Add a separate header file for the D65 white point.
[movit] / colorspace_conversion_effect.cpp
1 #include <assert.h>
2
3 #include <Eigen/LU>
4
5 #include "colorspace_conversion_effect.h"
6 #include "util.h"
7 #include "d65.h"
8
9 using namespace Eigen;
10
11 // Color coordinates from Rec. 709; sRGB uses the same primaries.
12 static const double rec709_x_R = 0.640, rec709_x_G = 0.300, rec709_x_B = 0.150;
13 static const double rec709_y_R = 0.330, rec709_y_G = 0.600, rec709_y_B = 0.060;
14
15 // Color coordinates from Rec. 601. (Separate for 525- and 625-line systems.)
16 static const double rec601_525_x_R = 0.630, rec601_525_x_G = 0.310, rec601_525_x_B = 0.155;
17 static const double rec601_525_y_R = 0.340, rec601_525_y_G = 0.595, rec601_525_y_B = 0.070;
18 static const double rec601_625_x_R = 0.640, rec601_625_x_G = 0.290, rec601_625_x_B = 0.150;
19 static const double rec601_625_y_R = 0.330, rec601_625_y_G = 0.600, rec601_625_y_B = 0.060;
20
21 ColorspaceConversionEffect::ColorspaceConversionEffect()
22         : source_space(COLORSPACE_sRGB),
23           destination_space(COLORSPACE_sRGB)
24 {
25         register_int("source_space", (int *)&source_space);
26         register_int("destination_space", (int *)&destination_space);
27 }
28
29 Matrix3d get_xyz_matrix(Colorspace space)
30 {
31         if (space == COLORSPACE_XYZ) {
32                 return Matrix3d::Identity();
33         }
34
35         double x_R, x_G, x_B;
36         double y_R, y_G, y_B;
37
38         switch (space) {
39         case COLORSPACE_REC_709:  // And sRGB.
40                 x_R = rec709_x_R; x_G = rec709_x_G; x_B = rec709_x_B;
41                 y_R = rec709_y_R; y_G = rec709_y_G; y_B = rec709_y_B;
42                 break;
43         case COLORSPACE_REC_601_525:
44                 x_R = rec601_525_x_R; x_G = rec601_525_x_G; x_B = rec601_525_x_B;
45                 y_R = rec601_525_y_R; y_G = rec601_525_y_G; y_B = rec601_525_y_B;
46                 break;
47         case COLORSPACE_REC_601_625:
48                 x_R = rec601_625_x_R; x_G = rec601_625_x_G; x_B = rec601_625_x_B;
49                 y_R = rec601_625_y_R; y_G = rec601_625_y_G; y_B = rec601_625_y_B;
50                 break;
51         default:
52                 assert(false);
53         }
54
55         // Recover z = 1 - x - y.
56         double z_R = 1.0 - x_R - y_R;
57         double z_G = 1.0 - x_G - y_G;
58         double z_B = 1.0 - x_B - y_B;
59
60         // Find the XYZ coordinates of D65 (white point for both Rec. 601 and 709),
61         // normalized so that Y=1.
62         Vector3d d65_XYZ(
63                 d65_x / d65_y,
64                 1.0,
65                 d65_z / d65_y
66         );
67
68         // We have, for each primary (example is with red):
69         //
70         //   X_R / (X_R + Y_R + Z_R) = x_R
71         //   Y_R / (X_R + Y_R + Z_R) = y_R
72         //   Z_R / (X_R + Y_R + Z_R) = z_R
73         //
74         // Some algebraic fiddling yields (unsurprisingly):
75         //
76         //   X_R = (x_R / y_R) Y_R
77         //   Z_R = (z_R / y_R) Y_R
78         //
79         // We also know that since RGB=(1,1,1) should give us the
80         // D65 illuminant, we must have
81         //
82         //   X_R + X_G + X_B = D65_X
83         //   Y_R + Y_G + Y_B = D65_Y
84         //   Z_R + Z_G + Z_B = D65_Z
85         //
86         // But since we already know how to express Y and Z by
87         // some constant multiple of X, this reduces to
88         //
89         //   k1 Y_R + k2 Y_G + k3 Y_B = D65_X
90         //      Y_R +    Y_G +    Y_B = D65_Y
91         //   k4 Y_R + k5 Y_G + k6 Y_B = D65_Z
92         //
93         // Which we can solve for (Y_R, Y_G, Y_B) by inverting a 3x3 matrix.
94
95         Matrix3d temp;
96         temp(0,0) = x_R / y_R;
97         temp(0,1) = x_G / y_G;
98         temp(0,2) = x_B / y_B;
99
100         temp(1,0) = 1.0;
101         temp(1,1) = 1.0;
102         temp(1,2) = 1.0;
103
104         temp(2,0) = z_R / y_R;
105         temp(2,1) = z_G / y_G;
106         temp(2,2) = z_B / y_B;
107
108         Vector3d Y_RGB = temp.inverse() * d65_XYZ;
109
110         // Now convert xyY -> XYZ.
111         double X_R = temp(0,0) * Y_RGB[0];
112         double Z_R = temp(2,0) * Y_RGB[0];
113
114         double X_G = temp(0,1) * Y_RGB[1];
115         double Z_G = temp(2,1) * Y_RGB[1];
116
117         double X_B = temp(0,2) * Y_RGB[2];
118         double Z_B = temp(2,2) * Y_RGB[2];
119
120         Matrix3d m;
121         m(0,0) = X_R;      m(0,1) = X_G;      m(0,2) = X_B;
122         m(1,0) = Y_RGB[0]; m(1,1) = Y_RGB[1]; m(1,2) = Y_RGB[2];
123         m(2,0) = Z_R;      m(2,1) = Z_G;      m(2,2) = Z_B;
124
125         return m;
126 }
127
128 std::string ColorspaceConversionEffect::output_fragment_shader()
129 {
130         // Create a matrix to convert from source space -> XYZ,
131         // another matrix to convert from XYZ -> destination space,
132         // and then concatenate the two.
133         //
134         // Since we right-multiply the RGB column vector, the matrix
135         // concatenation order needs to be the opposite of the operation order.
136         Matrix3d source_space_to_xyz = get_xyz_matrix(source_space);
137         Matrix3d xyz_to_destination_space = get_xyz_matrix(destination_space).inverse();
138         Matrix3d m = xyz_to_destination_space * source_space_to_xyz;
139
140         return output_glsl_mat3("PREFIX(conversion_matrix)", m) +
141                 read_file("colorspace_conversion_effect.frag");
142 }