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
  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 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 }