git.sesse.net Git - movit/blob - gamma_expansion_effect.cpp

   1 #include <assert.h>
   2
   3 #include "effect_util.h"
   4 #include "gamma_expansion_effect.h"
   5 #include "util.h"
   6
   7 using namespace std;
   8
   9 namespace movit {
  10
  11 GammaExpansionEffect::GammaExpansionEffect()
  12         : source_curve(GAMMA_LINEAR)
  13 {
  14         register_int("source_curve", (int *)&source_curve);
  15         register_uniform_float("linear_scale", &uniform_linear_scale);
  16         register_uniform_float("c0", &uniform_c0);
  17         register_uniform_float("c1", &uniform_c1);
  18         register_uniform_float("c2", &uniform_c2);
  19         register_uniform_float("c3", &uniform_c3);
  20         register_uniform_float("c4", &uniform_c4);
  21         register_uniform_float("beta", &uniform_beta);
  22 }
  23
  24 string GammaExpansionEffect::output_fragment_shader()
  25 {
  26         if (source_curve == GAMMA_LINEAR) {
  27                 return read_file("identity.frag");
  28         }
  29         if (source_curve == GAMMA_sRGB ||
  30             source_curve == GAMMA_REC_709 ||  // Also includes Rec. 601, and 10-bit Rec. 2020.
  31             source_curve == GAMMA_REC_2020_12_BIT) {
  32                 return read_file("gamma_expansion_effect.frag");
  33         }
  34         assert(false);
  35 }
  36
  37 void GammaExpansionEffect::set_gl_state(GLuint glsl_program_num, const string &prefix, unsigned *sampler_num)
  38 {
  39         Effect::set_gl_state(glsl_program_num, prefix, sampler_num);
  40
  41         // All of these curves follow a continuous curve that's piecewise defined;
  42         // very low values (up to some β) are linear. Above β, we have a power curve
  43         // that looks like this:
  44         //
  45         //   y = ((x + ɑ - 1) / ɑ)^ɣ
  46         //
  47         // However, pow() is relatively slow in GLSL, so we approximate this
  48         // part by a minimax polynomial, whose coefficients are precalculated
  49         // in Maple. (It is very hard to accurately model the curve as a whole
  50         // using minimax polynomials; both Maple and Mathematica generally
  51         // just error out if you ask them to optimize over 0..1 with a higher-degree
  52         // polynomial.)
  53         //
  54         // We put some extra weight on areas near β to keep a continuous curve,
  55         // and near 1.0, since we'd really like f(1.0) = 1.0, or approximately so.
  56         // The following Maple commands, using sRGB below as an example, will
  57         // compute the coefficients:
  58         //
  59         // > alpha := 1.055;
  60         // > beta := 0.04045;
  61         // > gamma_ := 2.4;
  62         // > w := x -> piecewise(x < beta + 0.001, 10, x > 0.999, 10, 1);
  63         // > numapprox[minimax](((x + alpha - 1) / alpha)^gamma_, x=beta..1, [4,0], w(x), 'maxerror');
  64         //
  65         // The variable 'maxerror' will then contain the maximum absolute error
  66         // at any point of the curve, and we report this along with the absolute
  67         // error at beta and at 1.0. Keep in mind that along this curve,
  68         // the smallest minimum difference between any two 8-bit sRGB pixel levels
  69         // (in the exponential part of the curve) in linear light is that
  70         // between 11/255 and 12/255, which is about 0.00033 (or three to four
  71         // times of the sRGB maxerror below). The choice of a fourth-degree
  72         // polynomial was made with this in mind; we have not cared equally
  73         // much about 10- and 12-bit Rec. 2020.
  74         //
  75         // NOTE: The error at beta is compared to the _linear_ part of the curve.
  76         // Since the standards give these with only a few decimals, it means that
  77         // the linear and exponential parts will not match up exactly, and even
  78         // a perfect approximation will have error > 0 here; sometimes, even larger
  79         // than maxerror for the curve itself.
  80
  81         if (source_curve == GAMMA_sRGB) {
  82                 // From the Wikipedia article on sRGB; ɑ (called a+1 there) = 1.055,
  83                 // β = 0.04045, ɣ = 2.4.
  84                 // maxerror      = 0.000094
  85                 // error at beta = 0.000012
  86                 // error at 1.0  = 0.000012
  87                 //
  88                 // Note that the worst _relative_ error by far is just at the beginning
  89                 // of the exponential curve, ie., just around β.
  90                 uniform_linear_scale = 1.0 / 12.92;
  91                 uniform_c0 = 0.001324469581;
  92                 uniform_c1 = 0.02227416690;
  93                 uniform_c2 = 0.5917615253;
  94                 uniform_c3 = 0.4733532353;
  95                 uniform_c4 = -0.08880738120;
  96                 uniform_beta = 0.04045;
  97         }
  98         if (source_curve == GAMMA_REC_709) {  // Also includes Rec. 601, and 10-bit Rec. 2020.
  99                 // Rec. 2020, page 3; ɑ = 1.099, β = 0.018 * 4.5, ɣ = 1/0.45.
 100                 // maxerror      = 0.000043
 101                 // error at beta = 0.000051 (see note above!)
 102                 // error at 1.0  = 0.000004
 103                 //
 104                 // Note that Rec. 2020 only gives the other direction, which is why
 105                 // our beta and gamma are different from the numbers mentioned
 106                 // (we've inverted the formula).
 107                 uniform_linear_scale = 1.0 / 4.5;
 108                 uniform_c0 = 0.005137028744;
 109                 uniform_c1 = 0.09802596889;
 110                 uniform_c2 = 0.7255768864;
 111                 uniform_c3 = 0.2135067966;
 112                 uniform_c4 = -0.04225094667;
 113                 uniform_beta = 0.018 * 4.5;
 114         }
 115         if (source_curve == GAMMA_REC_2020_12_BIT) {
 116                 // Rec. 2020, page 3; ɑ = 1.0993, β = 0.0181 * 4.5, ɣ = 1/0.45.
 117                 // maxerror      = 0.000042
 118                 // error at beta = 0.000005
 119                 // error at 1.0  = 0.000004
 120                 //
 121                 // Note that Rec. 2020 only gives the other direction, which is why
 122                 // our beta and gamma are different from the numbers mentioned
 123                 // (we've inverted the formula).
 124                 uniform_linear_scale = 1.0 / 4.5;
 125                 uniform_c0 = 0.005167545928;
 126                 uniform_c1 = 0.09835585809;
 127                 uniform_c2 = 0.7254820139;
 128                 uniform_c3 = 0.2131291155;
 129                 uniform_c4 = -0.04213877222;
 130                 uniform_beta = 0.0181 * 4.5;
 131         }
 132 }
 133
 134 }  // namespace movit