]> git.sesse.net Git - nageru/blob - motion_search.frag
Do patch normalization in densification.
[nageru] / motion_search.frag
1 #version 450 core
2
3 /*
4   The motion search is one of the two major components of DIS. It works more or less
5   like you'd expect; there's a bunch of overlapping patches (8x8 or 12x12 pixels) in
6   a grid, and for each patch, there's a search to try to find the most similar patch
7   in the other frame.
8
9   Unlike in a typical video codec, the DIS patch search is based on gradient descent;
10   conceptually, you start with an initial guess (the value from the previous level,
11   or the zero flow for the very first level), subtract the reference (“template”)
12   patch from the candidate, look at the gradient to see in what direction there is
13   a lower difference, and then inch a bit toward that direction. (There is seemingly
14   nothing like AdaM, Momentum or similar, but the searched value is only in two
15   dimensions, so perhaps it doesn't matter as much then.)
16
17   DIS does a tweak to this concept. Since the procedure as outlined above requires
18   computing the gradient of the candidate patch, it uses the reference patch as
19   candidate (thus the “inverse” name), and thus uses _its_ gradient to understand
20   in which direction to move. (This is a bit dodgy, but not _that_ dodgy; after
21   all, the two patches are supposed to be quite similar, so their surroundings and
22   thus also gradients should also be quite similar.) It's not entirely clear whether
23   this is still a win on GPU, where calculations are much cheaper, especially
24   the way we parallelize the search, but we've kept it around for now.
25
26   The inverse search is explained and derived in the supplementary material of the
27   paper, section A. Do note that there's a typo; the text under equation 9 claims
28   that the matrix H is n x n (where presumably n is the patch size), while in reality,
29   it's 2x2.
30
31   Our GPU parallellization is fairly dumb right now; we do one patch per fragment
32   (ie., parallellize only over patches, not within each patch), which may not
33   be optimal. In particular, in the initial level, we only have 40 patches,
34   which is on the low side for a GPU, and the memory access patterns may also not
35   be ideal.
36  */
37
38 const uint patch_size = 12;
39 const uint num_iterations = 16;
40
41 in vec2 flow_tc;
42 in vec2 patch_bottom_left_texel;  // Center of bottom-left texel of patch.
43 out vec3 out_flow;
44
45 uniform sampler2D flow_tex, grad0_tex, image0_tex, image1_tex;
46 uniform vec2 image_size, inv_image_size;
47
48 void main()
49 {
50         // Lock patch_bottom_left_texel to an integer, so that we never get
51         // any bilinear artifacts for the gradient.
52         vec2 base = (round(patch_bottom_left_texel * image_size - vec2(0.5, 0.5)) + vec2(0.5, 0.5))
53                 * inv_image_size;
54
55         // First, precompute the pseudo-Hessian for the template patch.
56         // This is the part where we really save by the inverse search
57         // (ie., we can compute it up-front instead of anew for each
58         // patch).
59         //
60         //  H = sum(S^T S)
61         //
62         // where S is the gradient at each point in the patch. Note that
63         // this is an outer product, so we get a (symmetric) 2x2 matrix,
64         // not a scalar.
65         mat2 H = mat2(0.0f);
66         vec2 grad_sum = vec2(0.0f);  // Used for patch normalization.
67         float template_sum = 0.0f;
68         for (uint y = 0; y < patch_size; ++y) {
69                 for (uint x = 0; x < patch_size; ++x) {
70                         vec2 tc = base + uvec2(x, y) * inv_image_size;
71                         vec2 grad = texture(grad0_tex, tc).xy;
72                         H[0][0] += grad.x * grad.x;
73                         H[1][1] += grad.y * grad.y;
74                         H[0][1] += grad.x * grad.y;
75
76                         template_sum += texture(image0_tex, tc).x;
77                         grad_sum += grad;
78                 }
79         }
80         H[1][0] = H[0][1];
81
82         // Make sure we don't get a singular matrix even if e.g. the picture is
83         // all black. (The paper doesn't mention this, but the reference code
84         // does it, and it seems like a reasonable hack to avoid NaNs. With such
85         // a H, we'll go out-of-bounds pretty soon, though.)
86         if (determinant(H) < 1e-6) {
87                 H[0][0] += 1e-6;
88                 H[1][1] += 1e-6;
89         }
90
91         mat2 H_inv = inverse(H);
92
93         // Fetch the initial guess for the flow. (We need the normalization step
94         // because densification works by accumulating; see the comments on the
95         // Densify class.)
96         vec3 prev_flow = texture(flow_tex, flow_tc).xyz;
97         vec2 initial_u;
98         if (prev_flow.z < 1e-3) {
99                 initial_u = vec2(0.0, 0.0);
100         } else {
101                 initial_u = prev_flow.xy / prev_flow.z;
102         }
103
104         // Note: The flow is in OpenGL coordinates [0..1], but the calculations
105         // generally come out in pixels since the gradient is in pixels,
106         // so we need to convert at the end.
107         vec2 u = initial_u;
108         float mean_diff, first_mean_diff;
109
110         for (uint i = 0; i < num_iterations; ++i) {
111                 vec2 du = vec2(0.0, 0.0);
112                 float warped_sum = 0.0f;
113                 for (uint y = 0; y < patch_size; ++y) {
114                         for (uint x = 0; x < patch_size; ++x) {
115                                 vec2 tc = base + uvec2(x, y) * inv_image_size;
116                                 vec2 grad = texture(grad0_tex, tc).xy;
117                                 float t = texture(image0_tex, tc).x;
118                                 float warped = texture(image1_tex, tc + u).x;
119                                 du += grad * (warped - t);
120                                 warped_sum += warped;
121                         }
122                 }
123
124                 // Subtract the mean for patch normalization. We've done our
125                 // sums without subtracting the means (because we didn't know them
126                 // beforehand), ie.:
127                 //
128                 //   sum(S^T * ((x + µ1) - (y + µ2))) = sum(S^T * (x - y)) + (µ1 – µ2) sum(S^T)
129                 //
130                 // which gives trivially
131                 //
132                 //   sum(S^T * (x - y)) = [what we calculated] - (µ1 - µ2) sum(S^T)
133                 //
134                 // so we can just subtract away the mean difference here.
135                 mean_diff = (warped_sum - template_sum) * (1.0 / (patch_size * patch_size));
136                 du -= grad_sum * mean_diff;
137
138                 if (i == 0) {
139                         first_mean_diff = mean_diff;
140                 }
141
142                 // Do the actual update.
143                 u -= (H_inv * du) * inv_image_size;
144         }
145
146         // Reject if we moved too far. Also reject if the patch goes out-of-bounds
147         // (the paper does not mention this, but the code does, and it seems to be
148         // critical to avoid really bad behavior at the edges).
149         if ((length((u - initial_u) * image_size) > patch_size) ||
150              u.x * image_size.x < -(patch_size * 0.5f) ||
151              (1.0 - u.x) * image_size.x < -(patch_size * 0.5f) ||
152              u.y * image_size.y < -(patch_size * 0.5f) ||
153              (1.0 - u.y) * image_size.y < -(patch_size * 0.5f)) {
154                 u = initial_u;
155                 mean_diff = first_mean_diff;
156         }
157
158         // NOTE: The mean patch diff will be for the second-to-last patch,
159         // not the true position of du. But hopefully, it will be very close.
160         out_flow = vec3(u.x, u.y, mean_diff);
161 }