src/colour_conversion.cc

   1 /*
   2     Copyright (C) 2014 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 ModifiedGammaTransferFunction (1 / 0.45, 0.081, 0.099, 4.5)),
  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 ModifiedGammaTransferFunction (1 / 0.45, 0.081, 0.099, 4.5)),
  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::ColourConversion (
 101         shared_ptr<const TransferFunction> in,
 102         YUVToRGB yuv_to_rgb,
 103         Chromaticity red,
 104         Chromaticity green,
 105         Chromaticity blue,
 106         Chromaticity white,
 107         optional<Chromaticity> adjusted_white,
 108         shared_ptr<const TransferFunction> out
 109         )
 110         : _in (in)
 111         , _yuv_to_rgb (yuv_to_rgb)
 112         , _red (red)
 113         , _green (green)
 114         , _blue (blue)
 115         , _white (white)
 116         , _adjusted_white (adjusted_white)
 117         , _out (out)
 118 {
 119
 120 }
 121
 122 bool
 123 ColourConversion::about_equal (ColourConversion const & other, float epsilon) const
 124 {
 125         if (!_in->about_equal (other._in, epsilon) ||
 126             _yuv_to_rgb != other._yuv_to_rgb ||
 127             !_red.about_equal (other._red, epsilon) ||
 128             !_green.about_equal (other._green, epsilon) ||
 129             !_blue.about_equal (other._blue, epsilon) ||
 130             !_white.about_equal (other._white, epsilon) ||
 131             !_out->about_equal (other._out, epsilon)) {
 132                 return false;
 133         }
 134
 135         if (!_adjusted_white && !other._adjusted_white) {
 136                 return true;
 137         }
 138
 139         if (
 140                 _adjusted_white && other._adjusted_white &&
 141                 fabs (_adjusted_white.get().x - other._adjusted_white.get().x) < epsilon &&
 142                 fabs (_adjusted_white.get().y - other._adjusted_white.get().y) < epsilon
 143                 ) {
 144                 return true;
 145         }
 146
 147         /* Otherwise one has an adjusted white and other hasn't, or they both have but different */
 148         return false;
 149 }
 150
 151 boost::numeric::ublas::matrix<double>
 152 ColourConversion::rgb_to_xyz () const
 153 {
 154         /* See doc/design/colour.tex */
 155
 156         double const D = (_red.x - _white.x) * (_white.y - _blue.y) - (_white.x - _blue.x) * (_red.y - _white.y);
 157         double const E = (_white.x - _green.x) * (_red.y - _white.y) - (_red.x - _white.x) * (_white.y - _green.y);
 158         double const F = (_white.x - _green.x) * (_white.y - _blue.y) - (_white.x - _blue.x) * (_white.y - _green.y);
 159         double const P = _red.y + _green.y * D / F + _blue.y * E / F;
 160
 161         boost::numeric::ublas::matrix<double> C (3, 3);
 162         C(0, 0) = _red.x / P;
 163         C(0, 1) = _green.x * D / (F * P);
 164         C(0, 2) = _blue.x * E / (F * P);
 165         C(1, 0) = _red.y / P;
 166         C(1, 1) = _green.y * D / (F * P);
 167         C(1, 2) = _blue.y * E / (F * P);
 168         C(2, 0) = _red.z() / P;
 169         C(2, 1) = _green.z() * D / (F * P);
 170         C(2, 2) = _blue.z() * E / (F * P);
 171         return C;
 172 }
 173
 174 boost::numeric::ublas::matrix<double>
 175 ColourConversion::xyz_to_rgb () const
 176 {
 177         boost::numeric::ublas::matrix<double> A (rgb_to_xyz ());
 178
 179         /* permutation matrix for the LU-factorization */
 180         boost::numeric::ublas::permutation_matrix<std::size_t> pm (A.size1 ());
 181
 182         /* perform LU-factorization */
 183         int const r = lu_factorize (A, pm);
 184         DCP_ASSERT (r == 0);
 185
 186         /* create identity matrix of inverse */
 187         boost::numeric::ublas::matrix<double> xyz_to_rgb (3, 3);
 188         xyz_to_rgb.assign (boost::numeric::ublas::identity_matrix<double> (A.size1 ()));
 189
 190         /* backsubstitute to get the inverse */
 191         lu_substitute (A, pm, xyz_to_rgb);
 192
 193         return xyz_to_rgb;
 194 }
 195
 196 boost::numeric::ublas::matrix<double>
 197 ColourConversion::bradford () const
 198 {
 199         if (!_adjusted_white || fabs (_adjusted_white.get().x) < 1e-6 || fabs (_adjusted_white.get().y) < 1e-6) {
 200                 boost::numeric::ublas::matrix<double> B = boost::numeric::ublas::zero_matrix<double> (3, 3);
 201                 B(0, 0) = 1;
 202                 B(1, 1) = 1;
 203                 B(2, 2) = 1;
 204                 return B;
 205         }
 206
 207         /* See doc/design/colour.tex */
 208
 209         boost::numeric::ublas::matrix<double> M (3, 3);
 210         M(0, 0) = 0.8951;
 211         M(0, 1) = 0.2664;
 212         M(0, 2) = -0.1614;
 213         M(1, 0) = -0.7502;
 214         M(1, 1) = 1.7135;
 215         M(1, 2) = 0.0367;
 216         M(2, 0) = 0.0389;
 217         M(2, 1) = -0.0685;
 218         M(2, 2) = 1.0296;
 219
 220         boost::numeric::ublas::matrix<double> Mi (3, 3);
 221         Mi(0, 0) = 0.9869929055;
 222         Mi(0, 1) = -0.1470542564;
 223         Mi(0, 2) = 0.1599626517;
 224         Mi(1, 0) = 0.4323052697;
 225         Mi(1, 1) = 0.5183602715;
 226         Mi(1, 2) = 0.0492912282;
 227         Mi(2, 0) = -0.0085286646;
 228         Mi(2, 1) = 0.0400428217;
 229         Mi(2, 2) = 0.9684866958;
 230
 231         boost::numeric::ublas::matrix<double> Gp (3, 1);
 232         Gp(0, 0) = _white.x / _white.y;
 233         Gp(1, 0) = 1;
 234         Gp(2, 0) = (1 - _white.x - _white.y) / _white.y;
 235
 236         boost::numeric::ublas::matrix<double> G = boost::numeric::ublas::prod (M, Gp);
 237
 238         boost::numeric::ublas::matrix<double> Hp (3, 1);
 239         Hp(0, 0) = _adjusted_white.get().x / _adjusted_white.get().y;
 240         Hp(1, 0) = 1;
 241         Hp(2, 0) = (1 - _adjusted_white.get().x - _adjusted_white.get().y) / _adjusted_white.get().y;
 242
 243         boost::numeric::ublas::matrix<double> H = boost::numeric::ublas::prod (M, Hp);
 244
 245         boost::numeric::ublas::matrix<double> C = boost::numeric::ublas::zero_matrix<double> (3, 3);
 246         C(0, 0) = H(0, 0) / G(0, 0);
 247         C(1, 1) = H(1, 0) / G(1, 0);
 248         C(2, 2) = H(2, 0) / G(2, 0);
 249
 250         boost::numeric::ublas::matrix<double> CM = boost::numeric::ublas::prod (C, M);
 251         return boost::numeric::ublas::prod (Mi, CM);
 252 }