinates from Rec. 709; sRGB uses the same primaries.
  13 static const double rec709_x_R = 0.640, rec709_x_G = 0.300, rec709_x_B = 0.150;
  14 static const double rec709_y_R = 0.330, rec709_y_G = 0.600, rec709_y_B = 0.060;
  15
  16 // Color coordinates from Rec. 601. (Separate for 525- and 625-line systems.)
  17 static const double rec601_525_x_R = 0.630, rec601_525_x_G = 0.310, rec601_525_x_B = 0.155;
  18 static const double rec601_525_y_R = 0.340, rec601_525_y_G = 0.595, rec601_525_y_B = 0.070;
  19 static const double rec601_625_x_R = 0.640, rec601_625_x_G = 0.290, rec601_625_x_B = 0.150;
  20 static const double rec601_625_y_R = 0.330, rec601_625_y_G = 0.600, rec601_625_y_B = 0.060;
  21
  22 // Color coordinates from Rec. 2020.
  23 static const double rec2020_x_R = 0.708, rec2020_x_G = 0.170, rec2020_x_B = 0.131;
  24 static const double rec2020_y_R = 0.292, rec2020_y_G = 0.797, rec2020_y_B = 0.046;
  25
  26 ColorspaceConversionEffect::ColorspaceConversionEffect()
  27         : source_space(COLORSPACE_sRGB),
  28           destination_space(COLORSPACE_sRGB)
  29 {
  30         register_int("source_space", (int *)&source_space);
  31         register_int("destination_space", (int *)&destination_space);
  32 }
  33
  34 Matrix3d ColorspaceConversionEffect::get_xyz_matrix(Colorspace space)
  35 {
  36         if (space == COLORSPACE_XYZ) {
  37                 return Matrix3d::Identity();
  38         }
  39
  40         double x_R, x_G, x_B;
  41         double y_R, y_G, y_B;
  42
  43         switch (space) {
  44         case COLORSPACE_REC_709:  // And sRGB.
  45                 x_R = rec709_x_R; x_G = rec709_x_G; x_B = rec709_x_B;
  46                 y_R = rec709_y_R; y_G = rec709_y_G; y_B = rec709_y_B;
  47                 break;
  48         case COLORSPACE_REC_601_525:
  49                 x_R = rec601_525_x_R; x_G = rec601_525_x_G; x_B = rec601_525_x_B;
  50                 y_R = rec601_525_y_R; y_G = rec601_525_y_G; y_B = rec601_525_y_B;
  51                 break;
  52         case COLORSPACE_REC_601_625:
  53                 x_R = rec601_625_x_R; x_G = rec601_625_x_G; x_B = rec601_625_x_B;
  54                 y_R = rec601_625_y_R; y_G = rec601_625_y_G; y_B = rec601_625_y_B;
  55                 break;
  56         case COLORSPACE_REC_2020:
  57                 x_R = rec2020_x_R; x_G = rec2020_x_G; x_B = rec2020_x_B;
  58                 y_R = rec2020_y_R; y_G = rec2020_y_G; y_B = rec2020_y_B;
  59                 break;
  60         default:
  61                 assert(false);
  62         }
  63
  64         // Recover z = 1 - x - y.
  65         double z_R = 1.0 - x_R - y_R;
  66         double z_G = 1.0 - x_G - y_G;
  67         double z_B = 1.0 - x_B - y_B;
  68
  69         // We have, for each primary (example is with red):
  70         //
  71         //   X_R / (X_R + Y_R + Z_R) = x_R
  72         //   Y_R / (X_R + Y_R + Z_R) = y_R
  73         //   Z_R / (X_R + Y_R + Z_R) = z_R
  74         //
  75         // Some algebraic fiddling yields (unsurprisingly):
  76         //
  77         //   X_R = (x_R / y_R) Y_R   (so define k1 = x_R / y_R)
  78         //   Z_R = (z_R / y_R) Y_R   (so define k4 = z_R / y_R)
  79         //
  80         // We also know that since RGB=(1,1,1) should give us the
  81         // D65 illuminant, we must have
  82         //
  83         //   X_R + X_G + X_B = D65_X
  84         //   Y_R + Y_G + Y_B = D65_Y
  85         //   Z_R + Z_G + Z_B = D65_Z
  86         //
  87         // But since we already know how to express X and Z by
  88         // some constant multiple of Y, this reduces to
  89         //
  90         //   k1 Y_R + k2 Y_G + k3 Y_B = D65_X
  91         //      Y_R +    Y_G +    Y_B = D65_Y
  92         //   k4 Y_R + k5 Y_G + k6 Y_B = D65_Z
  93         //
  94         // Which we can solve for (Y_R, Y_G, Y_B) by inverting a 3x3 matrix.
  95
  96         Matrix3d temp;
  97         temp(0,0) = x_R / y_R;
  98         temp(0,1) = x_G / y_G;
  99         temp(0,2) = x_B / y_B;
 100
 101         temp(1,0) = 1.0;
 102         temp(1,1) = 1.0;
 103         temp(1,2) = 1.0;
 104
 105         temp(2,0) = z_R / y_R;
 106         temp(2,1) = z_G / y_G;
 107         temp(2,2) = z_B / y_B;
 108
 109         Vector3d d65_XYZ(d65_X, d65_Y, d65_Z);
 110         Vector3d Y_RGB = temp.inverse() * d65_XYZ;
 111
 112         // Now convert xyY -> XYZ.
 113         double X_R = temp(0,0) * Y_RGB[0];
 114         double Z_R = temp(2,0) * Y_RGB[0];
 115
 116         double X_G = temp(0,1) * Y_RGB[1];
 117         double Z_G = temp(2,1) * Y_RGB[1];
 118
 119         double X_B = temp(0,2) * Y_RGB[2];
 120         double Z_B = temp(2,2) * Y_RGB[2];
 121
 122         Matrix3d m;
 123         m(0,0) = X_R;      m(0,1) = X_G;      m(0,2) = X_B;
 124         m(1,0) = Y_RGB[0]; m(1,1) = Y_RGB[1]; m(1,2) = Y_RGB[2];
 125         m(2,0) = Z_R;      m(2,1) = Z_G;      m(2,2) = Z_B;
 126
 127         return m;
 128 }
 129
 130 string ColorspaceConversionEffect::output_fragment_shader()
 131 {
 132         // Create a matrix to convert from source space -> XYZ,
 133         // another matrix to convert from XYZ -> destination space,
 134         // and then concatenate the two.
 135         //
 136         // Since we right-multiply the RGB column vector, the matrix
 137         // concatenation order needs to be the opposite of the operation order.
 138         Matrix3d source_space_to_xyz = get_xyz_matrix(source_space);
 139         Matrix3d xyz_to_destination_space = get_xyz_matrix(destination_space).inverse();
 140         Matrix3d m = xyz_to_destination_space * source_space_to_xyz;
 141
 142         return output_glsl_mat3("PREFIX(conversion_matrix)", m) +
 143                 read_file("colorspace_conversion_effect.frag");
 144 }