]> git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavfilter/vf_normalize.c
avfilter/vf_normalize: factor code dealing with AVFrame pixels out
[ffmpeg] / libavfilter / vf_normalize.c
1 /*
2  * Copyright (c) 2017 Richard Ling
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  * Normalize RGB video (aka histogram stretching, contrast stretching).
23  * See: https://en.wikipedia.org/wiki/Normalization_(image_processing)
24  *
25  * For each channel of each frame, the filter computes the input range and maps
26  * it linearly to the user-specified output range. The output range defaults
27  * to the full dynamic range from pure black to pure white.
28  *
29  * Naively maximising the dynamic range of each frame of video in isolation
30  * may cause flickering (rapid changes in brightness of static objects in the
31  * scene) when small dark or bright objects enter or leave the scene. This
32  * filter can apply temporal smoothing to the input range to reduce flickering.
33  * Temporal smoothing is similar to the auto-exposure (automatic gain control)
34  * on a video camera, which performs the same function; and, like a video
35  * camera, it may cause a period of over- or under-exposure of the video.
36  *
37  * The filter can normalize the R,G,B channels independently, which may cause
38  * color shifting, or link them together as a single channel, which prevents
39  * color shifting. More precisely, linked normalization preserves hue (as it's
40  * defined in HSV/HSL color spaces) while independent normalization does not.
41  * Independent normalization can be used to remove color casts, such as the
42  * blue cast from underwater video, restoring more natural colors. The filter
43  * can also combine independent and linked normalization in any ratio.
44  *
45  * Finally the overall strength of the filter can be adjusted, from no effect
46  * to full normalization.
47  *
48  * The 5 AVOptions are:
49  *   blackpt,   Colors which define the output range. The minimum input value
50  *   whitept    is mapped to the blackpt. The maximum input value is mapped to
51  *              the whitept. The defaults are black and white respectively.
52  *              Specifying white for blackpt and black for whitept will give
53  *              color-inverted, normalized video. Shades of grey can be used
54  *              to reduce the dynamic range (contrast). Specifying saturated
55  *              colors here can create some interesting effects.
56  *
57  *   smoothing  The amount of temporal smoothing, expressed in frames (>=0).
58  *              the minimum and maximum input values of each channel are
59  *              smoothed using a rolling average over the current frame and
60  *              that many previous frames of video.  Defaults to 0 (no temporal
61  *              smoothing).
62  *
63  *   independence
64  *              Controls the ratio of independent (color shifting) channel
65  *              normalization to linked (color preserving) normalization. 0.0
66  *              is fully linked, 1.0 is fully independent. Defaults to fully
67  *              independent.
68  *
69  *   strength   Overall strength of the filter. 1.0 is full strength. 0.0 is
70  *              a rather expensive no-op. Values in between can give a gentle
71  *              boost to low-contrast video without creating an artificial
72  *              over-processed look. The default is full strength.
73  */
74
75 #include "libavutil/imgutils.h"
76 #include "libavutil/opt.h"
77 #include "libavutil/pixdesc.h"
78 #include "avfilter.h"
79 #include "drawutils.h"
80 #include "formats.h"
81 #include "internal.h"
82 #include "video.h"
83
84 typedef struct NormalizeHistory {
85     uint8_t *history;       // History entries.
86     uint32_t history_sum;   // Sum of history entries.
87 } NormalizeHistory;
88
89 typedef struct NormalizeLocal {
90     uint8_t in;     // Original input byte value for this frame.
91     float smoothed; // Smoothed input value [0,255].
92     float out;      // Output value [0,255]
93 } NormalizeLocal;
94
95 typedef struct NormalizeContext {
96     const AVClass *class;
97
98     // Storage for the corresponding AVOptions
99     uint8_t blackpt[4];
100     uint8_t whitept[4];
101     int smoothing;
102     float independence;
103     float strength;
104
105     uint8_t co[4];      // Offsets to R,G,B,A bytes respectively in each pixel
106     int num_components; // Number of components in the pixel format
107     int step;
108     int history_len;    // Number of frames to average; based on smoothing factor
109     int frame_num;      // Increments on each frame, starting from 0.
110
111     // Per-extremum, per-channel history, for temporal smoothing.
112     NormalizeHistory min[3], max[3];           // Min and max for each channel in {R,G,B}.
113     uint8_t *history_mem;       // Single allocation for above history entries
114
115     uint8_t lut[3][256];    // Lookup table
116
117     void (*find_min_max)(struct NormalizeContext *s, AVFrame *in, NormalizeLocal min[3], NormalizeLocal max[3]);
118     void (*process)(struct NormalizeContext *s, AVFrame *in, AVFrame *out);
119 } NormalizeContext;
120
121 #define OFFSET(x) offsetof(NormalizeContext, x)
122 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM
123 #define FLAGSR AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_RUNTIME_PARAM
124
125 static const AVOption normalize_options[] = {
126     { "blackpt",  "output color to which darkest input color is mapped",  OFFSET(blackpt), AV_OPT_TYPE_COLOR, { .str = "black" }, CHAR_MIN, CHAR_MAX, FLAGSR },
127     { "whitept",  "output color to which brightest input color is mapped",  OFFSET(whitept), AV_OPT_TYPE_COLOR, { .str = "white" }, CHAR_MIN, CHAR_MAX, FLAGSR },
128     { "smoothing",  "amount of temporal smoothing of the input range, to reduce flicker", OFFSET(smoothing), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=0}, 0, INT_MAX/8, FLAGS },
129     { "independence", "proportion of independent to linked channel normalization", OFFSET(independence), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1.0}, 0.0, 1.0, FLAGSR },
130     { "strength", "strength of filter, from no effect to full normalization", OFFSET(strength), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1.0}, 0.0, 1.0, FLAGSR },
131     { NULL }
132 };
133
134 AVFILTER_DEFINE_CLASS(normalize);
135
136 static void find_min_max(NormalizeContext *s, AVFrame *in, NormalizeLocal min[3], NormalizeLocal max[3])
137 {
138     for (int c = 0; c < 3; c++)
139         min[c].in = max[c].in = in->data[0][s->co[c]];
140     for (int y = 0; y < in->height; y++) {
141         uint8_t *inp = in->data[0] + y * in->linesize[0];
142         for (int x = 0; x < in->width; x++) {
143             for (int c = 0; c < 3; c++) {
144                 min[c].in = FFMIN(min[c].in, inp[s->co[c]]);
145                 max[c].in = FFMAX(max[c].in, inp[s->co[c]]);
146             }
147             inp += s->step;
148         }
149     }
150 }
151
152 static void process(NormalizeContext *s, AVFrame *in, AVFrame *out)
153 {
154     for (int y = 0; y < in->height; y++) {
155         uint8_t *inp = in->data[0] + y * in->linesize[0];
156         uint8_t *outp = out->data[0] + y * out->linesize[0];
157         for (int x = 0; x < in->width; x++) {
158             for (int c = 0; c < 3; c++)
159                 outp[s->co[c]] = s->lut[c][inp[s->co[c]]];
160             if (s->num_components == 4)
161                 // Copy alpha as-is.
162                 outp[s->co[3]] = inp[s->co[3]];
163             inp += s->step;
164             outp += s->step;
165         }
166     }
167 }
168
169 // This function is the main guts of the filter. Normalizes the input frame
170 // into the output frame. The frames are known to have the same dimensions
171 // and pixel format.
172 static void normalize(NormalizeContext *s, AVFrame *in, AVFrame *out)
173 {
174     // Per-extremum, per-channel local variables.
175     NormalizeLocal min[3], max[3];   // Min and max for each channel in {R,G,B}.
176
177     float rgb_min_smoothed; // Min input range for linked normalization
178     float rgb_max_smoothed; // Max input range for linked normalization
179     int c;
180
181     // First, scan the input frame to find, for each channel, the minimum
182     // (min.in) and maximum (max.in) values present in the channel.
183     s->find_min_max(s, in, min, max);
184
185     // Next, for each channel, push min.in and max.in into their respective
186     // histories, to determine the min.smoothed and max.smoothed for this frame.
187     {
188         int history_idx = s->frame_num % s->history_len;
189         // Assume the history is not yet full; num_history_vals is the number
190         // of frames received so far including the current frame.
191         int num_history_vals = s->frame_num + 1;
192         if (s->frame_num >= s->history_len) {
193             //The history is full; drop oldest value and cap num_history_vals.
194             for (c = 0; c < 3; c++) {
195                 s->min[c].history_sum -= s->min[c].history[history_idx];
196                 s->max[c].history_sum -= s->max[c].history[history_idx];
197             }
198             num_history_vals = s->history_len;
199         }
200         // For each extremum, update history_sum and calculate smoothed value
201         // as the rolling average of the history entries.
202         for (c = 0; c < 3; c++) {
203             s->min[c].history_sum += (s->min[c].history[history_idx] = min[c].in);
204             min[c].smoothed = s->min[c].history_sum / (float)num_history_vals;
205             s->max[c].history_sum += (s->max[c].history[history_idx] = max[c].in);
206             max[c].smoothed = s->max[c].history_sum / (float)num_history_vals;
207         }
208     }
209
210     // Determine the input range for linked normalization. This is simply the
211     // minimum of the per-channel minimums, and the maximum of the per-channel
212     // maximums.
213     rgb_min_smoothed = FFMIN3(min[0].smoothed, min[1].smoothed, min[2].smoothed);
214     rgb_max_smoothed = FFMAX3(max[0].smoothed, max[1].smoothed, max[2].smoothed);
215
216     // Now, process each channel to determine the input and output range and
217     // build the lookup tables.
218     for (c = 0; c < 3; c++) {
219         int in_val;
220         // Adjust the input range for this channel [min.smoothed,max.smoothed]
221         // by mixing in the correct proportion of the linked normalization
222         // input range [rgb_min_smoothed,rgb_max_smoothed].
223         min[c].smoothed = (min[c].smoothed  *         s->independence)
224                         + (rgb_min_smoothed * (1.0f - s->independence));
225         max[c].smoothed = (max[c].smoothed  *         s->independence)
226                         + (rgb_max_smoothed * (1.0f - s->independence));
227
228         // Calculate the output range [min.out,max.out] as a ratio of the full-
229         // strength output range [blackpt,whitept] and the original input range
230         // [min.in,max.in], based on the user-specified filter strength.
231         min[c].out = (s->blackpt[c] *         s->strength)
232                    + (min[c].in     * (1.0f - s->strength));
233         max[c].out = (s->whitept[c] *         s->strength)
234                    + (max[c].in     * (1.0f - s->strength));
235
236         // Now, build a lookup table which linearly maps the adjusted input range
237         // [min.smoothed,max.smoothed] to the output range [min.out,max.out].
238         // Perform the linear interpolation for each x:
239         //     lut[x] = (int)(float(x - min.smoothed) * scale + max.out + 0.5)
240         // where scale = (max.out - min.out) / (max.smoothed - min.smoothed)
241         if (min[c].smoothed == max[c].smoothed) {
242             // There is no dynamic range to expand. No mapping for this channel.
243             for (in_val = min[c].in; in_val <= max[c].in; in_val++)
244                 s->lut[c][in_val] = min[c].out;
245         } else {
246             // We must set lookup values for all values in the original input
247             // range [min.in,max.in]. Since the original input range may be
248             // larger than [min.smoothed,max.smoothed], some output values may
249             // fall outside the [0,255] dynamic range. We need to clamp them.
250             float scale = (max[c].out - min[c].out) / (max[c].smoothed - min[c].smoothed);
251             for (in_val = min[c].in; in_val <= max[c].in; in_val++) {
252                 int out_val = (in_val - min[c].smoothed) * scale + min[c].out + 0.5f;
253                 out_val = FFMAX(out_val, 0);
254                 out_val = FFMIN(out_val, 255);
255                 s->lut[c][in_val] = out_val;
256             }
257         }
258     }
259
260     // Finally, process the pixels of the input frame using the lookup tables.
261     s->process(s, in, out);
262
263     s->frame_num++;
264 }
265
266 // Now we define all the functions accessible from the ff_vf_normalize class,
267 // which is ffmpeg's interface to our filter.  See doc/filter_design.txt and
268 // doc/writing_filters.txt for descriptions of what these interface functions
269 // are expected to do.
270
271 // Set the pixel formats that our filter supports. We should be able to process
272 // any 8-bit RGB formats. 16-bit support might be useful one day.
273 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
274 {
275     static const enum AVPixelFormat pixel_fmts[] = {
276         AV_PIX_FMT_RGB24,
277         AV_PIX_FMT_BGR24,
278         AV_PIX_FMT_ARGB,
279         AV_PIX_FMT_RGBA,
280         AV_PIX_FMT_ABGR,
281         AV_PIX_FMT_BGRA,
282         AV_PIX_FMT_0RGB,
283         AV_PIX_FMT_RGB0,
284         AV_PIX_FMT_0BGR,
285         AV_PIX_FMT_BGR0,
286         AV_PIX_FMT_NONE
287     };
288     // According to filter_design.txt, using ff_set_common_formats() this way
289     // ensures the pixel formats of the input and output will be the same. That
290     // saves a bit of effort possibly needing to handle format conversions.
291     AVFilterFormats *formats = ff_make_format_list(pixel_fmts);
292     if (!formats)
293         return AVERROR(ENOMEM);
294     return ff_set_common_formats(ctx, formats);
295 }
296
297 // At this point we know the pixel format used for both input and output.  We
298 // can also access the frame rate of the input video and allocate some memory
299 // appropriately
300 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
301 {
302     NormalizeContext *s = inlink->dst->priv;
303     // Store offsets to R,G,B,A bytes respectively in each pixel
304     const AVPixFmtDescriptor *desc = av_pix_fmt_desc_get(inlink->format);
305     int c;
306
307     ff_fill_rgba_map(s->co, inlink->format);
308     s->num_components = desc->nb_components;
309     s->step = av_get_padded_bits_per_pixel(desc) >> 3;
310     // Convert smoothing value to history_len (a count of frames to average,
311     // must be at least 1).  Currently this is a direct assignment, but the
312     // smoothing value was originally envisaged as a number of seconds.  In
313     // future it would be nice to set history_len using a number of seconds,
314     // but VFR video is currently an obstacle to doing so.
315     s->history_len = s->smoothing + 1;
316     // Allocate the history buffers -- there are 6 -- one for each extrema.
317     // s->smoothing is limited to INT_MAX/8, so that (s->history_len * 6)
318     // can't overflow on 32bit causing a too-small allocation.
319     s->history_mem = av_malloc(s->history_len * 6);
320     if (s->history_mem == NULL)
321         return AVERROR(ENOMEM);
322
323     for (c = 0; c < 3; c++) {
324         s->min[c].history = s->history_mem + (c*2)   * s->history_len;
325         s->max[c].history = s->history_mem + (c*2+1) * s->history_len;
326     }
327
328     s->find_min_max = find_min_max;
329     s->process = process;
330
331     return 0;
332 }
333
334 // Free any memory allocations here
335 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
336 {
337     NormalizeContext *s = ctx->priv;
338
339     av_freep(&s->history_mem);
340 }
341
342 // This function is pretty much standard from doc/writing_filters.txt.  It
343 // tries to do in-place filtering where possible, only allocating a new output
344 // frame when absolutely necessary.
345 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
346 {
347     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
348     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
349     NormalizeContext *s = ctx->priv;
350     AVFrame *out;
351     // Set 'direct' if we can modify the input frame in-place.  Otherwise we
352     // need to retrieve a new frame from the output link.
353     int direct = av_frame_is_writable(in) && !ctx->is_disabled;
354
355     if (direct) {
356         out = in;
357     } else {
358         out = ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
359         if (!out) {
360             av_frame_free(&in);
361             return AVERROR(ENOMEM);
362         }
363         av_frame_copy_props(out, in);
364     }
365
366     // Now we've got the input and output frames (which may be the same frame)
367     // perform the filtering with our custom function.
368     normalize(s, in, out);
369
370     if (ctx->is_disabled) {
371         av_frame_free(&out);
372         return ff_filter_frame(outlink, in);
373     }
374
375     if (!direct)
376         av_frame_free(&in);
377
378     return ff_filter_frame(outlink, out);
379 }
380
381 static const AVFilterPad inputs[] = {
382     {
383         .name         = "default",
384         .type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
385         .filter_frame = filter_frame,
386         .config_props = config_input,
387     },
388     { NULL }
389 };
390
391 static const AVFilterPad outputs[] = {
392     {
393         .name = "default",
394         .type = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
395     },
396     { NULL }
397 };
398
399 AVFilter ff_vf_normalize = {
400     .name          = "normalize",
401     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Normalize RGB video."),
402     .priv_size     = sizeof(NormalizeContext),
403     .priv_class    = &normalize_class,
404     .uninit        = uninit,
405     .query_formats = query_formats,
406     .inputs        = inputs,
407     .outputs       = outputs,
408     .flags         = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_INTERNAL,
409     .process_command = ff_filter_process_command,
410 };