Hard-assert on something that has bitten me too many times now.
[movit] / gamma_compression_effect_test.cpp
1 // Unit tests for GammaCompressionEffect.
2 //
3 // Pretty much the inverse of the GammaExpansionEffect tests;
4 // EffectChainTest tests that they are actually inverses.
5 // However, the accuracy tests are somewhat simpler, since we
6 // only need to care about absolute errors and not relative.
7
8 #include <epoxy/gl.h>
9 #include <math.h>
10
11 #include "gtest/gtest.h"
12 #include "gtest/gtest-message.h"
13 #include "image_format.h"
14 #include "test_util.h"
15
16 namespace movit {
17
18 TEST(GammaCompressionEffectTest, sRGB_KeyValues) {
19         float data[] = {
20                 0.0f, 1.0f,
21                 0.00309f, 0.00317f,   // On either side of the discontinuity.
22                 -0.5f, 1.5f,          // To check clamping.
23         };
24         float expected_data[] = {
25                 0.0f, 1.0f,
26                 0.040f, 0.041f,
27                 0.0f, 1.0f,
28         };
29         float out_data[6];
30         EffectChainTester tester(data, 2, 3, FORMAT_GRAYSCALE, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_LINEAR);
31         tester.run(out_data, GL_RED, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_sRGB);
32
33         expect_equal(expected_data, out_data, 2, 3);
34 }
35
36 TEST(GammaCompressionEffectTest, sRGB_RampAlwaysIncreases) {
37         float data[256], out_data[256];
38         for (unsigned i = 0; i < 256; ++i) {
39                 data[i] = i / 255.0f;
40         }
41         EffectChainTester tester(data, 256, 1, FORMAT_GRAYSCALE, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_LINEAR);
42         tester.run(out_data, GL_RED, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_sRGB);
43
44         for (unsigned i = 1; i < 256; ++i) {
45                 EXPECT_GT(out_data[i], out_data[i - 1])
46                    << "No increase between " << i-1 << " and " << i;
47         }
48 }
49
50 TEST(GammaCompressionEffectTest, sRGB_Accuracy) {
51         float data[256], expected_data[256], out_data[256];
52
53         for (int i = 0; i < 256; ++i) {
54                 double x = i / 255.0;
55
56                 expected_data[i] = x;
57                 data[i] = srgb_to_linear(x);
58         }
59
60         EffectChainTester tester(data, 256, 1, FORMAT_GRAYSCALE, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_LINEAR, GL_RGBA32F);
61         tester.run(out_data, GL_RED, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_sRGB);
62
63         // Maximum absolute error is 25% of one pixel level. For comparison,
64         // a straightforward ALU solution (using a branch and pow()), used as a
65         // “high anchor” to indicate limitations of float arithmetic etc.,
66         // reaches maximum absolute error of 3.7% of one pixel level
67         // and rms of 3.2e-6.
68         expect_equal(expected_data, out_data, 256, 1, 0.25 / 255.0, 1e-4);
69 }
70
71 TEST(GammaCompressionEffectTest, Rec709_KeyValues) {
72         float data[] = {
73                 0.0f, 1.0f,
74                 0.017778f, 0.018167f,  // On either side of the discontinuity.
75         };
76         float expected_data[] = {
77                 0.0f, 1.0f,
78                 0.080f, 0.082f,
79         };
80         float out_data[4];
81         EffectChainTester tester(data, 2, 2, FORMAT_GRAYSCALE, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_LINEAR);
82         tester.run(out_data, GL_RED, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_REC_709);
83
84         expect_equal(expected_data, out_data, 2, 2);
85 }
86
87 TEST(GammaCompressionEffectTest, Rec709_RampAlwaysIncreases) {
88         float data[256], out_data[256];
89         for (unsigned i = 0; i < 256; ++i) {
90                 data[i] = i / 255.0f;
91         }
92         EffectChainTester tester(data, 256, 1, FORMAT_GRAYSCALE, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_LINEAR);
93         tester.run(out_data, GL_RED, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_REC_709);
94
95         for (unsigned i = 1; i < 256; ++i) {
96                 EXPECT_GT(out_data[i], out_data[i - 1])
97                    << "No increase between " << i-1 << " and " << i;
98         }
99 }
100
101 TEST(GammaCompressionEffectTest, Rec709_Accuracy) {
102         float data[256], expected_data[256], out_data[256];
103
104         for (int i = 0; i < 256; ++i) {
105                 double x = i / 255.0;
106
107                 expected_data[i] = x;
108
109                 // Rec. 2020, page 3.
110                 if (x < 0.018 * 4.5) {
111                         data[i] = x / 4.5;
112                 } else {
113                         data[i] = pow((x + 0.099) / 1.099, 1.0 / 0.45);
114                 }
115         }
116
117         EffectChainTester tester(data, 256, 1, FORMAT_GRAYSCALE, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_LINEAR, GL_RGBA32F);
118         tester.run(out_data, GL_RED, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_REC_709);
119
120         // Maximum absolute error is 25% of one pixel level. For comparison,
121         // a straightforward ALU solution (using a branch and pow()), used as a
122         // “high anchor” to indicate limitations of float arithmetic etc.,
123         // reaches maximum absolute error of 3.7% of one pixel level
124         // and rms of 3.5e-6.
125         expect_equal(expected_data, out_data, 256, 1, 0.25 / 255.0, 1e-5);
126 }
127
128 // This test tests the same gamma ramp as Rec709_Accuracy, but with 10-bit
129 // input range and somewhat looser error bounds. (One could claim that this is
130 // already on the limit of what we can reasonably do with fp16 input, if you
131 // look at the local relative error.)
132 TEST(GammaCompressionEffectTest, Rec2020_10Bit_Accuracy) {
133         float data[1024], expected_data[1024], out_data[1024];
134
135         for (int i = 0; i < 1024; ++i) {
136                 double x = i / 1023.0;
137
138                 expected_data[i] = x;
139
140                 // Rec. 2020, page 3.
141                 if (x < 0.018 * 4.5) {
142                         data[i] = x / 4.5;
143                 } else {
144                         data[i] = pow((x + 0.099) / 1.099, 1.0 / 0.45);
145                 }
146         }
147
148         EffectChainTester tester(data, 1024, 1, FORMAT_GRAYSCALE, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_LINEAR, GL_RGBA32F);
149         tester.run(out_data, GL_RED, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_REC_2020_10_BIT);
150
151         // Maximum absolute error is 30% of one pixel level. For comparison,
152         // a straightforward ALU solution (using a branch and pow()), used as a
153         // “high anchor” to indicate limitations of float arithmetic etc.,
154         // reaches maximum absolute error of 25.2% of one pixel level
155         // and rms of 1.8e-6, so this is probably mostly related to input precision.
156         expect_equal(expected_data, out_data, 1024, 1, 0.30 / 1023.0, 1e-5);
157 }
158
159 TEST(GammaCompressionEffectTest, Rec2020_12BitIsVeryCloseToRec709) {
160         float data[4096];
161         for (unsigned i = 0; i < 4096; ++i) {
162                 data[i] = i / 4095.0f;
163         }
164         float out_data_709[4096];
165         float out_data_2020[4096];
166
167         EffectChainTester tester(data, 4096, 1, FORMAT_GRAYSCALE, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_LINEAR);
168         tester.run(out_data_709, GL_RED, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_REC_709);
169         EffectChainTester tester2(data, 4096, 1, FORMAT_GRAYSCALE, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_LINEAR);
170         tester2.run(out_data_2020, GL_RED, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_REC_2020_12_BIT);
171
172         double sqdiff = 0.0;
173         for (unsigned i = 0; i < 4096; ++i) {
174                 EXPECT_NEAR(out_data_709[i], out_data_2020[i], 0.001);
175                 sqdiff += (out_data_709[i] - out_data_2020[i]) * (out_data_709[i] - out_data_2020[i]);
176         }
177         EXPECT_GT(sqdiff, 1e-6);
178 }
179
180 // The fp16 _input_ provided by FlatInput is not enough to distinguish between
181 // all of the possible 12-bit input values (every other level translates to the
182 // same value). Thus, this test has extremely loose bounds; if we ever decide
183 // to start supporting fp32, we should re-run this and tighten them a lot.
184 TEST(GammaCompressionEffectTest, Rec2020_12Bit_Inaccuracy) {
185         float data[4096], expected_data[4096], out_data[4096];
186
187         for (int i = 0; i < 4096; ++i) {
188                 double x = i / 4095.0;
189
190                 expected_data[i] = x;
191
192                 // Rec. 2020, page 3.
193                 if (x < 0.0181 * 4.5) {
194                         data[i] = x / 4.5;
195                 } else {
196                         data[i] = pow((x + 0.0993) / 1.0993, 1.0 / 0.45);
197                 }
198         }
199
200         EffectChainTester tester(data, 4096, 1, FORMAT_GRAYSCALE, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_LINEAR, GL_RGBA32F);
201         tester.run(out_data, GL_RED, COLORSPACE_sRGB, GAMMA_REC_2020_12_BIT);
202
203         // Maximum absolute error is 120% of one pixel level. For comparison,
204         // a straightforward ALU solution (using a branch and pow()), used as a
205         // “high anchor” to indicate limitations of float arithmetic etc.,
206         // reaches maximum absolute error of 71.1% of one pixel level
207         // and rms of 0.9e-6, so this is probably a combination of input
208         // precision and inaccuracies in the polynomial approximation.
209         expect_equal(expected_data, out_data, 4096, 1, 1.2 / 4095.0, 1e-5);
210 }
211
212 }  // namespace movit