Add support for vec4 uniforms.
[movit] / effect.h
1 #ifndef _EFFECT_H
2 #define _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 <map>
14 #include <string>
15 #include <vector>
16
17 #include <assert.h>
18
19 #include <Eigen/Core>
20
21 #include <GL/glew.h>
22 #include "util.h"
23
24 class EffectChain;
25 class Node;
26
27 // Can alias on a float[2].
28 struct Point2D {
29         Point2D(float x, float y)
30                 : x(x), y(y) {}
31
32         float x, y;
33 };
34
35 // Can alias on a float[3].
36 struct RGBTriplet {
37         RGBTriplet(float r, float g, float b)
38                 : r(r), g(g), b(b) {}
39
40         float r, g, b;
41 };
42
43 // Can alias on a float[4].
44 struct RGBATriplet {
45         RGBATriplet(float r, float g, float b, float a)
46                 : r(r), g(g), b(b), a(a) {}
47
48         float r, g, b, a;
49 };
50
51 // Convenience functions that deal with prepending the prefix.
52 GLint get_uniform_location(GLuint glsl_program_num, const std::string &prefix, const std::string &key);
53 void set_uniform_int(GLuint glsl_program_num, const std::string &prefix, const std::string &key, int value);
54 void set_uniform_float(GLuint glsl_program_num, const std::string &prefix, const std::string &key, float value);
55 void set_uniform_vec2(GLuint glsl_program_num, const std::string &prefix, const std::string &key, const float *values);
56 void set_uniform_vec3(GLuint glsl_program_num, const std::string &prefix, const std::string &key, const float *values);
57 void set_uniform_vec4(GLuint glsl_program_num, const std::string &prefix, const std::string &key, const float *values);
58 void set_uniform_vec4_array(GLuint glsl_program_num, const std::string &prefix, const std::string &key, const float *values, size_t num_values);
59 void set_uniform_mat3(GLuint glsl_program_num, const std::string &prefix, const std::string &key, const Eigen::Matrix3d &matrix);
60
61 class Effect {
62 public:
63         virtual ~Effect() {}
64
65         // An identifier for this type of effect, mostly used for debug output
66         // (but some special names, like "ColorspaceConversionEffect", holds special
67         // meaning). Same as the class name is fine.
68         virtual std::string effect_type_id() const = 0;
69
70         // Whether this effects expects its input (and output) to be in
71         // linear gamma, ie. without an applied gamma curve. Most effects
72         // will want this, although the ones that never actually look at
73         // the pixels, e.g. mirror, won't need to care, and can set this
74         // to false. If so, the input gamma will be undefined.
75         //
76         // Also see the note on needs_texture_bounce(), below.
77         virtual bool needs_linear_light() const { return true; }
78
79         // Whether this effect expects its input to be in the sRGB
80         // color space, ie. use the sRGB/Rec. 709 RGB primaries.
81         // (If not, it would typically come in as some slightly different
82         // set of RGB primaries; you would currently not get YCbCr
83         // or something similar).
84         //
85         // Again, most effects will want this, but you can set it to false
86         // if you process each channel independently, equally _and_
87         // in a linear fashion.
88         virtual bool needs_srgb_primaries() const { return true; }
89
90         // How this effect handles alpha, ie. what it outputs in its
91         // alpha channel. The choices are basically blank (alpha is always 1.0),
92         // premultiplied and postmultiplied.
93         //
94         // Premultiplied alpha is when the alpha value has been be multiplied
95         // into the three color components, so e.g. 100% red at 50% alpha
96         // would be (0.5, 0.0, 0.0, 0.5) instead of (1.0, 0.0, 0.0, 0.5)
97         // as it is stored in most image formats (postmultiplied alpha).
98         // The multiplication is taken to have happened in linear light.
99         // This is the most natural format for processing, and the default in
100         // most of Movit (just like linear light is).
101         //
102         // If you set INPUT_AND_OUTPUT_ALPHA_PREMULTIPLIED, all of your inputs
103         // (if any) are guaranteed to also be in premultiplied alpha.
104         // Otherwise, you can get postmultiplied or premultiplied alpha;
105         // you won't know. If you have multiple inputs, you will get the same
106         // (pre- or postmultiplied) for all inputs, although most likely,
107         // you will want to combine them in a premultiplied fashion anyway
108         // in that case.
109         enum AlphaHandling {
110                 // Always outputs blank alpha (ie. alpha=1.0). Only appropriate
111                 // for inputs that do not output an alpha channel.
112                 // Blank alpha is special in that it can be treated as both
113                 // pre- and postmultiplied.
114                 OUTPUT_BLANK_ALPHA,
115
116                 // Always outputs premultiplied alpha. As noted above,
117                 // you will then also get all inputs in premultiplied alpha.
118                 // If you set this, you should also set needs_linear_light().
119                 INPUT_AND_OUTPUT_ALPHA_PREMULTIPLIED,
120
121                 // Always outputs postmultiplied alpha. Only appropriate for inputs.
122                 OUTPUT_ALPHA_POSTMULTIPLIED,
123
124                 // Keeps the type of alpha unchanged from input to output.
125                 // Usually appropriate if you process all color channels
126                 // in a linear fashion, and do not change alpha.
127                 //
128                 // Does not make sense for inputs.
129                 DONT_CARE_ALPHA_TYPE,
130         };
131         virtual AlphaHandling alpha_handling() const { return INPUT_AND_OUTPUT_ALPHA_PREMULTIPLIED; }
132
133         // Whether this effect expects its input to come directly from
134         // a texture. If this is true, the framework will not chain the
135         // input from other effects, but will store the results of the
136         // chain to a temporary (RGBA fp16) texture and let this effect
137         // sample directly from that.
138         //
139         // There are two good reasons why you might want to set this:
140         //
141         //  1. You are sampling more than once from the input,
142         //     in which case computing all the previous steps might
143         //     be more expensive than going to a memory intermediate.
144         //  2. You rely on previous effects, possibly including gamma
145         //     expansion, to happen pre-filtering instead of post-filtering.
146         //     (This is only relevant if you actually need the filtering; if
147         //     you sample 1:1 between pixels and texels, it makes no difference.)
148         //
149         // Note that in some cases, you might get post-filtered gamma expansion
150         // even when setting this option. More specifically, if you are the
151         // first effect in the chain, and the GPU is doing sRGB gamma
152         // expansion, it is undefined (from OpenGL's side) whether expansion
153         // happens pre- or post-filtering. For most uses, however,
154         // either will be fine.
155         virtual bool needs_texture_bounce() const { return false; }
156
157         // Whether this effect expects mipmaps or not. If you set this to
158         // true, you will be sampling with bilinear filtering; if not,
159         // you could be sampling with simple linear filtering and no mipmaps
160         // (although there is no guarantee; if a different effect in the chain
161         // needs mipmaps, you will also get them).
162         virtual bool needs_mipmaps() const { return false; }
163
164         // Whether this effect wants to output to a different size than
165         // its input(s) (see inform_input_size(), below). If you set this to
166         // true, the output will be bounced to a texture (similarly to if the
167         // next effect set needs_texture_bounce()).
168         virtual bool changes_output_size() const { return false; }
169
170         // If changes_output_size() is true, you must implement this to tell
171         // the framework what output size you want.
172         //
173         // Note that it is explicitly allowed to change width and height
174         // from frame to frame; EffectChain will reallocate textures as needed.
175         virtual void get_output_size(unsigned *width, unsigned *height) const {
176                 assert(false);
177         }
178
179         // Tells the effect the resolution of each of its input.
180         // This will be called every frame, and always before get_output_size(),
181         // so you can change your output size based on the input if so desired.
182         //
183         // Note that in some cases, an input might not have a single well-defined
184         // resolution (for instance if you fade between two inputs with
185         // different resolutions). In this case, you will get width=0 and height=0
186         // for that input. If you cannot handle that, you will need to set
187         // needs_texture_bounce() to true, which will force a render to a single
188         // given resolution before you get the input.
189         virtual void inform_input_size(unsigned input_num, unsigned width, unsigned height) {}
190
191         // How many inputs this effect will take (a fixed number).
192         // If you have only one input, it will be called INPUT() in GLSL;
193         // if you have several, they will be INPUT1(), INPUT2(), and so on.
194         virtual unsigned num_inputs() const { return 1; }
195
196         // Let the effect rewrite the effect chain as it sees fit.
197         // Most effects won't need to do this, but this is very useful
198         // if you have an effect that consists of multiple sub-effects
199         // (for instance, two passes). The effect is given to its own
200         // pointer, and it can add new ones (by using add_node()
201         // and connect_node()) as it sees fit. This is called at
202         // EffectChain::finalize() time, when the entire graph is known,
203         // in the order that the effects were originally added.
204         //
205         // Note that if the effect wants to take itself entirely out
206         // of the chain, it must set “disabled” to true and then disconnect
207         // itself from all other effects.
208         virtual void rewrite_graph(EffectChain *graph, Node *self) {}
209
210         // Outputs one GLSL uniform declaration for each registered parameter
211         // (see below), with the right prefix prepended to each uniform name.
212         // If you do not want this behavior, you can override this function.
213         virtual std::string output_convenience_uniforms() const;
214
215         // Returns the GLSL fragment shader string for this effect.
216         virtual std::string output_fragment_shader() = 0;
217
218         // Set all OpenGL state that this effect needs before rendering.
219         // The default implementation sets one uniform per registered parameter,
220         // but no other state.
221         //
222         // <sampler_num> is the first free texture sampler. If you want to use
223         // textures, you can bind a texture to GL_TEXTURE0 + <sampler_num>,
224         // and then increment the number (so that the next effect in the chain
225         // will use a different sampler).
226         virtual void set_gl_state(GLuint glsl_program_num, const std::string& prefix, unsigned *sampler_num);
227
228         // If you set any special OpenGL state in set_gl_state(), you can clear it
229         // after rendering here. The default implementation does nothing.
230         virtual void clear_gl_state();
231
232         // Set a parameter; intended to be called from user code.
233         // Neither of these take ownership of the pointer.
234         virtual bool set_int(const std::string&, int value) MUST_CHECK_RESULT;
235         virtual bool set_float(const std::string &key, float value) MUST_CHECK_RESULT;
236         virtual bool set_vec2(const std::string &key, const float *values) MUST_CHECK_RESULT;
237         virtual bool set_vec3(const std::string &key, const float *values) MUST_CHECK_RESULT;
238         virtual bool set_vec4(const std::string &key, const float *values) MUST_CHECK_RESULT;
239
240 protected:
241         // Register a parameter. Whenever set_*() is called with the same key,
242         // it will update the value in the given pointer (typically a pointer
243         // to some private member variable in your effect).
244         //
245         // Neither of these take ownership of the pointer.
246
247         // int is special since GLSL pre-1.30 doesn't have integer uniforms.
248         // Thus, ints that you register will _not_ be converted to GLSL uniforms.
249         void register_int(const std::string &key, int *value);
250
251         // These correspond directly to float/vec2/vec3/vec4 in GLSL.
252         void register_float(const std::string &key, float *value);
253         void register_vec2(const std::string &key, float *values);
254         void register_vec3(const std::string &key, float *values);
255         void register_vec4(const std::string &key, float *values);
256
257         // This will register a 1D texture, which will be bound to a sampler
258         // when your GLSL code runs (so it corresponds 1:1 to a sampler2D uniform
259         // in GLSL).
260         //
261         // Note that if you change the contents of <values>, you will need to
262         // call invalidate_1d_texture() to have the picture re-uploaded on the
263         // next frame. This is in contrast to all the other parameters, which are
264         // set anew every frame.
265         void register_1d_texture(const std::string &key, float *values, size_t size);
266         void invalidate_1d_texture(const std::string &key);
267         
268 private:
269         struct Texture1D {
270                 float *values;
271                 size_t size;
272                 bool needs_update;
273                 GLuint texture_num;
274         };
275
276         std::map<std::string, int *> params_int;
277         std::map<std::string, float *> params_float;
278         std::map<std::string, float *> params_vec2;
279         std::map<std::string, float *> params_vec3;
280         std::map<std::string, float *> params_vec4;
281         std::map<std::string, Texture1D> params_tex_1d;
282 };
283
284 #endif // !defined(_EFFECT_H)