Move to 'using namespace std;' in all .cpp files.
[movit] / 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 }