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

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2012 Clément Bœsch
   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/opt.h"
  29 #include "avfilter.h"
  30 #include "formats.h"
  31 #include "internal.h"
  32 #include "video.h"
  33
  34 typedef struct {
  35     const AVClass *class;
  36     uint8_t  *tmpbuf;
  37     uint16_t *gradients;
  38     char     *directions;
  39     double   low, high;
  40     uint8_t  low_u8, high_u8;
  41 } EdgeDetectContext;
  42
  43 #define OFFSET(x) offsetof(EdgeDetectContext, x)
  44 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
  45 static const AVOption edgedetect_options[] = {
  46     { "high", "set high threshold", OFFSET(high), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=50/255.}, 0, 1, FLAGS },
  47     { "low",  "set low threshold",  OFFSET(low),  AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=20/255.}, 0, 1, FLAGS },
  48     { NULL }
  49 };
  50
  51 AVFILTER_DEFINE_CLASS(edgedetect);
  52
  53 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx)
  54 {
  55     EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
  56
  57     edgedetect->low_u8  = edgedetect->low  * 255. + .5;
  58     edgedetect->high_u8 = edgedetect->high * 255. + .5;
  59     return 0;
  60 }
  61
  62 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
  63 {
  64     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {AV_PIX_FMT_GRAY8, AV_PIX_FMT_NONE};
  65     ff_set_common_formats(ctx, ff_make_format_list(pix_fmts));
  66     return 0;
  67 }
  68
  69 static int config_props(AVFilterLink *inlink)
  70 {
  71     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
  72     EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
  73
  74     edgedetect->tmpbuf     = av_malloc(inlink->w * inlink->h);
  75     edgedetect->gradients  = av_calloc(inlink->w * inlink->h, sizeof(*edgedetect->gradients));
  76     edgedetect->directions = av_malloc(inlink->w * inlink->h);
  77     if (!edgedetect->tmpbuf || !edgedetect->gradients || !edgedetect->directions)
  78         return AVERROR(ENOMEM);
  79     return 0;
  80 }
  81
  82 static void gaussian_blur(AVFilterContext *ctx, int w, int h,
  83                                 uint8_t *dst, int dst_linesize,
  84                           const uint8_t *src, int src_linesize)
  85 {
  86     int i, j;
  87
  88     memcpy(dst, src, w); dst += dst_linesize; src += src_linesize;
  89     memcpy(dst, src, w); dst += dst_linesize; src += src_linesize;
  90     for (j = 2; j < h - 2; j++) {
  91         dst[0] = src[0];
  92         dst[1] = src[1];
  93         for (i = 2; i < w - 2; i++) {
  94             /* Gaussian mask of size 5x5 with sigma = 1.4 */
  95             dst[i] = ((src[-2*src_linesize + i-2] + src[2*src_linesize + i-2]) * 2
  96                     + (src[-2*src_linesize + i-1] + src[2*src_linesize + i-1]) * 4
  97                     + (src[-2*src_linesize + i  ] + src[2*src_linesize + i  ]) * 5
  98                     + (src[-2*src_linesize + i+1] + src[2*src_linesize + i+1]) * 4
  99                     + (src[-2*src_linesize + i+2] + src[2*src_linesize + i+2]) * 2
 100
 101                     + (src[  -src_linesize + i-2] + src[  src_linesize + i-2]) *  4
 102                     + (src[  -src_linesize + i-1] + src[  src_linesize + i-1]) *  9
 103                     + (src[  -src_linesize + i  ] + src[  src_linesize + i  ]) * 12
 104                     + (src[  -src_linesize + i+1] + src[  src_linesize + i+1]) *  9
 105                     + (src[  -src_linesize + i+2] + src[  src_linesize + i+2]) *  4
 106
 107                     + src[i-2] *  5
 108                     + src[i-1] * 12
 109                     + src[i  ] * 15
 110                     + src[i+1] * 12
 111                     + src[i+2] *  5) / 159;
 112         }
 113         dst[i    ] = src[i    ];
 114         dst[i + 1] = src[i + 1];
 115
 116         dst += dst_linesize;
 117         src += src_linesize;
 118     }
 119     memcpy(dst, src, w); dst += dst_linesize; src += src_linesize;
 120     memcpy(dst, src, w);
 121 }
 122
 123 enum {
 124     DIRECTION_45UP,
 125     DIRECTION_45DOWN,
 126     DIRECTION_HORIZONTAL,
 127     DIRECTION_VERTICAL,
 128 };
 129
 130 static int get_rounded_direction(int gx, int gy)
 131 {
 132     /* reference angles:
 133      *   tan( pi/8) = sqrt(2)-1
 134      *   tan(3pi/8) = sqrt(2)+1
 135      * Gy/Gx is the tangent of the angle (theta), so Gy/Gx is compared against
 136      * <ref-angle>, or more simply Gy against <ref-angle>*Gx
 137      *
 138      * Gx and Gy bounds = [-1020;1020], using 16-bit arithmetic:
 139      *   round((sqrt(2)-1) * (1<<16)) =  27146
 140      *   round((sqrt(2)+1) * (1<<16)) = 158218
 141      */
 142     if (gx) {
 143         int tanpi8gx, tan3pi8gx;
 144
 145         if (gx < 0)
 146             gx = -gx, gy = -gy;
 147         gy <<= 16;
 148         tanpi8gx  =  27146 * gx;
 149         tan3pi8gx = 158218 * gx;
 150         if (gy > -tan3pi8gx && gy < -tanpi8gx)  return DIRECTION_45UP;
 151         if (gy > -tanpi8gx  && gy <  tanpi8gx)  return DIRECTION_HORIZONTAL;
 152         if (gy >  tanpi8gx  && gy <  tan3pi8gx) return DIRECTION_45DOWN;
 153     }
 154     return DIRECTION_VERTICAL;
 155 }
 156
 157 static void sobel(AVFilterContext *ctx, int w, int h,
 158                         uint16_t *dst, int dst_linesize,
 159                   const uint8_t  *src, int src_linesize)
 160 {
 161     int i, j;
 162     EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
 163
 164     for (j = 1; j < h - 1; j++) {
 165         dst += dst_linesize;
 166         src += src_linesize;
 167         for (i = 1; i < w - 1; i++) {
 168             const int gx =
 169                 -1*src[-src_linesize + i-1] + 1*src[-src_linesize + i+1]
 170                 -2*src[                i-1] + 2*src[                i+1]
 171                 -1*src[ src_linesize + i-1] + 1*src[ src_linesize + i+1];
 172             const int gy =
 173                 -1*src[-src_linesize + i-1] + 1*src[ src_linesize + i-1]
 174                 -2*src[-src_linesize + i  ] + 2*src[ src_linesize + i  ]
 175                 -1*src[-src_linesize + i+1] + 1*src[ src_linesize + i+1];
 176
 177             dst[i] = FFABS(gx) + FFABS(gy);
 178             edgedetect->directions[j*w + i] = get_rounded_direction(gx, gy);
 179         }
 180     }
 181 }
 182
 183 static void non_maximum_suppression(AVFilterContext *ctx, int w, int h,
 184                                           uint8_t  *dst, int dst_linesize,
 185                                     const uint16_t *src, int src_linesize)
 186 {
 187     int i, j;
 188     EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
 189
 190 #define COPY_MAXIMA(ay, ax, by, bx) do {                \
 191     if (src[i] > src[(ay)*src_linesize + i+(ax)] &&     \
 192         src[i] > src[(by)*src_linesize + i+(bx)])       \
 193         dst[i] = av_clip_uint8(src[i]);                 \
 194 } while (0)
 195
 196     for (j = 1; j < h - 1; j++) {
 197         dst += dst_linesize;
 198         src += src_linesize;
 199         for (i = 1; i < w - 1; i++) {
 200             switch (edgedetect->directions[j*w + i]) {
 201             case DIRECTION_45UP:        COPY_MAXIMA( 1, -1, -1,  1); break;
 202             case DIRECTION_45DOWN:      COPY_MAXIMA(-1, -1,  1,  1); break;
 203             case DIRECTION_HORIZONTAL:  COPY_MAXIMA( 0, -1,  0,  1); break;
 204             case DIRECTION_VERTICAL:    COPY_MAXIMA(-1,  0,  1,  0); break;
 205             }
 206         }
 207     }
 208 }
 209
 210 static void double_threshold(AVFilterContext *ctx, int w, int h,
 211                                    uint8_t *dst, int dst_linesize,
 212                              const uint8_t *src, int src_linesize)
 213 {
 214     int i, j;
 215     EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
 216     const int low  = edgedetect->low_u8;
 217     const int high = edgedetect->high_u8;
 218
 219     for (j = 0; j < h; j++) {
 220         for (i = 0; i < w; i++) {
 221             if (src[i] > high) {
 222                 dst[i] = src[i];
 223                 continue;
 224             }
 225
 226             if ((!i || i == w - 1 || !j || j == h - 1) &&
 227                 src[i] > low &&
 228                 (src[-src_linesize + i-1] > high ||
 229                  src[-src_linesize + i  ] > high ||
 230                  src[-src_linesize + i+1] > high ||
 231                  src[                i-1] > high ||
 232                  src[                i+1] > high ||
 233                  src[ src_linesize + i-1] > high ||
 234                  src[ src_linesize + i  ] > high ||
 235                  src[ src_linesize + i+1] > high))
 236                 dst[i] = src[i];
 237             else
 238                 dst[i] = 0;
 239         }
 240         dst += dst_linesize;
 241         src += src_linesize;
 242     }
 243 }
 244
 245 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
 246 {
 247     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 248     EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
 249     AVFilterLink *outlink = inlink->dst->outputs[0];
 250     uint8_t  *tmpbuf    = edgedetect->tmpbuf;
 251     uint16_t *gradients = edgedetect->gradients;
 252     int direct = 0;
 253     AVFrame *out;
 254
 255     if (av_frame_is_writable(in)) {
 256         direct = 1;
 257         out = in;
 258     } else {
 259         out = ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
 260         if (!out) {
 261             av_frame_free(&in);
 262             return AVERROR(ENOMEM);
 263         }
 264         av_frame_copy_props(out, in);
 265     }
 266
 267     /* gaussian filter to reduce noise  */
 268     gaussian_blur(ctx, inlink->w, inlink->h,
 269                   tmpbuf,      inlink->w,
 270                   in->data[0], in->linesize[0]);
 271
 272     /* compute the 16-bits gradients and directions for the next step */
 273     sobel(ctx, inlink->w, inlink->h,
 274           gradients, inlink->w,
 275           tmpbuf,    inlink->w);
 276
 277     /* non_maximum_suppression() will actually keep & clip what's necessary and
 278      * ignore the rest, so we need a clean output buffer */
 279     memset(tmpbuf, 0, inlink->w * inlink->h);
 280     non_maximum_suppression(ctx, inlink->w, inlink->h,
 281                             tmpbuf,    inlink->w,
 282                             gradients, inlink->w);
 283
 284     /* keep high values, or low values surrounded by high values */
 285     double_threshold(ctx, inlink->w, inlink->h,
 286                      out->data[0], out->linesize[0],
 287                      tmpbuf,       inlink->w);
 288
 289     if (!direct)
 290         av_frame_free(&in);
 291     return ff_filter_frame(outlink, out);
 292 }
 293
 294 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 295 {
 296     EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
 297     av_freep(&edgedetect->tmpbuf);
 298     av_freep(&edgedetect->gradients);
 299     av_freep(&edgedetect->directions);
 300 }
 301
 302 static const AVFilterPad edgedetect_inputs[] = {
 303     {
 304         .name         = "default",
 305         .type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 306         .config_props = config_props,
 307         .filter_frame = filter_frame,
 308      },
 309      { NULL }
 310 };
 311
 312 static const AVFilterPad edgedetect_outputs[] = {
 313      {
 314          .name = "default",
 315          .type = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 316      },
 317      { NULL }
 318 };
 319
 320 AVFilter ff_vf_edgedetect = {
 321     .name          = "edgedetect",
 322     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Detect and draw edge."),
 323     .priv_size     = sizeof(EdgeDetectContext),
 324     .init          = init,
 325     .uninit        = uninit,
 326     .query_formats = query_formats,
 327     .inputs        = edgedetect_inputs,
 328     .outputs       = edgedetect_outputs,
 329     .priv_class    = &edgedetect_class,
 330     .flags         = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_GENERIC,
 331 };