git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavfilter/vf_edgedetect.c

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2012-2014 Clément Bœsch <u pkh me>
   3  *
   4  * This file is part of FFmpeg.
   5  *
   6  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
   7  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   8  * License as published by the Free Software Foundation; either
   9  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  10  *
  11  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  14  * Lesser General Public License for more details.
  15  *
  16  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  17  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  18  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  19  */
  20
  21 /**
  22  * @file
  23  * Edge detection filter
  24  *
  25  * @see https://en.wikipedia.org/wiki/Canny_edge_detector
  26  */
  27
  28 #include "libavutil/avassert.h"
  29 #include "libavutil/opt.h"
  30 #include "avfilter.h"
  31 #include "formats.h"
  32 #include "internal.h"
  33 #include "video.h"
  34
  35 enum FilterMode {
  36     MODE_WIRES,
  37     MODE_COLORMIX,
  38     NB_MODE
  39 };
  40
  41 struct plane_info {
  42     uint8_t  *tmpbuf;
  43     uint16_t *gradients;
  44     char     *directions;
  45 };
  46
  47 typedef struct EdgeDetectContext {
  48     const AVClass *class;
  49     struct plane_info planes[3];
  50     int nb_planes;
  51     double   low, high;
  52     uint8_t  low_u8, high_u8;
  53     int mode;
  54 } EdgeDetectContext;
  55
  56 #define OFFSET(x) offsetof(EdgeDetectContext, x)
  57 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
  58 static const AVOption edgedetect_options[] = {
  59     { "high", "set high threshold", OFFSET(high), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=50/255.}, 0, 1, FLAGS },
  60     { "low",  "set low threshold",  OFFSET(low),  AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=20/255.}, 0, 1, FLAGS },
  61     { "mode", "set mode", OFFSET(mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=MODE_WIRES}, 0, NB_MODE-1, FLAGS, "mode" },
  62         { "wires",    "white/gray wires on black",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=MODE_WIRES},    INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "mode" },
  63         { "colormix", "mix colors",                 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=MODE_COLORMIX}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "mode" },
  64     { NULL }
  65 };
  66
  67 AVFILTER_DEFINE_CLASS(edgedetect);
  68
  69 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx)
  70 {
  71     EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
  72
  73     edgedetect->low_u8  = edgedetect->low  * 255. + .5;
  74     edgedetect->high_u8 = edgedetect->high * 255. + .5;
  75     return 0;
  76 }
  77
  78 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
  79 {
  80     const EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
  81     static const enum AVPixelFormat wires_pix_fmts[] = {AV_PIX_FMT_GRAY8, AV_PIX_FMT_NONE};
  82     static const enum AVPixelFormat colormix_pix_fmts[] = {AV_PIX_FMT_GBRP, AV_PIX_FMT_GRAY8, AV_PIX_FMT_NONE};
  83     AVFilterFormats *fmts_list;
  84     const enum AVPixelFormat *pix_fmts = NULL;
  85
  86     if (edgedetect->mode == MODE_WIRES) {
  87         pix_fmts = wires_pix_fmts;
  88     } else if (edgedetect->mode == MODE_COLORMIX) {
  89         pix_fmts = colormix_pix_fmts;
  90     } else {
  91         av_assert0(0);
  92     }
  93     fmts_list = ff_make_format_list(pix_fmts);
  94     if (!fmts_list)
  95         return AVERROR(ENOMEM);
  96     return ff_set_common_formats(ctx, fmts_list);
  97 }
  98
  99 static int config_props(AVFilterLink *inlink)
 100 {
 101     int p;
 102     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 103     EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
 104
 105     edgedetect->nb_planes = inlink->format == AV_PIX_FMT_GRAY8 ? 1 : 3;
 106     for (p = 0; p < edgedetect->nb_planes; p++) {
 107         struct plane_info *plane = &edgedetect->planes[p];
 108
 109         plane->tmpbuf     = av_malloc(inlink->w * inlink->h);
 110         plane->gradients  = av_calloc(inlink->w * inlink->h, sizeof(*plane->gradients));
 111         plane->directions = av_malloc(inlink->w * inlink->h);
 112         if (!plane->tmpbuf || !plane->gradients || !plane->directions)
 113             return AVERROR(ENOMEM);
 114     }
 115     return 0;
 116 }
 117
 118 static void gaussian_blur(AVFilterContext *ctx, int w, int h,
 119                                 uint8_t *dst, int dst_linesize,
 120                           const uint8_t *src, int src_linesize)
 121 {
 122     int i, j;
 123
 124     memcpy(dst, src, w); dst += dst_linesize; src += src_linesize;
 125     memcpy(dst, src, w); dst += dst_linesize; src += src_linesize;
 126     for (j = 2; j < h - 2; j++) {
 127         dst[0] = src[0];
 128         dst[1] = src[1];
 129         for (i = 2; i < w - 2; i++) {
 130             /* Gaussian mask of size 5x5 with sigma = 1.4 */
 131             dst[i] = ((src[-2*src_linesize + i-2] + src[2*src_linesize + i-2]) * 2
 132                     + (src[-2*src_linesize + i-1] + src[2*src_linesize + i-1]) * 4
 133                     + (src[-2*src_linesize + i  ] + src[2*src_linesize + i  ]) * 5
 134                     + (src[-2*src_linesize + i+1] + src[2*src_linesize + i+1]) * 4
 135                     + (src[-2*src_linesize + i+2] + src[2*src_linesize + i+2]) * 2
 136
 137                     + (src[  -src_linesize + i-2] + src[  src_linesize + i-2]) *  4
 138                     + (src[  -src_linesize + i-1] + src[  src_linesize + i-1]) *  9
 139                     + (src[  -src_linesize + i  ] + src[  src_linesize + i  ]) * 12
 140                     + (src[  -src_linesize + i+1] + src[  src_linesize + i+1]) *  9
 141                     + (src[  -src_linesize + i+2] + src[  src_linesize + i+2]) *  4
 142
 143                     + src[i-2] *  5
 144                     + src[i-1] * 12
 145                     + src[i  ] * 15
 146                     + src[i+1] * 12
 147                     + src[i+2] *  5) / 159;
 148         }
 149         dst[i    ] = src[i    ];
 150         dst[i + 1] = src[i + 1];
 151
 152         dst += dst_linesize;
 153         src += src_linesize;
 154     }
 155     memcpy(dst, src, w); dst += dst_linesize; src += src_linesize;
 156     memcpy(dst, src, w);
 157 }
 158
 159 enum {
 160     DIRECTION_45UP,
 161     DIRECTION_45DOWN,
 162     DIRECTION_HORIZONTAL,
 163     DIRECTION_VERTICAL,
 164 };
 165
 166 static int get_rounded_direction(int gx, int gy)
 167 {
 168     /* reference angles:
 169      *   tan( pi/8) = sqrt(2)-1
 170      *   tan(3pi/8) = sqrt(2)+1
 171      * Gy/Gx is the tangent of the angle (theta), so Gy/Gx is compared against
 172      * <ref-angle>, or more simply Gy against <ref-angle>*Gx
 173      *
 174      * Gx and Gy bounds = [-1020;1020], using 16-bit arithmetic:
 175      *   round((sqrt(2)-1) * (1<<16)) =  27146
 176      *   round((sqrt(2)+1) * (1<<16)) = 158218
 177      */
 178     if (gx) {
 179         int tanpi8gx, tan3pi8gx;
 180
 181         if (gx < 0)
 182             gx = -gx, gy = -gy;
 183         gy <<= 16;
 184         tanpi8gx  =  27146 * gx;
 185         tan3pi8gx = 158218 * gx;
 186         if (gy > -tan3pi8gx && gy < -tanpi8gx)  return DIRECTION_45UP;
 187         if (gy > -tanpi8gx  && gy <  tanpi8gx)  return DIRECTION_HORIZONTAL;
 188         if (gy >  tanpi8gx  && gy <  tan3pi8gx) return DIRECTION_45DOWN;
 189     }
 190     return DIRECTION_VERTICAL;
 191 }
 192
 193 static void sobel(int w, int h,
 194                        uint16_t *dst, int dst_linesize,
 195                          int8_t *dir, int dir_linesize,
 196                   const uint8_t *src, int src_linesize)
 197 {
 198     int i, j;
 199
 200     for (j = 1; j < h - 1; j++) {
 201         dst += dst_linesize;
 202         dir += dir_linesize;
 203         src += src_linesize;
 204         for (i = 1; i < w - 1; i++) {
 205             const int gx =
 206                 -1*src[-src_linesize + i-1] + 1*src[-src_linesize + i+1]
 207                 -2*src[                i-1] + 2*src[                i+1]
 208                 -1*src[ src_linesize + i-1] + 1*src[ src_linesize + i+1];
 209             const int gy =
 210                 -1*src[-src_linesize + i-1] + 1*src[ src_linesize + i-1]
 211                 -2*src[-src_linesize + i  ] + 2*src[ src_linesize + i  ]
 212                 -1*src[-src_linesize + i+1] + 1*src[ src_linesize + i+1];
 213
 214             dst[i] = FFABS(gx) + FFABS(gy);
 215             dir[i] = get_rounded_direction(gx, gy);
 216         }
 217     }
 218 }
 219
 220 static void non_maximum_suppression(int w, int h,
 221                                           uint8_t  *dst, int dst_linesize,
 222                                     const  int8_t  *dir, int dir_linesize,
 223                                     const uint16_t *src, int src_linesize)
 224 {
 225     int i, j;
 226
 227 #define COPY_MAXIMA(ay, ax, by, bx) do {                \
 228     if (src[i] > src[(ay)*src_linesize + i+(ax)] &&     \
 229         src[i] > src[(by)*src_linesize + i+(bx)])       \
 230         dst[i] = av_clip_uint8(src[i]);                 \
 231 } while (0)
 232
 233     for (j = 1; j < h - 1; j++) {
 234         dst += dst_linesize;
 235         dir += dir_linesize;
 236         src += src_linesize;
 237         for (i = 1; i < w - 1; i++) {
 238             switch (dir[i]) {
 239             case DIRECTION_45UP:        COPY_MAXIMA( 1, -1, -1,  1); break;
 240             case DIRECTION_45DOWN:      COPY_MAXIMA(-1, -1,  1,  1); break;
 241             case DIRECTION_HORIZONTAL:  COPY_MAXIMA( 0, -1,  0,  1); break;
 242             case DIRECTION_VERTICAL:    COPY_MAXIMA(-1,  0,  1,  0); break;
 243             }
 244         }
 245     }
 246 }
 247
 248 static void double_threshold(int low, int high, int w, int h,
 249                                    uint8_t *dst, int dst_linesize,
 250                              const uint8_t *src, int src_linesize)
 251 {
 252     int i, j;
 253
 254     for (j = 0; j < h; j++) {
 255         for (i = 0; i < w; i++) {
 256             if (src[i] > high) {
 257                 dst[i] = src[i];
 258                 continue;
 259             }
 260
 261             if ((!i || i == w - 1 || !j || j == h - 1) &&
 262                 src[i] > low &&
 263                 (src[-src_linesize + i-1] > high ||
 264                  src[-src_linesize + i  ] > high ||
 265                  src[-src_linesize + i+1] > high ||
 266                  src[                i-1] > high ||
 267                  src[                i+1] > high ||
 268                  src[ src_linesize + i-1] > high ||
 269                  src[ src_linesize + i  ] > high ||
 270                  src[ src_linesize + i+1] > high))
 271                 dst[i] = src[i];
 272             else
 273                 dst[i] = 0;
 274         }
 275         dst += dst_linesize;
 276         src += src_linesize;
 277     }
 278 }
 279
 280 static void color_mix(int w, int h,
 281                             uint8_t *dst, int dst_linesize,
 282                       const uint8_t *src, int src_linesize)
 283 {
 284     int i, j;
 285
 286     for (j = 0; j < h; j++) {
 287         for (i = 0; i < w; i++)
 288             dst[i] = (dst[i] + src[i]) >> 1;
 289         dst += dst_linesize;
 290         src += src_linesize;
 291     }
 292 }
 293
 294 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
 295 {
 296     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 297     EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
 298     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 299     int p, direct = 0;
 300     AVFrame *out;
 301
 302     if (edgedetect->mode != MODE_COLORMIX && av_frame_is_writable(in)) {
 303         direct = 1;
 304         out = in;
 305     } else {
 306         out = ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
 307         if (!out) {
 308             av_frame_free(&in);
 309             return AVERROR(ENOMEM);
 310         }
 311         av_frame_copy_props(out, in);
 312     }
 313
 314     for (p = 0; p < edgedetect->nb_planes; p++) {
 315         struct plane_info *plane = &edgedetect->planes[p];
 316         uint8_t  *tmpbuf     = plane->tmpbuf;
 317         uint16_t *gradients  = plane->gradients;
 318         int8_t   *directions = plane->directions;
 319
 320         /* gaussian filter to reduce noise  */
 321         gaussian_blur(ctx, inlink->w, inlink->h,
 322                       tmpbuf,      inlink->w,
 323                       in->data[p], in->linesize[p]);
 324
 325         /* compute the 16-bits gradients and directions for the next step */
 326         sobel(inlink->w, inlink->h,
 327               gradients, inlink->w,
 328               directions,inlink->w,
 329               tmpbuf,    inlink->w);
 330
 331         /* non_maximum_suppression() will actually keep & clip what's necessary and
 332          * ignore the rest, so we need a clean output buffer */
 333         memset(tmpbuf, 0, inlink->w * inlink->h);
 334         non_maximum_suppression(inlink->w, inlink->h,
 335                                 tmpbuf,    inlink->w,
 336                                 directions,inlink->w,
 337                                 gradients, inlink->w);
 338
 339         /* keep high values, or low values surrounded by high values */
 340         double_threshold(edgedetect->low_u8, edgedetect->high_u8,
 341                          inlink->w, inlink->h,
 342                          out->data[p], out->linesize[p],
 343                          tmpbuf,       inlink->w);
 344
 345         if (edgedetect->mode == MODE_COLORMIX) {
 346             color_mix(inlink->w, inlink->h,
 347                       out->data[p], out->linesize[p],
 348                       in->data[p], in->linesize[p]);
 349         }
 350     }
 351
 352     if (!direct)
 353         av_frame_free(&in);
 354     return ff_filter_frame(outlink, out);
 355 }
 356
 357 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 358 {
 359     int p;
 360     EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
 361
 362     for (p = 0; p < edgedetect->nb_planes; p++) {
 363         struct plane_info *plane = &edgedetect->planes[p];
 364         av_freep(&plane->tmpbuf);
 365         av_freep(&plane->gradients);
 366         av_freep(&plane->directions);
 367     }
 368 }
 369
 370 static const AVFilterPad edgedetect_inputs[] = {
 371     {
 372         .name         = "default",
 373         .type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 374         .config_props = config_props,
 375         .filter_frame = filter_frame,
 376     },
 377     { NULL }
 378 };
 379
 380 static const AVFilterPad edgedetect_outputs[] = {
 381     {
 382         .name = "default",
 383         .type = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 384     },
 385     { NULL }
 386 };
 387
 388 AVFilter ff_vf_edgedetect = {
 389     .name          = "edgedetect",
 390     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Detect and draw edge."),
 391     .priv_size     = sizeof(EdgeDetectContext),
 392     .init          = init,
 393     .uninit        = uninit,
 394     .query_formats = query_formats,
 395     .inputs        = edgedetect_inputs,
 396     .outputs       = edgedetect_outputs,
 397     .priv_class    = &edgedetect_class,
 398     .flags         = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_GENERIC,
 399 };