Add support for compute shaders.
[movit] / effect.h
1 #ifndef _MOVIT_EFFECT_H
2 #define _MOVIT_EFFECT_H 1
3
4 // Effect is the base class for every effect. It basically represents a single
5 // GLSL function, with an optional set of user-settable parameters.
6 //
7 // A note on naming: Since all effects run in the same GLSL namespace,
8 // you can't use any name you want for global variables (e.g. uniforms).
9 // The framework assigns a prefix to you which will be unique for each
10 // effect instance; use the macro PREFIX() around your identifiers to
11 // automatically prepend that prefix.
12
13 #include <epoxy/gl.h>
14 #include <assert.h>
15 #include <stddef.h>
16 #include <map>
17 #include <string>
18 #include <vector>
19 #include <Eigen/Core>
20
21 #include "defs.h"
22
23 namespace movit {
24
25 class EffectChain;
26 class Node;
27
28 // Can alias on a float[2].
29 struct Point2D {
30         Point2D() {}
31         Point2D(float x, float y)
32                 : x(x), y(y) {}
33
34         float x, y;
35 };
36
37 // Can alias on a float[3].
38 struct RGBTriplet {
39         RGBTriplet() {}
40         RGBTriplet(float r, float g, float b)
41                 : r(r), g(g), b(b) {}
42
43         float r, g, b;
44 };
45
46 // Can alias on a float[4].
47 struct RGBATuple {
48         RGBATuple() {}
49         RGBATuple(float r, float g, float b, float a)
50                 : r(r), g(g), b(b), a(a) {}
51
52         float r, g, b, a;
53 };
54
55 // Represents a registered uniform.
56 template<class T>
57 struct Uniform {
58         std::string name;  // Without prefix.
59         const T *value;  // Owner by the effect.
60         size_t num_values;  // Number of elements; for arrays only. _Not_ the vector length.
61         std::string prefix;  // Filled in only after phases have been constructed.
62         GLint location;  // Filled in only after phases have been constructed. -1 if no location.
63 };
64
65 class Effect {
66 public:
67         virtual ~Effect() {}
68
69         // An identifier for this type of effect, mostly used for debug output
70         // (but some special names, like "ColorspaceConversionEffect", holds special
71         // meaning). Same as the class name is fine.
72         virtual std::string effect_type_id() const = 0;
73
74         // Whether this effects expects its input (and output) to be in
75         // linear gamma, ie. without an applied gamma curve. Most effects
76         // will want this, although the ones that never actually look at
77         // the pixels, e.g. mirror, won't need to care, and can set this
78         // to false. If so, the input gamma will be undefined.
79         //
80         // Also see the note on needs_texture_bounce(), below.
81         virtual bool needs_linear_light() const { return true; }
82
83         // Whether this effect expects its input to be in the sRGB
84         // color space, ie. use the sRGB/Rec. 709 RGB primaries.
85         // (If not, it would typically come in as some slightly different
86         // set of RGB primaries; you would currently not get YCbCr
87         // or something similar).
88         //
89         // Again, most effects will want this, but you can set it to false
90         // if you process each channel independently, equally _and_
91         // in a linear fashion.
92         virtual bool needs_srgb_primaries() const { return true; }
93
94         // How this effect handles alpha, ie. what it outputs in its
95         // alpha channel. The choices are basically blank (alpha is always 1.0),
96         // premultiplied and postmultiplied.
97         //
98         // Premultiplied alpha is when the alpha value has been be multiplied
99         // into the three color components, so e.g. 100% red at 50% alpha
100         // would be (0.5, 0.0, 0.0, 0.5) instead of (1.0, 0.0, 0.0, 0.5)
101         // as it is stored in most image formats (postmultiplied alpha).
102         // The multiplication is taken to have happened in linear light.
103         // This is the most natural format for processing, and the default in
104         // most of Movit (just like linear light is).
105         //
106         // If you set INPUT_AND_OUTPUT_PREMULTIPLIED_ALPHA or
107         // INPUT_PREMULTIPLIED_ALPHA_KEEP_BLANK, all of your inputs
108         // (if any) are guaranteed to also be in premultiplied alpha.
109         // Otherwise, you can get postmultiplied or premultiplied alpha;
110         // you won't know. If you have multiple inputs, you will get the same
111         // (pre- or postmultiplied) for all inputs, although most likely,
112         // you will want to combine them in a premultiplied fashion anyway
113         // in that case.
114         enum AlphaHandling {
115                 // Always outputs blank alpha (ie. alpha=1.0). Only appropriate
116                 // for inputs that do not output an alpha channel.
117                 // Blank alpha is special in that it can be treated as both
118                 // pre- and postmultiplied.
119                 OUTPUT_BLANK_ALPHA,
120
121                 // Always outputs postmultiplied alpha. Only appropriate for inputs.
122                 OUTPUT_POSTMULTIPLIED_ALPHA,
123
124                 // Always outputs premultiplied alpha. As noted above,
125                 // you will then also get all inputs in premultiplied alpha.
126                 // If you set this, you should also set needs_linear_light().
127                 INPUT_AND_OUTPUT_PREMULTIPLIED_ALPHA,
128
129                 // Like INPUT_AND_OUTPUT_PREMULTIPLIED_ALPHA, but also guarantees
130                 // that if you get blank alpha in, you also keep blank alpha out.
131                 // This is a somewhat weaker guarantee than DONT_CARE_ALPHA_TYPE,
132                 // but is still useful in many situations, and appropriate when
133                 // e.g. you don't touch alpha at all.
134                 //
135                 // Does not make sense for inputs.
136                 INPUT_PREMULTIPLIED_ALPHA_KEEP_BLANK,
137
138                 // Keeps the type of alpha (premultiplied, postmultiplied, blank)
139                 // unchanged from input to output. Usually appropriate if you
140                 // process all color channels in a linear fashion, do not change
141                 // alpha, and do not produce any new pixels that have alpha != 1.0.
142                 //
143                 // Does not make sense for inputs.
144                 DONT_CARE_ALPHA_TYPE,
145         };
146         virtual AlphaHandling alpha_handling() const { return INPUT_AND_OUTPUT_PREMULTIPLIED_ALPHA; }
147
148         // Whether this effect expects its input to come directly from
149         // a texture. If this is true, the framework will not chain the
150         // input from other effects, but will store the results of the
151         // chain to a temporary (RGBA fp16) texture and let this effect
152         // sample directly from that.
153         //
154         // There are two good reasons why you might want to set this:
155         //
156         //  1. You are sampling more than once from the input,
157         //     in which case computing all the previous steps might
158         //     be more expensive than going to a memory intermediate.
159         //  2. You rely on previous effects, possibly including gamma
160         //     expansion, to happen pre-filtering instead of post-filtering.
161         //     (This is only relevant if you actually need the filtering; if
162         //     you sample 1:1 between pixels and texels, it makes no difference.)
163         //
164         // Note that in some cases, you might get post-filtered gamma expansion
165         // even when setting this option. More specifically, if you are the
166         // first effect in the chain, and the GPU is doing sRGB gamma
167         // expansion, it is undefined (from OpenGL's side) whether expansion
168         // happens pre- or post-filtering. For most uses, however,
169         // either will be fine.
170         virtual bool needs_texture_bounce() const { return false; }
171
172         // Whether this effect expects mipmaps or not. If you set this to
173         // true, you will be sampling with bilinear filtering; if not,
174         // you could be sampling with simple linear filtering and no mipmaps
175         // (although there is no guarantee; if a different effect in the chain
176         // needs mipmaps, you will also get them).
177         virtual bool needs_mipmaps() const { return false; }
178
179         // Whether there is a direct correspondence between input and output
180         // texels. Specifically, the effect must not:
181         //
182         //   1. Try to sample in the border (ie., outside the 0.0 to 1.0 area).
183         //   2. Try to sample between texels.
184         //   3. Sample with an x- or y-derivative different from -1 or 1.
185         //      (This also means needs_mipmaps() and one_to_one_sampling()
186         //      together would make no sense.)
187         //
188         // The most common case for this would be an effect that has an exact
189         // 1:1-correspondence between input and output texels, e.g. SaturationEffect.
190         // However, more creative things, like mirroring/flipping or padding,
191         // would also be allowed.
192         //
193         // The primary gain from setting this is that you can sample directly
194         // from an effect that changes output size (see changes_output_size() below),
195         // without going through a bounce texture. It won't work for effects that
196         // set sets_virtual_output_size(), though.
197         //
198         // Does not make a lot of sense together with needs_texture_bounce().
199         virtual bool one_to_one_sampling() const { return false; }
200
201         // Whether this effect wants to output to a different size than
202         // its input(s) (see inform_input_size(), below). See also
203         // sets_virtual_output_size() below.
204         virtual bool changes_output_size() const { return false; }
205
206         // Whether your get_output_size() function (see below) intends to ever set
207         // virtual_width different from width, or similar for height.
208         // It does not make sense to set this to true if changes_output_size() is false.
209         virtual bool sets_virtual_output_size() const { return changes_output_size(); }
210
211         // Whether this effect is effectively sampling from a a single texture.
212         // If so, it will override needs_texture_bounce(); however, there are also
213         // two demands it needs to fulfill:
214         //
215         //  1. It needs to be an Input, ie. num_inputs() == 0.
216         //  2. It needs to allocate exactly one sampler in set_gl_state(),
217         //     and allow dependent effects to change that sampler state.
218         virtual bool is_single_texture() const { return false; }
219
220         // If set, this effect should never be bounced to an output, even if a
221         // dependent effect demands texture bounce.
222         //
223         // Note that setting this can invoke undefined behavior, up to and including crashing,
224         // so you should only use it if you have deep understanding of your entire chain
225         // and Movit's processing of it. The most likely use case is if you have an input
226         // that's cheap to compute but not a single texture (e.g. YCbCrInput), and want
227         // to run a ResampleEffect directly from it. Normally, this would require a bounce,
228         // but it's faster not to. (However, also note that in this case, effective texel
229         // subpixel precision will be too optimistic, since chroma is already subsampled.)
230         //
231         // Has no effect if is_single_texture() is set.
232         virtual bool override_disable_bounce() const { return false; }
233
234         // If changes_output_size() is true, you must implement this to tell
235         // the framework what output size you want. Also, you can set a
236         // virtual width/height, which is the size the next effect (if any)
237         // will _think_ your data is in. This is primarily useful if you are
238         // relying on getting OpenGL's bilinear resizing for free; otherwise,
239         // your virtual_width/virtual_height should be the same as width/height.
240         //
241         // Note that it is explicitly allowed to change width and height
242         // from frame to frame; EffectChain will reallocate textures as needed.
243         virtual void get_output_size(unsigned *width, unsigned *height,
244                                      unsigned *virtual_width, unsigned *virtual_height) const {
245                 assert(false);
246         }
247
248         // Whether this effect uses a compute shader instead of a regular fragment shader.
249         // Compute shaders are more flexible in that they can have multiple outputs
250         // for each invocation and also communicate between instances (by using shared
251         // memory within each group), but are not universally supported. The typical
252         // pattern would be to check movit_compute_shaders_supported and rewrite the
253         // graph to use a compute shader effect instead of a regular effect if it is
254         // available, in order to get better performance. Since compute shaders can reuse
255         // loads (again typically through shared memory), using needs_texture_bounce()
256         // is usually not needed, although it is allowed; the best candidates for compute
257         // shaders are typically those that sample many times from their input
258         // but can reuse those loads across neighboring instances.
259         //
260         // Compute shaders commonly work with unnormalized texture coordinates
261         // (where coordinates are integers [0..W) and [0..H)), whereas the rest
262         // of Movit, including any inputs you may want to sample from, works
263         // with normalized coordinates ([0..1)). Movit gives you uniforms
264         // PREFIX(inv_output_size) and PREFIX(output_texcoord_adjust) that you
265         // can use to transform unnormalized to normalized, as well as a macro
266         // NORMALIZE_TEXTURE_COORDS(vec2) that does it for you.
267         //
268         // Since compute shaders have flexible output, it is difficult to chain other
269         // effects after them in the same phase, and thus, they will always be last.
270         // (This limitation may be lifted for the special case of one-to-one effects
271         // in the future.) Furthermore, they cannot write to the framebuffer, just to
272         // textures, so Movit may have to insert an extra phase just to do the output
273         // from a texture to the screen in some cases. However, this is transparent
274         // to both the effect and the user.
275         virtual bool is_compute_shader() const { return false; }
276
277         // For a compute shader (see the previous member function), what dimensions
278         // it should be invoked over. Called every frame, before uniforms are set
279         // (so you are allowed to update uniforms based from this call).
280         virtual void get_compute_dimensions(unsigned output_width, unsigned output_height,
281                                             unsigned *x, unsigned *y, unsigned *z) const {
282                 *x = output_width;
283                 *y = output_height;
284                 *z = 1;
285         }
286
287         // Tells the effect the resolution of each of its input.
288         // This will be called every frame, and always before get_output_size(),
289         // so you can change your output size based on the input if so desired.
290         //
291         // Note that in some cases, an input might not have a single well-defined
292         // resolution (for instance if you fade between two inputs with
293         // different resolutions). In this case, you will get width=0 and height=0
294         // for that input. If you cannot handle that, you will need to set
295         // needs_texture_bounce() to true, which will force a render to a single
296         // given resolution before you get the input.
297         virtual void inform_input_size(unsigned input_num, unsigned width, unsigned height) {}
298
299         // How many inputs this effect will take (a fixed number).
300         // If you have only one input, it will be called INPUT() in GLSL;
301         // if you have several, they will be INPUT1(), INPUT2(), and so on.
302         virtual unsigned num_inputs() const { return 1; }
303
304         // Inform the effect that it has been just added to the EffectChain.
305         // The primary use for this is to store the ResourcePool uesd by
306         // the chain; for modifications to it, rewrite_graph() below
307         // is probably a better fit.
308         virtual void inform_added(EffectChain *chain) {}
309
310         // Let the effect rewrite the effect chain as it sees fit.
311         // Most effects won't need to do this, but this is very useful
312         // if you have an effect that consists of multiple sub-effects
313         // (for instance, two passes). The effect is given to its own
314         // pointer, and it can add new ones (by using add_node()
315         // and connect_node()) as it sees fit. This is called at
316         // EffectChain::finalize() time, when the entire graph is known,
317         // in the order that the effects were originally added.
318         //
319         // Note that if the effect wants to take itself entirely out
320         // of the chain, it must set “disabled” to true and then disconnect
321         // itself from all other effects.
322         virtual void rewrite_graph(EffectChain *graph, Node *self) {}
323
324         // Returns the GLSL fragment shader string for this effect.
325         virtual std::string output_fragment_shader() = 0;
326
327         // Set all OpenGL state that this effect needs before rendering.
328         // The default implementation sets one uniform per registered parameter,
329         // but no other state.
330         //
331         // <sampler_num> is the first free texture sampler. If you want to use
332         // textures, you can bind a texture to GL_TEXTURE0 + <sampler_num>,
333         // and then increment the number (so that the next effect in the chain
334         // will use a different sampler).
335         virtual void set_gl_state(GLuint glsl_program_num, const std::string& prefix, unsigned *sampler_num);
336
337         // If you set any special OpenGL state in set_gl_state(), you can clear it
338         // after rendering here. The default implementation does nothing.
339         virtual void clear_gl_state();
340
341         // Set a parameter; intended to be called from user code.
342         // Neither of these take ownership of the pointer.
343         virtual bool set_int(const std::string&, int value) MUST_CHECK_RESULT;
344         virtual bool set_float(const std::string &key, float value) MUST_CHECK_RESULT;
345         virtual bool set_vec2(const std::string &key, const float *values) MUST_CHECK_RESULT;
346         virtual bool set_vec3(const std::string &key, const float *values) MUST_CHECK_RESULT;
347         virtual bool set_vec4(const std::string &key, const float *values) MUST_CHECK_RESULT;
348
349 protected:
350         // Register a parameter. Whenever set_*() is called with the same key,
351         // it will update the value in the given pointer (typically a pointer
352         // to some private member variable in your effect). It will also
353         // register a uniform of the same name (plus an arbitrary prefix
354         // which you can access using the PREFIX macro) that you can access.
355         //
356         // Neither of these take ownership of the pointer.
357
358         // These correspond directly to int/float/vec2/vec3/vec4 in GLSL.
359         void register_int(const std::string &key, int *value);
360         void register_float(const std::string &key, float *value);
361         void register_vec2(const std::string &key, float *values);
362         void register_vec3(const std::string &key, float *values);
363         void register_vec4(const std::string &key, float *values);
364
365         // Register uniforms, such that they will automatically be set
366         // before the shader runs. This is more efficient than set_uniform_*
367         // in effect_util.h, because it doesn't need to do name lookups
368         // every time. Also, in the future, it will use uniform buffer objects
369         // (UBOs) if available to reduce the number of calls into the driver.
370         //
371         // May not be called after output_fragment_shader() has returned.
372         // The pointer must be valid for the entire lifetime of the Effect,
373         // since the value is pulled from it each execution. The value is
374         // guaranteed to be read after set_gl_state() for the effect has
375         // returned, so you can safely update its value from there.
376         //
377         // Note that this will also declare the uniform in the shader for you,
378         // so you should not do that yourself. (This is so it can be part of
379         // the right uniform block.) However, it is probably a good idea to
380         // have a commented-out declaration so that it is easier to see the
381         // type and thus understand the shader on its own.
382         //
383         // Calling register_* will automatically imply register_uniform_*,
384         // except for register_int as noted above.
385         void register_uniform_sampler2d(const std::string &key, const int *value);
386         void register_uniform_bool(const std::string &key, const bool *value);
387         void register_uniform_int(const std::string &key, const int *value);  // Note: Requires GLSL 1.30 or newer.
388         void register_uniform_float(const std::string &key, const float *value);
389         void register_uniform_vec2(const std::string &key, const float *values);
390         void register_uniform_vec3(const std::string &key, const float *values);
391         void register_uniform_vec4(const std::string &key, const float *values);
392         void register_uniform_float_array(const std::string &key, const float *values, size_t num_values);
393         void register_uniform_vec2_array(const std::string &key, const float *values, size_t num_values);
394         void register_uniform_vec3_array(const std::string &key, const float *values, size_t num_values);
395         void register_uniform_vec4_array(const std::string &key, const float *values, size_t num_values);
396         void register_uniform_mat3(const std::string &key, const Eigen::Matrix3d *matrix);
397
398 private:
399         std::map<std::string, int *> params_int;
400         std::map<std::string, float *> params_float;
401         std::map<std::string, float *> params_vec2;
402         std::map<std::string, float *> params_vec3;
403         std::map<std::string, float *> params_vec4;
404
405         // Picked out by EffectChain during finalization.
406         std::vector<Uniform<int> > uniforms_image2d;
407         std::vector<Uniform<int> > uniforms_sampler2d;
408         std::vector<Uniform<bool> > uniforms_bool;
409         std::vector<Uniform<int> > uniforms_int;
410         std::vector<Uniform<float> > uniforms_float;
411         std::vector<Uniform<float> > uniforms_vec2;
412         std::vector<Uniform<float> > uniforms_vec3;
413         std::vector<Uniform<float> > uniforms_vec4;
414         std::vector<Uniform<float> > uniforms_float_array;
415         std::vector<Uniform<float> > uniforms_vec2_array;
416         std::vector<Uniform<float> > uniforms_vec3_array;
417         std::vector<Uniform<float> > uniforms_vec4_array;
418         std::vector<Uniform<Eigen::Matrix3d> > uniforms_mat3;
419         friend class EffectChain;
420 };
421
422 }  // namespace movit
423
424 #endif // !defined(_MOVIT_EFFECT_H)