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

   1 // Three-lobed Lanczos, the most common choice.
   2 #define LANCZOS_RADIUS 3.0
   3
   4 #include <epoxy/gl.h>
   5 #include <assert.h>
   6 #include <limits.h>
   7 #include <math.h>
   8 #include <stdio.h>
   9 #include <algorithm>
  10
  11 #include "effect_chain.h"
  12 #include "effect_util.h"
  13 #include "fp16.h"
  14 #include "resample_effect.h"
  15 #include "util.h"
  16
  17 using namespace std;
  18
  19 namespace movit {
  20
  21 namespace {
  22
  23 float sinc(float x)
  24 {
  25         if (fabs(x) < 1e-6) {
  26                 return 1.0f - fabs(x);
  27         } else {
  28                 return sin(x) / x;
  29         }
  30 }
  31
  32 float lanczos_weight(float x, float a)
  33 {
  34         if (fabs(x) > a) {
  35                 return 0.0f;
  36         } else {
  37                 return sinc(M_PI * x) * sinc(M_PI * x / a);
  38         }
  39 }
  40
  41 // Euclid's algorithm, from Wikipedia.
  42 unsigned gcd(unsigned a, unsigned b)
  43 {
  44         while (b != 0) {
  45                 unsigned t = b;
  46                 b = a % b;
  47                 a = t;
  48         }
  49         return a;
  50 }
  51
  52 unsigned combine_samples(float *src, float *dst, unsigned num_src_samples, unsigned max_samples_saved)
  53 {
  54         unsigned num_samples_saved = 0;
  55         for (unsigned i = 0, j = 0; i < num_src_samples; ++i, ++j) {
  56                 // Copy the sample directly; it will be overwritten later if we can combine.
  57                 if (dst != NULL) {
  58                         dst[j * 2 + 0] = src[i * 2 + 0];
  59                         dst[j * 2 + 1] = src[i * 2 + 1];
  60                 }
  61
  62                 if (i == num_src_samples - 1) {
  63                         // Last sample; cannot combine.
  64                         continue;
  65                 }
  66                 assert(num_samples_saved <= max_samples_saved);
  67                 if (num_samples_saved == max_samples_saved) {
  68                         // We could maybe save more here, but other rows can't, so don't bother.
  69                         continue;
  70                 }
  71
  72                 float w1 = src[i * 2 + 0];
  73                 float w2 = src[(i + 1) * 2 + 0];
  74                 if (w1 * w2 < 0.0f) {
  75                         // Differing signs; cannot combine.
  76                         continue;
  77                 }
  78
  79                 float pos1 = src[i * 2 + 1];
  80                 float pos2 = src[(i + 1) * 2 + 1];
  81                 assert(pos2 > pos1);
  82
  83                 float offset, total_weight, sum_sq_error;
  84                 combine_two_samples(w1, w2, &offset, &total_weight, &sum_sq_error);
  85
  86                 // If the interpolation error is larger than that of about sqrt(2) of
  87                 // a level at 8-bit precision, don't combine. (You'd think 1.0 was enough,
  88                 // but since the artifacts are not really random, they can get quite
  89                 // visible. On the other hand, going to 0.25f, I can see no change at
  90                 // all with 8-bit output, so it would not seem to be worth it.)
  91                 if (sum_sq_error > 0.5f / (256.0f * 256.0f)) {
  92                         continue;
  93                 }
  94
  95                 // OK, we can combine this and the next sample.
  96                 if (dst != NULL) {
  97                         dst[j * 2 + 0] = total_weight;
  98                         dst[j * 2 + 1] = pos1 + offset * (pos2 - pos1);
  99                 }
 100
 101                 ++i;  // Skip the next sample.
 102                 ++num_samples_saved;
 103         }
 104         return num_samples_saved;
 105 }
 106
 107 }  // namespace
 108
 109 ResampleEffect::ResampleEffect()
 110         : input_width(1280),
 111           input_height(720),
 112           offset_x(0.0f), offset_y(0.0f),
 113           zoom_x(1.0f), zoom_y(1.0f),
 114           zoom_center_x(0.5f), zoom_center_y(0.5f)
 115 {
 116         register_int("width", &output_width);
 117         register_int("height", &output_height);
 118
 119         // The first blur pass will forward resolution information to us.
 120         hpass = new SingleResamplePassEffect(this);
 121         CHECK(hpass->set_int("direction", SingleResamplePassEffect::HORIZONTAL));
 122         vpass = new SingleResamplePassEffect(NULL);
 123         CHECK(vpass->set_int("direction", SingleResamplePassEffect::VERTICAL));
 124
 125         update_size();
 126 }
 127
 128 void ResampleEffect::rewrite_graph(EffectChain *graph, Node *self)
 129 {
 130         Node *hpass_node = graph->add_node(hpass);
 131         Node *vpass_node = graph->add_node(vpass);
 132         graph->connect_nodes(hpass_node, vpass_node);
 133         graph->replace_receiver(self, hpass_node);
 134         graph->replace_sender(self, vpass_node);
 135         self->disabled = true;
 136 }
 137
 138 // We get this information forwarded from the first blur pass,
 139 // since we are not part of the chain ourselves.
 140 void ResampleEffect::inform_input_size(unsigned input_num, unsigned width, unsigned height)
 141 {
 142         assert(input_num == 0);
 143         assert(width != 0);
 144         assert(height != 0);
 145         input_width = width;
 146         input_height = height;
 147         update_size();
 148 }
 149
 150 void ResampleEffect::update_size()
 151 {
 152         bool ok = true;
 153         ok |= hpass->set_int("input_width", input_width);
 154         ok |= hpass->set_int("input_height", input_height);
 155         ok |= hpass->set_int("output_width", output_width);
 156         ok |= hpass->set_int("output_height", input_height);
 157
 158         ok |= vpass->set_int("input_width", output_width);
 159         ok |= vpass->set_int("input_height", input_height);
 160         ok |= vpass->set_int("output_width", output_width);
 161         ok |= vpass->set_int("output_height", output_height);
 162
 163         assert(ok);
 164
 165         // The offset added due to zoom may have changed with the size.
 166         update_offset_and_zoom();
 167 }
 168
 169 void ResampleEffect::update_offset_and_zoom()
 170 {
 171         bool ok = true;
 172
 173         // Zoom from the right origin. (zoom_center is given in normalized coordinates,
 174         // i.e. 0..1.)
 175         float extra_offset_x = zoom_center_x * (1.0f - 1.0f / zoom_x) * input_width;
 176         float extra_offset_y = (1.0f - zoom_center_y) * (1.0f - 1.0f / zoom_y) * input_height;
 177
 178         ok |= hpass->set_float("offset", extra_offset_x + offset_x);
 179         ok |= vpass->set_float("offset", extra_offset_y - offset_y);  // Compensate for the bottom-left origin.
 180         ok |= hpass->set_float("zoom", zoom_x);
 181         ok |= vpass->set_float("zoom", zoom_y);
 182
 183         assert(ok);
 184 }
 185
 186 bool ResampleEffect::set_float(const string &key, float value) {
 187         if (key == "width") {
 188                 output_width = value;
 189                 update_size();
 190                 return true;
 191         }
 192         if (key == "height") {
 193                 output_height = value;
 194                 update_size();
 195                 return true;
 196         }
 197         if (key == "top") {
 198                 offset_y = value;
 199                 update_offset_and_zoom();
 200                 return true;
 201         }
 202         if (key == "left") {
 203                 offset_x = value;
 204                 update_offset_and_zoom();
 205                 return true;
 206         }
 207         if (key == "zoom_x") {
 208                 if (value <= 0.0f) {
 209                         return false;
 210                 }
 211                 zoom_x = value;
 212                 update_offset_and_zoom();
 213                 return true;
 214         }
 215         if (key == "zoom_y") {
 216                 if (value <= 0.0f) {
 217                         return false;
 218                 }
 219                 zoom_y = value;
 220                 update_offset_and_zoom();
 221                 return true;
 222         }
 223         if (key == "zoom_center_x") {
 224                 zoom_center_x = value;
 225                 update_offset_and_zoom();
 226                 return true;
 227         }
 228         if (key == "zoom_center_y") {
 229                 zoom_center_y = value;
 230                 update_offset_and_zoom();
 231                 return true;
 232         }
 233         return false;
 234 }
 235
 236 SingleResamplePassEffect::SingleResamplePassEffect(ResampleEffect *parent)
 237         : parent(parent),
 238           direction(HORIZONTAL),
 239           input_width(1280),
 240           input_height(720),
 241           offset(0.0),
 242           zoom(1.0),
 243           last_input_width(-1),
 244           last_input_height(-1),
 245           last_output_width(-1),
 246           last_output_height(-1),
 247           last_offset(0.0 / 0.0),  // NaN.
 248           last_zoom(0.0 / 0.0)  // NaN.
 249 {
 250         register_int("direction", (int *)&direction);
 251         register_int("input_width", &input_width);
 252         register_int("input_height", &input_height);
 253         register_int("output_width", &output_width);
 254         register_int("output_height", &output_height);
 255         register_float("offset", &offset);
 256         register_float("zoom", &zoom);
 257
 258         glGenTextures(1, &texnum);
 259 }
 260
 261 SingleResamplePassEffect::~SingleResamplePassEffect()
 262 {
 263         glDeleteTextures(1, &texnum);
 264 }
 265
 266 string SingleResamplePassEffect::output_fragment_shader()
 267 {
 268         char buf[256];
 269         sprintf(buf, "#define DIRECTION_VERTICAL %d\n", (direction == VERTICAL));
 270         return buf + read_file("resample_effect.frag");
 271 }
 272
 273 // Using vertical scaling as an example:
 274 //
 275 // Generally out[y] = w0 * in[yi] + w1 * in[yi + 1] + w2 * in[yi + 2] + ...
 276 //
 277 // Obviously, yi will depend on y (in a not-quite-linear way), but so will
 278 // the weights w0, w1, w2, etc.. The easiest way of doing this is to encode,
 279 // for each sample, the weight and the yi value, e.g. <yi, w0>, <yi + 1, w1>,
 280 // and so on. For each y, we encode these along the x-axis (since that is spare),
 281 // so out[0] will read from parameters <x,y> = <0,0>, <1,0>, <2,0> and so on.
 282 //
 283 // For horizontal scaling, we fill in the exact same texture;
 284 // the shader just interprets it differently.
 285 void SingleResamplePassEffect::update_texture(GLuint glsl_program_num, const string &prefix, unsigned *sampler_num)
 286 {
 287         unsigned src_size, dst_size;
 288         if (direction == SingleResamplePassEffect::HORIZONTAL) {
 289                 assert(input_height == output_height);
 290                 src_size = input_width;
 291                 dst_size = output_width;
 292         } else if (direction == SingleResamplePassEffect::VERTICAL) {
 293                 assert(input_width == output_width);
 294                 src_size = input_height;
 295                 dst_size = output_height;
 296         } else {
 297                 assert(false);
 298         }
 299
 300         // For many resamplings (e.g. 640 -> 1280), we will end up with the same
 301         // set of samples over and over again in a loop. Thus, we can compute only
 302         // the first such loop, and then ask the card to repeat the texture for us.
 303         // This is both easier on the texture cache and lowers our CPU cost for
 304         // generating the kernel somewhat.
 305         float scaling_factor;
 306         if (fabs(zoom - 1.0f) < 1e-6) {
 307                 num_loops = gcd(src_size, dst_size);
 308                 scaling_factor = float(dst_size) / float(src_size);
 309         } else {
 310                 // If zooming is enabled (ie., zoom != 1), we turn off the looping.
 311                 // We _could_ perhaps do it for rational zoom levels (especially
 312                 // things like 2:1), but it doesn't seem to be worth it, given that
 313                 // the most common use case would seem to be varying the zoom
 314                 // from frame to frame.
 315                 num_loops = 1;
 316                 scaling_factor = zoom * float(dst_size) / float(src_size);
 317         }
 318         slice_height = 1.0f / num_loops;
 319         unsigned dst_samples = dst_size / num_loops;
 320
 321         // Sample the kernel in the right place. A diagram with a triangular kernel
 322         // (corresponding to linear filtering, and obviously with radius 1)
 323         // for easier ASCII art drawing:
 324         //
 325         //                *
 326         //               / \                      |
 327         //              /   \                     |
 328         //             /     \                    |
 329         //    x---x---x   x   x---x---x---x
 330         //
 331         // Scaling up (in this case, 2x) means sampling more densely:
 332         //
 333         //                *
 334         //               / \                      |
 335         //              /   \                     |
 336         //             /     \                    |
 337         //   x-x-x-x-x-x x x x-x-x-x-x-x-x-x
 338         //
 339         // When scaling up, any destination pixel will only be influenced by a few
 340         // (in this case, two) neighboring pixels, and more importantly, the number
 341         // will not be influenced by the scaling factor. (Note, however, that the
 342         // pixel centers have moved, due to OpenGL's center-pixel convention.)
 343         // The only thing that changes is the weights themselves, as the sampling
 344         // points are at different distances from the original pixels.
 345         //
 346         // Scaling down is a different story:
 347         //
 348         //                *
 349         //               / \                      |
 350         //              /   \                     |
 351         //             /     \                    |
 352         //    --x------ x     --x-------x--
 353         //
 354         // Again, the pixel centers have moved in a maybe unintuitive fashion,
 355         // although when you consider that there are multiple source pixels around,
 356         // it's not so bad as at first look:
 357         //
 358         //            *   *   *   *
 359         //           / \ / \ / \ / \              |
 360         //          /   X   X   X   \             |
 361         //         /   / \ / \ / \   \            |
 362         //    --x-------x-------x-------x--
 363         //
 364         // As you can see, the new pixels become averages of the two neighboring old
 365         // ones (the situation for Lanczos is of course more complex).
 366         //
 367         // Anyhow, in this case we clearly need to look at more source pixels
 368         // to compute the destination pixel, and how many depend on the scaling factor.
 369         // Thus, the kernel width will vary with how much we scale.
 370         float radius_scaling_factor = min(scaling_factor, 1.0f);
 371         int int_radius = lrintf(LANCZOS_RADIUS / radius_scaling_factor);
 372         int src_samples = int_radius * 2 + 1;
 373         float *weights = new float[dst_samples * src_samples * 2];
 374         float subpixel_offset = offset - lrintf(offset);  // The part not covered by whole_pixel_offset.
 375         assert(subpixel_offset >= -0.5f && subpixel_offset <= 0.5f);
 376         for (unsigned y = 0; y < dst_samples; ++y) {
 377                 // Find the point around which we want to sample the source image,
 378                 // compensating for differing pixel centers as the scale changes.
 379                 float center_src_y = (y + 0.5f) / scaling_factor - 0.5f;
 380                 int base_src_y = lrintf(center_src_y);
 381
 382                 // Now sample <int_radius> pixels on each side around that point.
 383                 for (int i = 0; i < src_samples; ++i) {
 384                         int src_y = base_src_y + i - int_radius;
 385                         float weight = lanczos_weight(radius_scaling_factor * (src_y - center_src_y - subpixel_offset), LANCZOS_RADIUS);
 386                         weights[(y * src_samples + i) * 2 + 0] = weight * radius_scaling_factor;
 387                         weights[(y * src_samples + i) * 2 + 1] = (src_y + 0.5) / float(src_size);
 388                 }
 389         }
 390
 391         // Now make use of the bilinear filtering in the GPU to reduce the number of samples
 392         // we need to make. This is a bit more complex than BlurEffect since we cannot combine
 393         // two neighboring samples if their weights have differing signs, so we first need to
 394         // figure out the maximum number of samples. Then, we downconvert all the weights to
 395         // that number -- we could have gone for a variable-length system, but this is simpler,
 396         // and the gains would probably be offset by the extra cost of checking when to stop.
 397         //
 398         // The greedy strategy for combining samples is optimal.
 399         src_bilinear_samples = 0;
 400         for (unsigned y = 0; y < dst_samples; ++y) {
 401                 unsigned num_samples_saved = combine_samples(weights + (y * src_samples) * 2, NULL, src_samples, UINT_MAX);
 402                 src_bilinear_samples = max<int>(src_bilinear_samples, src_samples - num_samples_saved);
 403         }
 404
 405         // Now that we know the right width, actually combine the samples.
 406         float *bilinear_weights = new float[dst_samples * src_bilinear_samples * 2];
 407         fp16_int_t *bilinear_weights_fp16 = new fp16_int_t[dst_samples * src_bilinear_samples * 2];
 408         for (unsigned y = 0; y < dst_samples; ++y) {
 409                 float *bilinear_weights_ptr = bilinear_weights + (y * src_bilinear_samples) * 2;
 410                 fp16_int_t *bilinear_weights_fp16_ptr = bilinear_weights_fp16 + (y * src_bilinear_samples) * 2;
 411                 unsigned num_samples_saved = combine_samples(
 412                         weights + (y * src_samples) * 2,
 413                         bilinear_weights_ptr,
 414                         src_samples,
 415                         src_samples - src_bilinear_samples);
 416                 assert(int(src_samples) - int(num_samples_saved) == src_bilinear_samples);
 417
 418                 // Convert to fp16.
 419                 for (int i = 0; i < src_bilinear_samples; ++i) {
 420                         bilinear_weights_fp16_ptr[i * 2 + 0] = fp64_to_fp16(bilinear_weights_ptr[i * 2 + 0]);
 421                         bilinear_weights_fp16_ptr[i * 2 + 1] = fp64_to_fp16(bilinear_weights_ptr[i * 2 + 1]);
 422                 }
 423
 424                 // Normalize so that the sum becomes one. Note that we do it twice;
 425                 // this sometimes helps a tiny little bit when we have many samples.
 426                 for (int normalize_pass = 0; normalize_pass < 2; ++normalize_pass) {
 427                         double sum = 0.0;
 428                         for (int i = 0; i < src_bilinear_samples; ++i) {
 429                                 sum += fp16_to_fp64(bilinear_weights_fp16_ptr[i * 2 + 0]);
 430                         }
 431                         for (int i = 0; i < src_bilinear_samples; ++i) {
 432                                 bilinear_weights_fp16_ptr[i * 2 + 0] = fp64_to_fp16(
 433                                         fp16_to_fp64(bilinear_weights_fp16_ptr[i * 2 + 0]) / sum);
 434                         }
 435                 }
 436         }
 437
 438         // Encode as a two-component texture. Note the GL_REPEAT.
 439         glActiveTexture(GL_TEXTURE0 + *sampler_num);
 440         check_error();
 441         glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texnum);
 442         check_error();
 443         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
 444         check_error();
 445         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
 446         check_error();
 447         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
 448         check_error();
 449         glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RG16F, src_bilinear_samples, dst_samples, 0, GL_RG, GL_HALF_FLOAT, bilinear_weights_fp16);
 450         check_error();
 451
 452         delete[] weights;
 453         delete[] bilinear_weights;
 454         delete[] bilinear_weights_fp16;
 455 }
 456
 457 void SingleResamplePassEffect::set_gl_state(GLuint glsl_program_num, const string &prefix, unsigned *sampler_num)
 458 {
 459         Effect::set_gl_state(glsl_program_num, prefix, sampler_num);
 460
 461         assert(input_width > 0);
 462         assert(input_height > 0);
 463         assert(output_width > 0);
 464         assert(output_height > 0);
 465
 466         if (input_width != last_input_width ||
 467             input_height != last_input_height ||
 468             output_width != last_output_width ||
 469             output_height != last_output_height ||
 470             offset != last_offset ||
 471             zoom != last_zoom) {
 472                 update_texture(glsl_program_num, prefix, sampler_num);
 473                 last_input_width = input_width;
 474                 last_input_height = input_height;
 475                 last_output_width = output_width;
 476                 last_output_height = output_height;
 477                 last_offset = offset;
 478                 last_zoom = zoom;
 479         }
 480
 481         glActiveTexture(GL_TEXTURE0 + *sampler_num);
 482         check_error();
 483         glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texnum);
 484         check_error();
 485
 486         set_uniform_int(glsl_program_num, prefix, "sample_tex", *sampler_num);
 487         ++sampler_num;
 488         set_uniform_int(glsl_program_num, prefix, "num_samples", src_bilinear_samples);
 489         set_uniform_float(glsl_program_num, prefix, "num_loops", num_loops);
 490         set_uniform_float(glsl_program_num, prefix, "slice_height", slice_height);
 491
 492         // Instructions for how to convert integer sample numbers to positions in the weight texture.
 493         set_uniform_float(glsl_program_num, prefix, "sample_x_scale", 1.0f / src_bilinear_samples);
 494         set_uniform_float(glsl_program_num, prefix, "sample_x_offset", 0.5f / src_bilinear_samples);
 495
 496         float whole_pixel_offset;
 497         if (direction == SingleResamplePassEffect::VERTICAL) {
 498                 whole_pixel_offset = lrintf(offset) / float(input_height);
 499         } else {
 500                 whole_pixel_offset = lrintf(offset) / float(input_width);
 501         }
 502         set_uniform_float(glsl_program_num, prefix, "whole_pixel_offset", whole_pixel_offset);
 503
 504         // We specifically do not want mipmaps on the input texture;
 505         // they break minification.
 506         Node *self = chain->find_node_for_effect(this);
 507         glActiveTexture(chain->get_input_sampler(self, 0));
 508         check_error();
 509         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
 510         check_error();
 511 }
 512
 513 }  // namespace movit