Remove C++11 dependency from ResampleEffect.
[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 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
42         double x_R, x_G, x_B;
43         double y_R, y_G, y_B;
44
45         switch (space) {
46         case COLORSPACE_REC_709:  // And sRGB.
47                 x_R = rec709_x_R; x_G = rec709_x_G; x_B = rec709_x_B;
48                 y_R = rec709_y_R; y_G = rec709_y_G; y_B = rec709_y_B;
49                 break;
50         case COLORSPACE_REC_601_525:
51                 x_R = rec601_525_x_R; x_G = rec601_525_x_G; x_B = rec601_525_x_B;
52                 y_R = rec601_525_y_R; y_G = rec601_525_y_G; y_B = rec601_525_y_B;
53                 break;
54         case COLORSPACE_REC_601_625:
55                 x_R = rec601_625_x_R; x_G = rec601_625_x_G; x_B = rec601_625_x_B;
56                 y_R = rec601_625_y_R; y_G = rec601_625_y_G; y_B = rec601_625_y_B;
57                 break;
58         case COLORSPACE_REC_2020:
59                 x_R = rec2020_x_R; x_G = rec2020_x_G; x_B = rec2020_x_B;
60                 y_R = rec2020_y_R; y_G = rec2020_y_G; y_B = rec2020_y_B;
61                 break;
62         default:
63                 assert(false);
64         }
65
66         // Recover z = 1 - x - y.
67         double z_R = 1.0 - x_R - y_R;
68         double z_G = 1.0 - x_G - y_G;
69         double z_B = 1.0 - x_B - y_B;
70
71         // We have, for each primary (example is with red):
72         //
73         //   X_R / (X_R + Y_R + Z_R) = x_R
74         //   Y_R / (X_R + Y_R + Z_R) = y_R
75         //   Z_R / (X_R + Y_R + Z_R) = z_R
76         //
77         // Some algebraic fiddling yields (unsurprisingly):
78         //
79         //   X_R = (x_R / y_R) Y_R   (so define k1 = x_R / y_R)
80         //   Z_R = (z_R / y_R) Y_R   (so define k4 = z_R / y_R)
81         //
82         // We also know that since RGB=(1,1,1) should give us the
83         // D65 illuminant, we must have
84         //
85         //   X_R + X_G + X_B = D65_X
86         //   Y_R + Y_G + Y_B = D65_Y
87         //   Z_R + Z_G + Z_B = D65_Z
88         //
89         // But since we already know how to express X and Z by
90         // some constant multiple of Y, this reduces to
91         //
92         //   k1 Y_R + k2 Y_G + k3 Y_B = D65_X
93         //      Y_R +    Y_G +    Y_B = D65_Y
94         //   k4 Y_R + k5 Y_G + k6 Y_B = D65_Z
95         //
96         // Which we can solve for (Y_R, Y_G, Y_B) by inverting a 3x3 matrix.
97
98         Matrix3d temp;
99         temp(0,0) = x_R / y_R;
100         temp(0,1) = x_G / y_G;
101         temp(0,2) = x_B / y_B;
102
103         temp(1,0) = 1.0;
104         temp(1,1) = 1.0;
105         temp(1,2) = 1.0;
106
107         temp(2,0) = z_R / y_R;
108         temp(2,1) = z_G / y_G;
109         temp(2,2) = z_B / y_B;
110
111         Vector3d d65_XYZ(d65_X, d65_Y, d65_Z);
112         Vector3d Y_RGB = temp.inverse() * d65_XYZ;
113
114         // Now convert xyY -> XYZ.
115         double X_R = temp(0,0) * Y_RGB[0];
116         double Z_R = temp(2,0) * Y_RGB[0];
117
118         double X_G = temp(0,1) * Y_RGB[1];
119         double Z_G = temp(2,1) * Y_RGB[1];
120
121         double X_B = temp(0,2) * Y_RGB[2];
122         double Z_B = temp(2,2) * Y_RGB[2];
123
124         Matrix3d m;
125         m(0,0) = X_R;      m(0,1) = X_G;      m(0,2) = X_B;
126         m(1,0) = Y_RGB[0]; m(1,1) = Y_RGB[1]; m(1,2) = Y_RGB[2];
127         m(2,0) = Z_R;      m(2,1) = Z_G;      m(2,2) = Z_B;
128
129         return m;
130 }
131
132 string ColorspaceConversionEffect::output_fragment_shader()
133 {
134         // Create a matrix to convert from source space -> XYZ,
135         // another matrix to convert from XYZ -> destination space,
136         // and then concatenate the two.
137         //
138         // Since we right-multiply the RGB column vector, the matrix
139         // concatenation order needs to be the opposite of the operation order.
140         Matrix3d source_space_to_xyz = get_xyz_matrix(source_space);
141         Matrix3d xyz_to_destination_space = get_xyz_matrix(destination_space).inverse();
142         Matrix3d m = xyz_to_destination_space * source_space_to_xyz;
143
144         return output_glsl_mat3("PREFIX(conversion_matrix)", m) +
145                 read_file("colorspace_conversion_effect.frag");
146 }
147
148 }  // namespace movit