bd4f70eb41d1d0059fab43e591b8132ef48a43f9
[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
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 // Color coordinates from Rec. 2020.
22 static const double rec2020_x_R = 0.708, rec2020_x_G = 0.170, rec2020_x_B = 0.131;
23 static const double rec2020_y_R = 0.292, rec2020_y_G = 0.797, rec2020_y_B = 0.046;
24
25 ColorspaceConversionEffect::ColorspaceConversionEffect()
26         : source_space(COLORSPACE_sRGB),
27           destination_space(COLORSPACE_sRGB)
28 {
29         register_int("source_space", (int *)&source_space);
30         register_int("destination_space", (int *)&destination_space);
31 }
32
33 Matrix3d ColorspaceConversionEffect::get_xyz_matrix(Colorspace space)
34 {
35         if (space == COLORSPACE_XYZ) {
36                 return Matrix3d::Identity();
37         }
38
39         double x_R, x_G, x_B;
40         double y_R, y_G, y_B;
41
42         switch (space) {
43         case COLORSPACE_REC_709:  // And sRGB.
44                 x_R = rec709_x_R; x_G = rec709_x_G; x_B = rec709_x_B;
45                 y_R = rec709_y_R; y_G = rec709_y_G; y_B = rec709_y_B;
46                 break;
47         case COLORSPACE_REC_601_525:
48                 x_R = rec601_525_x_R; x_G = rec601_525_x_G; x_B = rec601_525_x_B;
49                 y_R = rec601_525_y_R; y_G = rec601_525_y_G; y_B = rec601_525_y_B;
50                 break;
51         case COLORSPACE_REC_601_625:
52                 x_R = rec601_625_x_R; x_G = rec601_625_x_G; x_B = rec601_625_x_B;
53                 y_R = rec601_625_y_R; y_G = rec601_625_y_G; y_B = rec601_625_y_B;
54                 break;
55         case COLORSPACE_REC_2020:
56                 x_R = rec2020_x_R; x_G = rec2020_x_G; x_B = rec2020_x_B;
57                 y_R = rec2020_y_R; y_G = rec2020_y_G; y_B = rec2020_y_B;
58                 break;
59         default:
60                 assert(false);
61         }
62
63         // Recover z = 1 - x - y.
64         double z_R = 1.0 - x_R - y_R;
65         double z_G = 1.0 - x_G - y_G;
66         double z_B = 1.0 - x_B - y_B;
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   (so define k1 = x_R / y_R)
77         //   Z_R = (z_R / y_R) Y_R   (so define k4 = z_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 X and Z by
87         // some constant multiple of Y, 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 d65_XYZ(d65_X, d65_Y, d65_Z);
109         Vector3d Y_RGB = temp.inverse() * d65_XYZ;
110
111         // Now convert xyY -> XYZ.
112         double X_R = temp(0,0) * Y_RGB[0];
113         double Z_R = temp(2,0) * Y_RGB[0];
114
115         double X_G = temp(0,1) * Y_RGB[1];
116         double Z_G = temp(2,1) * Y_RGB[1];
117
118         double X_B = temp(0,2) * Y_RGB[2];
119         double Z_B = temp(2,2) * Y_RGB[2];
120
121         Matrix3d m;
122         m(0,0) = X_R;      m(0,1) = X_G;      m(0,2) = X_B;
123         m(1,0) = Y_RGB[0]; m(1,1) = Y_RGB[1]; m(1,2) = Y_RGB[2];
124         m(2,0) = Z_R;      m(2,1) = Z_G;      m(2,2) = Z_B;
125
126         return m;
127 }
128
129 std::string ColorspaceConversionEffect::output_fragment_shader()
130 {
131         // Create a matrix to convert from source space -> XYZ,
132         // another matrix to convert from XYZ -> destination space,
133         // and then concatenate the two.
134         //
135         // Since we right-multiply the RGB column vector, the matrix
136         // concatenation order needs to be the opposite of the operation order.
137         Matrix3d source_space_to_xyz = get_xyz_matrix(source_space);
138         Matrix3d xyz_to_destination_space = get_xyz_matrix(destination_space).inverse();
139         Matrix3d m = xyz_to_destination_space * source_space_to_xyz;
140
141         return output_glsl_mat3("PREFIX(conversion_matrix)", m) +
142                 read_file("colorspace_conversion_effect.frag");
143 }