src/colour_conversion.cc

   1 /*
   2     Copyright (C) 2014-2015 Carl Hetherington <cth@carlh.net>
   3
   4     This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   5     it under the terms of the GNU General Public License as published by
   6     the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
   7     (at your option) any later version.
   8
   9     This program is distributed in the hope that it will be useful,
  10     but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  11     MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  12     GNU General Public License for more details.
  13
  14     You should have received a copy of the GNU General Public License
  15     along with this program; if not, write to the Free Software
  16     Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
  17
  18 */
  19
  20 #include "colour_conversion.h"
  21 #include "gamma_transfer_function.h"
  22 #include "modified_gamma_transfer_function.h"
  23 #include "colour_matrix.h"
  24 #include "dcp_assert.h"
  25 #include <boost/numeric/ublas/matrix.hpp>
  26 #include <boost/numeric/ublas/lu.hpp>
  27 #include <boost/numeric/ublas/io.hpp>
  28
  29 using boost::shared_ptr;
  30 using boost::optional;
  31 using namespace dcp;
  32
  33 ColourConversion const &
  34 ColourConversion::srgb_to_xyz ()
  35 {
  36         static ColourConversion* c = new ColourConversion (
  37                 shared_ptr<const TransferFunction> (new ModifiedGammaTransferFunction (2.4, 0.04045, 0.055, 12.92)),
  38                 YUV_TO_RGB_REC601,
  39                 Chromaticity (0.64, 0.33),
  40                 Chromaticity (0.3, 0.6),
  41                 Chromaticity (0.15, 0.06),
  42                 /* D65 */
  43                 Chromaticity (0.3127, 0.329),
  44                 optional<Chromaticity> (),
  45                 shared_ptr<const TransferFunction> (new GammaTransferFunction (2.6))
  46                 );
  47         return *c;
  48 }
  49
  50 ColourConversion const &
  51 ColourConversion::rec601_to_xyz ()
  52 {
  53         static ColourConversion* c = new ColourConversion (
  54                 shared_ptr<const TransferFunction> (new GammaTransferFunction (2.2)),
  55                 YUV_TO_RGB_REC601,
  56                 Chromaticity (0.64, 0.33),
  57                 Chromaticity (0.3, 0.6),
  58                 Chromaticity (0.15, 0.06),
  59                 /* D65 */
  60                 Chromaticity (0.3127, 0.329),
  61                 optional<Chromaticity> (),
  62                 shared_ptr<const TransferFunction> (new GammaTransferFunction (2.6))
  63                 );
  64         return *c;
  65 }
  66
  67 ColourConversion const &
  68 ColourConversion::rec709_to_xyz ()
  69 {
  70         static ColourConversion* c = new ColourConversion (
  71                 shared_ptr<const TransferFunction> (new GammaTransferFunction (2.2)),
  72                 YUV_TO_RGB_REC709,
  73                 Chromaticity (0.64, 0.33),
  74                 Chromaticity (0.3, 0.6),
  75                 Chromaticity (0.15, 0.06),
  76                 /* D65 */
  77                 Chromaticity (0.3127, 0.329),
  78                 optional<Chromaticity> (),
  79                 shared_ptr<const TransferFunction> (new GammaTransferFunction (2.6))
  80                 );
  81         return *c;
  82 }
  83
  84 ColourConversion const &
  85 ColourConversion::p3_to_xyz ()
  86 {
  87         static ColourConversion* c = new ColourConversion (
  88                 shared_ptr<const TransferFunction> (new GammaTransferFunction (2.6)),
  89                 YUV_TO_RGB_REC709,
  90                 Chromaticity (0.68, 0.32),
  91                 Chromaticity (0.265, 0.69),
  92                 Chromaticity (0.15, 0.06),
  93                 Chromaticity (0.314, 0.351),
  94                 optional<Chromaticity> (),
  95                 shared_ptr<const TransferFunction> (new GammaTransferFunction (2.6))
  96                 );
  97         return *c;
  98 }
  99
 100 ColourConversion const &
 101 ColourConversion::rec1886_to_xyz ()
 102 {
 103         /* According to Olivier on DCP-o-matic bug #832, Rec. 1886 is Rec. 709 with
 104            2.4 gamma, so here goes ...
 105         */
 106         static ColourConversion* c = new ColourConversion (
 107                 shared_ptr<const TransferFunction> (new GammaTransferFunction (2.4)),
 108                 YUV_TO_RGB_REC709,
 109                 Chromaticity (0.64, 0.33),
 110                 Chromaticity (0.3, 0.6),
 111                 Chromaticity (0.15, 0.06),
 112                 /* D65 */
 113                 Chromaticity (0.3127, 0.329),
 114                 optional<Chromaticity> (),
 115                 shared_ptr<const TransferFunction> (new GammaTransferFunction (2.6))
 116                 );
 117         return *c;
 118 }
 119
 120 ColourConversion const &
 121 ColourConversion::rec2020_to_xyz ()
 122 {
 123         /* From Wikipedia */
 124         static ColourConversion* c = new ColourConversion (
 125                 shared_ptr<const TransferFunction> (new ModifiedGammaTransferFunction (1 / 0.45, 0.08145, 0.0993, 4.5)),
 126                 YUV_TO_RGB_REC709,
 127                 Chromaticity (0.708, 0.292),
 128                 Chromaticity (0.170, 0.797),
 129                 Chromaticity (0.131, 0.046),
 130                 /* D65 */
 131                 Chromaticity (0.3127, 0.329),
 132                 optional<Chromaticity> (),
 133                 shared_ptr<const TransferFunction> (new GammaTransferFunction (2.6))
 134                 );
 135         return *c;
 136 }
 137
 138 ColourConversion::ColourConversion (
 139         shared_ptr<const TransferFunction> in,
 140         YUVToRGB yuv_to_rgb,
 141         Chromaticity red,
 142         Chromaticity green,
 143         Chromaticity blue,
 144         Chromaticity white,
 145         optional<Chromaticity> adjusted_white,
 146         shared_ptr<const TransferFunction> out
 147         )
 148         : _in (in)
 149         , _yuv_to_rgb (yuv_to_rgb)
 150         , _red (red)
 151         , _green (green)
 152         , _blue (blue)
 153         , _white (white)
 154         , _adjusted_white (adjusted_white)
 155         , _out (out)
 156 {
 157
 158 }
 159
 160 bool
 161 ColourConversion::about_equal (ColourConversion const & other, float epsilon) const
 162 {
 163         if (!_in->about_equal (other._in, epsilon) ||
 164             _yuv_to_rgb != other._yuv_to_rgb ||
 165             !_red.about_equal (other._red, epsilon) ||
 166             !_green.about_equal (other._green, epsilon) ||
 167             !_blue.about_equal (other._blue, epsilon) ||
 168             !_white.about_equal (other._white, epsilon) ||
 169             !_out->about_equal (other._out, epsilon)) {
 170                 return false;
 171         }
 172
 173         if (!_adjusted_white && !other._adjusted_white) {
 174                 return true;
 175         }
 176
 177         if (
 178                 _adjusted_white && other._adjusted_white &&
 179                 fabs (_adjusted_white.get().x - other._adjusted_white.get().x) < epsilon &&
 180                 fabs (_adjusted_white.get().y - other._adjusted_white.get().y) < epsilon
 181                 ) {
 182                 return true;
 183         }
 184
 185         /* Otherwise one has an adjusted white and other hasn't, or they both have but different */
 186         return false;
 187 }
 188
 189 boost::numeric::ublas::matrix<double>
 190 ColourConversion::rgb_to_xyz () const
 191 {
 192         /* See doc/design/colour.tex */
 193
 194         double const D = (_red.x - _white.x) * (_white.y - _blue.y) - (_white.x - _blue.x) * (_red.y - _white.y);
 195         double const E = (_white.x - _green.x) * (_red.y - _white.y) - (_red.x - _white.x) * (_white.y - _green.y);
 196         double const F = (_white.x - _green.x) * (_white.y - _blue.y) - (_white.x - _blue.x) * (_white.y - _green.y);
 197         double const P = _red.y + _green.y * D / F + _blue.y * E / F;
 198
 199         boost::numeric::ublas::matrix<double> C (3, 3);
 200         C(0, 0) = _red.x / P;
 201         C(0, 1) = _green.x * D / (F * P);
 202         C(0, 2) = _blue.x * E / (F * P);
 203         C(1, 0) = _red.y / P;
 204         C(1, 1) = _green.y * D / (F * P);
 205         C(1, 2) = _blue.y * E / (F * P);
 206         C(2, 0) = _red.z() / P;
 207         C(2, 1) = _green.z() * D / (F * P);
 208         C(2, 2) = _blue.z() * E / (F * P);
 209         return C;
 210 }
 211
 212 boost::numeric::ublas::matrix<double>
 213 ColourConversion::xyz_to_rgb () const
 214 {
 215         boost::numeric::ublas::matrix<double> A (rgb_to_xyz ());
 216
 217         /* permutation matrix for the LU-factorization */
 218         boost::numeric::ublas::permutation_matrix<std::size_t> pm (A.size1 ());
 219
 220         /* perform LU-factorization */
 221         int const r = lu_factorize (A, pm);
 222         DCP_ASSERT (r == 0);
 223
 224         /* create identity matrix of inverse */
 225         boost::numeric::ublas::matrix<double> xyz_to_rgb (3, 3);
 226         xyz_to_rgb.assign (boost::numeric::ublas::identity_matrix<double> (A.size1 ()));
 227
 228         /* backsubstitute to get the inverse */
 229         lu_substitute (A, pm, xyz_to_rgb);
 230
 231         return xyz_to_rgb;
 232 }
 233
 234 boost::numeric::ublas::matrix<double>
 235 ColourConversion::bradford () const
 236 {
 237         if (!_adjusted_white || fabs (_adjusted_white.get().x) < 1e-6 || fabs (_adjusted_white.get().y) < 1e-6) {
 238                 boost::numeric::ublas::matrix<double> B = boost::numeric::ublas::zero_matrix<double> (3, 3);
 239                 B(0, 0) = 1;
 240                 B(1, 1) = 1;
 241                 B(2, 2) = 1;
 242                 return B;
 243         }
 244
 245         /* See doc/design/colour.tex */
 246
 247         boost::numeric::ublas::matrix<double> M (3, 3);
 248         M(0, 0) = 0.8951;
 249         M(0, 1) = 0.2664;
 250         M(0, 2) = -0.1614;
 251         M(1, 0) = -0.7502;
 252         M(1, 1) = 1.7135;
 253         M(1, 2) = 0.0367;
 254         M(2, 0) = 0.0389;
 255         M(2, 1) = -0.0685;
 256         M(2, 2) = 1.0296;
 257
 258         boost::numeric::ublas::matrix<double> Mi (3, 3);
 259         Mi(0, 0) = 0.9869929055;
 260         Mi(0, 1) = -0.1470542564;
 261         Mi(0, 2) = 0.1599626517;
 262         Mi(1, 0) = 0.4323052697;
 263         Mi(1, 1) = 0.5183602715;
 264         Mi(1, 2) = 0.0492912282;
 265         Mi(2, 0) = -0.0085286646;
 266         Mi(2, 1) = 0.0400428217;
 267         Mi(2, 2) = 0.9684866958;
 268
 269         boost::numeric::ublas::matrix<double> Gp (3, 1);
 270         Gp(0, 0) = _white.x / _white.y;
 271         Gp(1, 0) = 1;
 272         Gp(2, 0) = (1 - _white.x - _white.y) / _white.y;
 273
 274         boost::numeric::ublas::matrix<double> G = boost::numeric::ublas::prod (M, Gp);
 275
 276         boost::numeric::ublas::matrix<double> Hp (3, 1);
 277         Hp(0, 0) = _adjusted_white.get().x / _adjusted_white.get().y;
 278         Hp(1, 0) = 1;
 279         Hp(2, 0) = (1 - _adjusted_white.get().x - _adjusted_white.get().y) / _adjusted_white.get().y;
 280
 281         boost::numeric::ublas::matrix<double> H = boost::numeric::ublas::prod (M, Hp);
 282
 283         boost::numeric::ublas::matrix<double> C = boost::numeric::ublas::zero_matrix<double> (3, 3);
 284         C(0, 0) = H(0, 0) / G(0, 0);
 285         C(1, 1) = H(1, 0) / G(1, 0);
 286         C(2, 2) = H(2, 0) / G(2, 0);
 287
 288         boost::numeric::ublas::matrix<double> CM = boost::numeric::ublas::prod (C, M);
 289         return boost::numeric::ublas::prod (Mi, CM);
 290 }