src/rgb_xyz.cc

   1 /*
   2     Copyright (C) 2013-2014 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 "rgb_xyz.h"
  21 #include "openjpeg_image.h"
  22 #include "colour_matrix.h"
  23 #include "colour_conversion.h"
  24 #include "transfer_function.h"
  25 #include "dcp_assert.h"
  26 #include "compose.hpp"
  27 #include <cmath>
  28
  29 using std::min;
  30 using std::max;
  31 using boost::shared_ptr;
  32 using boost::optional;
  33 using namespace dcp;
  34
  35 #define DCI_COEFFICIENT (48.0 / 52.37)
  36
  37 /** Convert an XYZ image to RGBA.
  38  *  @param xyz_image Image in XYZ.
  39  *  @param conversion Colour conversion to use.
  40  *  @param argb Buffer to fill with RGBA data.  The format of the data is:
  41  *
  42  *  <pre>
  43  *  Byte   /- 0 -------|- 1 --------|- 2 --------|- 3 --------|- 4 --------|- 5 --------| ...
  44  *         |(0, 0) Blue|(0, 0)Green |(0, 0) Red  |(0, 0) Alpha|(0, 1) Blue |(0, 1) Green| ...
  45  *  </pre>
  46  *
  47  *  So that the first byte is the blue component of the pixel at x=0, y=0, the second
  48  *  is the green component, and so on.
  49  *
  50  *  Lines are packed so that the second row directly follows the first.
  51  */
  52 void
  53 dcp::xyz_to_rgba (
  54         boost::shared_ptr<const OpenJPEGImage> xyz_image,
  55         ColourConversion const & conversion,
  56         uint8_t* argb
  57         )
  58 {
  59         int const max_colour = pow (2, 12) - 1;
  60
  61         struct {
  62                 double x, y, z;
  63         } s;
  64
  65         struct {
  66                 double r, g, b;
  67         } d;
  68
  69         int* xyz_x = xyz_image->data (0);
  70         int* xyz_y = xyz_image->data (1);
  71         int* xyz_z = xyz_image->data (2);
  72
  73         double const * lut_in = conversion.in()->lut (16, true);
  74         double const * lut_out = conversion.out()->lut (12, false);
  75         boost::numeric::ublas::matrix<double> const matrix = conversion.xyz_to_rgb ();
  76
  77         int const height = xyz_image->size().height;
  78         int const width = xyz_image->size().width;
  79
  80         for (int y = 0; y < height; ++y) {
  81                 uint8_t* argb_line = argb;
  82                 for (int x = 0; x < width; ++x) {
  83
  84                         DCP_ASSERT (*xyz_x >= 0 && *xyz_y >= 0 && *xyz_z >= 0 && *xyz_x < 4096 && *xyz_y < 4096 && *xyz_z < 4096);
  85
  86                         /* In gamma LUT */
  87                         s.x = lut_in[*xyz_x++];
  88                         s.y = lut_in[*xyz_y++];
  89                         s.z = lut_in[*xyz_z++];
  90
  91                         /* DCI companding */
  92                         s.x /= DCI_COEFFICIENT;
  93                         s.y /= DCI_COEFFICIENT;
  94                         s.z /= DCI_COEFFICIENT;
  95
  96                         /* XYZ to RGB */
  97                         d.r = ((s.x * matrix(0, 0)) + (s.y * matrix(0, 1)) + (s.z * matrix(0, 2)));
  98                         d.g = ((s.x * matrix(1, 0)) + (s.y * matrix(1, 1)) + (s.z * matrix(1, 2)));
  99                         d.b = ((s.x * matrix(2, 0)) + (s.y * matrix(2, 1)) + (s.z * matrix(2, 2)));
 100
 101                         d.r = min (d.r, 1.0);
 102                         d.r = max (d.r, 0.0);
 103
 104                         d.g = min (d.g, 1.0);
 105                         d.g = max (d.g, 0.0);
 106
 107                         d.b = min (d.b, 1.0);
 108                         d.b = max (d.b, 0.0);
 109
 110                         /* Out gamma LUT */
 111                         *argb_line++ = lut_out[int(rint(d.b * max_colour))] * 0xff;
 112                         *argb_line++ = lut_out[int(rint(d.g * max_colour))] * 0xff;
 113                         *argb_line++ = lut_out[int(rint(d.r * max_colour))] * 0xff;
 114                         *argb_line++ = 0xff;
 115                 }
 116
 117                 /* 4 bytes per pixel */
 118                 argb += width * 4;
 119         }
 120 }
 121
 122 /** Convert an XYZ image to 48bpp RGB.
 123  *  @param xyz_image Frame in XYZ.
 124  *  @param conversion Colour conversion to use.
 125  *  @param rgb Buffer to fill with RGB data.  Format is packed RGB
 126  *  16:16:16, 48bpp, 16R, 16G, 16B, with the 2-byte value for each
 127  *  R/G/B component stored as little-endian; i.e. AV_PIX_FMT_RGB48LE.
 128  *  @param stride Stride for RGB data in bytes.
 129  *  @param note Optional handler for any notes that may be made during the conversion (e.g. when clamping occurs).
 130  */
 131 void
 132 dcp::xyz_to_rgb (
 133         shared_ptr<const OpenJPEGImage> xyz_image,
 134         ColourConversion const & conversion,
 135         uint8_t* rgb,
 136         int stride,
 137         optional<NoteHandler> note
 138         )
 139 {
 140         struct {
 141                 double x, y, z;
 142         } s;
 143
 144         struct {
 145                 double r, g, b;
 146         } d;
 147
 148         /* These should be 12-bit values from 0-4095 */
 149         int* xyz_x = xyz_image->data (0);
 150         int* xyz_y = xyz_image->data (1);
 151         int* xyz_z = xyz_image->data (2);
 152
 153         double const * lut_in = conversion.in()->lut (12, true);
 154         double const * lut_out = conversion.out()->lut (16, false);
 155         boost::numeric::ublas::matrix<double> const matrix = conversion.xyz_to_rgb ();
 156
 157         for (int y = 0; y < xyz_image->size().height; ++y) {
 158                 uint16_t* rgb_line = reinterpret_cast<uint16_t*> (rgb + y * stride);
 159                 for (int x = 0; x < xyz_image->size().width; ++x) {
 160
 161                         int cx = *xyz_x++;
 162                         int cy = *xyz_y++;
 163                         int cz = *xyz_z++;
 164
 165                         if (cx < 0 || cx > 4095) {
 166                                 if (note) {
 167                                         note.get() (DCP_NOTE, String::compose ("XYZ value %1 out of range", cx));
 168                                 }
 169                                 cx = max (min (cx, 4095), 0);
 170                         }
 171
 172                         if (cy < 0 || cy > 4095) {
 173                                 if (note) {
 174                                         note.get() (DCP_NOTE, String::compose ("XYZ value %1 out of range", cy));
 175                                 }
 176                                 cy = max (min (cy, 4095), 0);
 177                         }
 178
 179                         if (cz < 0 || cz > 4095) {
 180                                 if (note) {
 181                                         note.get() (DCP_NOTE, String::compose ("XYZ value %1 out of range", cz));
 182                                 }
 183                                 cz = max (min (cz, 4095), 0);
 184                         }
 185
 186                         /* In gamma LUT */
 187                         s.x = lut_in[cx];
 188                         s.y = lut_in[cy];
 189                         s.z = lut_in[cz];
 190
 191                         /* DCI companding */
 192                         s.x /= DCI_COEFFICIENT;
 193                         s.y /= DCI_COEFFICIENT;
 194                         s.z /= DCI_COEFFICIENT;
 195
 196                         /* XYZ to RGB */
 197                         d.r = ((s.x * matrix(0, 0)) + (s.y * matrix(0, 1)) + (s.z * matrix(0, 2)));
 198                         d.g = ((s.x * matrix(1, 0)) + (s.y * matrix(1, 1)) + (s.z * matrix(1, 2)));
 199                         d.b = ((s.x * matrix(2, 0)) + (s.y * matrix(2, 1)) + (s.z * matrix(2, 2)));
 200
 201                         d.r = min (d.r, 1.0);
 202                         d.r = max (d.r, 0.0);
 203
 204                         d.g = min (d.g, 1.0);
 205                         d.g = max (d.g, 0.0);
 206
 207                         d.b = min (d.b, 1.0);
 208                         d.b = max (d.b, 0.0);
 209
 210                         *rgb_line++ = rint(lut_out[int(rint(d.r * 65535))] * 65535);
 211                         *rgb_line++ = rint(lut_out[int(rint(d.g * 65535))] * 65535);
 212                         *rgb_line++ = rint(lut_out[int(rint(d.b * 65535))] * 65535);
 213                 }
 214         }
 215 }
 216
 217 /** @param rgb RGB data; packed RGB 16:16:16, 48bpp, 16R, 16G, 16B,
 218  *  with the 2-byte value for each R/G/B component stored as
 219  *  little-endian; i.e. AV_PIX_FMT_RGB48LE.
 220  *  @param size of RGB image in pixels.
 221  *  @param stride of RGB data in pixels.
 222  */
 223 shared_ptr<dcp::OpenJPEGImage>
 224 dcp::rgb_to_xyz (
 225         uint8_t const * rgb,
 226         dcp::Size size,
 227         int stride,
 228         ColourConversion const & conversion
 229         )
 230 {
 231         shared_ptr<OpenJPEGImage> xyz (new OpenJPEGImage (size));
 232
 233         struct {
 234                 double r, g, b;
 235         } s;
 236
 237         struct {
 238                 double x, y, z;
 239         } d;
 240
 241         struct {
 242                 double x, y, z;
 243         } e;
 244
 245         double const * lut_in = conversion.in()->lut (12, false);
 246         double const * lut_out = conversion.out()->lut (16, true);
 247         boost::numeric::ublas::matrix<double> const rgb_to_xyz = conversion.rgb_to_xyz ();
 248         boost::numeric::ublas::matrix<double> const bradford = conversion.bradford ();
 249
 250         int jn = 0;
 251         for (int y = 0; y < size.height; ++y) {
 252                 uint16_t const * p = reinterpret_cast<uint16_t const *> (rgb + y * stride);
 253                 for (int x = 0; x < size.width; ++x) {
 254
 255                         /* In gamma LUT (converting 16-bit to 12-bit) */
 256                         s.r = lut_in[*p++ >> 4];
 257                         s.g = lut_in[*p++ >> 4];
 258                         s.b = lut_in[*p++ >> 4];
 259
 260                         /* RGB to XYZ Matrix */
 261                         d.x = ((s.r * rgb_to_xyz(0, 0)) + (s.g * rgb_to_xyz(0, 1)) + (s.b * rgb_to_xyz(0, 2)));
 262                         d.y = ((s.r * rgb_to_xyz(1, 0)) + (s.g * rgb_to_xyz(1, 1)) + (s.b * rgb_to_xyz(1, 2)));
 263                         d.z = ((s.r * rgb_to_xyz(2, 0)) + (s.g * rgb_to_xyz(2, 1)) + (s.b * rgb_to_xyz(2, 2)));
 264
 265                         e.x = ((d.x * bradford(0, 0)) + (d.y * bradford(0, 1)) + (d.z * bradford(0, 2)));
 266                         e.y = ((d.x * bradford(1, 0)) + (d.y * bradford(1, 1)) + (d.z * bradford(1, 2)));
 267                         e.z = ((d.x * bradford(2, 0)) + (d.y * bradford(2, 1)) + (d.z * bradford(2, 2)));
 268
 269                         /* DCI companding */
 270                         e.x = e.x * DCI_COEFFICIENT * 65535;
 271                         e.y = e.y * DCI_COEFFICIENT * 65535;
 272                         e.z = e.z * DCI_COEFFICIENT * 65535;
 273
 274                         DCP_ASSERT (e.x >= 0 && e.x < 65536);
 275                         DCP_ASSERT (e.y >= 0 && e.y < 65536);
 276                         DCP_ASSERT (e.z >= 0 && e.z < 65536);
 277
 278                         /* Out gamma LUT */
 279                         xyz->data(0)[jn] = lut_out[int(rint(e.x))] * 4095;
 280                         xyz->data(1)[jn] = lut_out[int(rint(e.y))] * 4095;
 281                         xyz->data(2)[jn] = lut_out[int(rint(e.z))] * 4095;
 282
 283                         ++jn;
 284                 }
 285         }
 286
 287         return xyz;
 288 }
 289
 290
 291 /** @param xyz_16 XYZ image data in packed 16:16:16, 48bpp, 16X, 16Y,
 292  *  16Z, with the 2-byte value for each X/Y/Z component stored as
 293  *  little-endian.
 294  */
 295 shared_ptr<dcp::OpenJPEGImage>
 296 dcp::xyz_to_xyz (uint8_t const * xyz_16, dcp::Size size, int stride)
 297 {
 298         shared_ptr<OpenJPEGImage> xyz_12 (new OpenJPEGImage (size));
 299
 300         int jn = 0;
 301         for (int y = 0; y < size.height; ++y) {
 302                 uint16_t const * p = reinterpret_cast<uint16_t const *> (xyz_16 + y * stride);
 303                 for (int x = 0; x < size.width; ++x) {
 304                         /* Truncate 16-bit to 12-bit */
 305                         xyz_12->data(0)[jn] = *p++ >> 4;
 306                         xyz_12->data(1)[jn] = *p++ >> 4;
 307                         xyz_12->data(2)[jn] = *p++ >> 4;
 308                         ++jn;
 309                 }
 310         }
 311
 312         return xyz_12;
 313 }