images/color.c

   1 /*
   2  *      Image Library -- Color Spaces
   3  *
   4  *      (c) 2006 Pavel Charvat <pchar@ucw.cz>
   5  *
   6  *      This software may be freely distributed and used according to the terms
   7  *      of the GNU Lesser General Public License.
   8  */
   9
  10 #undef LOCAL_DEBUG
  11
  12 #include "sherlock/sherlock.h"
  13 #include "lib/math.h"
  14 #include "images/images.h"
  15 #include "images/color.h"
  16
  17 struct color color_black = { .color_space = COLOR_SPACE_GRAYSCALE };
  18 struct color color_white = { .c = { 255 }, .color_space = COLOR_SPACE_GRAYSCALE };
  19
  20 inline void
  21 color_put_grayscale(byte *dest, struct color *color)
  22 {
  23   switch (color->color_space)
  24     {
  25       case COLOR_SPACE_GRAYSCALE:
  26         dest[0] = color->c[0];
  27         break;
  28       case COLOR_SPACE_RGB:
  29         dest[0] = rgb_to_gray_func(color->c[0], color->c[1], color->c[2]);
  30         break;
  31       default:
  32         ASSERT(0);
  33     }
  34 }
  35
  36 inline void
  37 color_put_rgb(byte *dest, struct color *color)
  38 {
  39   switch (color->color_space)
  40     {
  41       case COLOR_SPACE_GRAYSCALE:
  42         dest[0] = dest[1] = dest[2] = color->c[0];
  43         break;
  44       case COLOR_SPACE_RGB:
  45         dest[0] = color->c[0];
  46         dest[1] = color->c[1];
  47         dest[2] = color->c[2];
  48         break;
  49       default:
  50         ASSERT(0);
  51     }
  52 }
  53
  54 void
  55 color_put_color_space(byte *dest, struct color *color, enum color_space color_space)
  56 {
  57   switch (color_space)
  58     {
  59       case COLOR_SPACE_GRAYSCALE:
  60         color_put_grayscale(dest, color);
  61         break;
  62       case COLOR_SPACE_RGB:
  63         color_put_rgb(dest, color);
  64         break;
  65       default:
  66         ASSERT(0);
  67     }
  68 }
  69
  70 /********************* EXACT CONVERSION ROUTINES **********************/
  71
  72 /* sRGB to XYZ */
  73 void
  74 srgb_to_xyz_slow(double xyz[3], double srgb[3])
  75 {
  76   double a[3];
  77   for (uns i = 0; i < 3; i++)
  78     if (srgb[i] > 0.04045)
  79       a[i] = pow((srgb[i] + 0.055) * (1 / 1.055), 2.4);
  80     else
  81       a[i] = srgb[i] * (1 / 12.92);
  82   xyz[0] = SRGB_XYZ_XR * a[0] + SRGB_XYZ_XG * a[1] + SRGB_XYZ_XB * a[2];
  83   xyz[1] = SRGB_XYZ_YR * a[0] + SRGB_XYZ_YG * a[1] + SRGB_XYZ_YB * a[2];
  84   xyz[2] = SRGB_XYZ_ZR * a[0] + SRGB_XYZ_ZG * a[1] + SRGB_XYZ_ZB * a[2];
  85 }
  86
  87 /* XYZ to CIE-Luv */
  88 void
  89 xyz_to_luv_slow(double luv[3], double xyz[3])
  90 {
  91   double sum = xyz[0] + 15 * xyz[1] + 3 * xyz[2];
  92   if (sum < 0.000001)
  93     luv[0] = luv[1] = luv[2] = 0;
  94   else
  95     {
  96       double var_u = 4 * xyz[0] / sum;
  97       double var_v = 9 * xyz[1] / sum;
  98       if (xyz[1] > 0.008856)
  99         luv[0] = 116 * pow(xyz[1], 1 / 3.) - 16;
 100       else
 101         luv[0] = (116 * 7.787) * xyz[1];
 102      luv[1] = luv[0] * (13 * (var_u - 4 * REF_WHITE_X / (REF_WHITE_X + 15 * REF_WHITE_Y + 3 * REF_WHITE_Z)));
 103      luv[2] = luv[0] * (13 * (var_v - 9 * REF_WHITE_Y / (REF_WHITE_X + 15 * REF_WHITE_Y + 3 * REF_WHITE_Z)));
 104      /* intervals [0..100], [-134..220], [-140..122] */
 105    }
 106 }
 107
 108
 109 /***************** OPTIMIZED SRGB -> LUV CONVERSION *********************/
 110
 111 u16 srgb_to_luv_tab1[256];
 112 u16 srgb_to_luv_tab2[9 << SRGB_TO_LUV_TAB2_SIZE];
 113 u32 srgb_to_luv_tab3[20 << SRGB_TO_LUV_TAB3_SIZE];
 114
 115 void
 116 srgb_to_luv_init(void)
 117 {
 118   DBG("Initializing sRGB -> Luv table");
 119   for (uns i = 0; i < 256; i++)
 120     {
 121       double t = i / 255.;
 122       if (t > 0.04045)
 123         t = pow((t + 0.055) * (1 / 1.055), 2.4);
 124       else
 125         t = t * (1 / 12.92);
 126       srgb_to_luv_tab1[i] = CLAMP(t * 0xfff + 0.5, 0, 0xfff);
 127     }
 128   for (uns i = 0; i < (9 << SRGB_TO_LUV_TAB2_SIZE); i++)
 129     {
 130       double t = i / (double)((9 << SRGB_TO_LUV_TAB2_SIZE) - 1);
 131       if (t > 0.008856)
 132         t = 1.16 * pow(t, 1 / 3.) - 0.16;
 133       else
 134         t = (1.16 * 7.787) * t;
 135       srgb_to_luv_tab2[i] =
 136         CLAMP(t * ((1 << SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE) - 1) + 0.5,
 137           0, (1 << SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE) - 1);
 138     }
 139   for (uns i = 0; i < (20 << SRGB_TO_LUV_TAB3_SIZE); i++)
 140     {
 141       srgb_to_luv_tab3[i] = i ? (13 << (SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE + SRGB_TO_LUV_TAB3_SIZE)) / i : 0;
 142     }
 143 }
 144
 145 void
 146 srgb_to_luv_pixels(byte *dest, byte *src, uns count)
 147 {
 148   while (count--)
 149     {
 150       srgb_to_luv_pixel(dest, src);
 151       dest += 3;
 152       src += 3;
 153     }
 154 }
 155
 156
 157 /************************ GRID INTERPOLATION ALGORITHM ************************/
 158
 159 struct color_grid_node *srgb_to_luv_grid;
 160 struct color_interpolation_node *color_interpolation_table;
 161
 162 /* Returns volume of a given tetrahedron multiplied by 6 */
 163 static inline uns
 164 tetrahedron_volume(uns *v1, uns *v2, uns *v3, uns *v4)
 165 {
 166   int a[3], b[3], c[3];
 167   for (uns i = 0; i < 3; i++)
 168     {
 169       a[i] = v2[i] - v1[i];
 170       b[i] = v3[i] - v1[i];
 171       c[i] = v4[i] - v1[i];
 172     }
 173   int result =
 174     a[0] * (b[1] * c[2] - b[2] * c[1]) -
 175     a[1] * (b[0] * c[2] - b[2] * c[0]) +
 176     a[2] * (b[0] * c[1] - b[1] * c[0]);
 177   return (result > 0) ? result : -result;
 178 }
 179
 180 static void
 181 interpolate_tetrahedron(struct color_interpolation_node *n, uns *p, const uns *c)
 182 {
 183   uns v[4][3];
 184   for (uns i = 0; i < 4; i++)
 185     {
 186       v[i][0] = (c[i] & 0001) ? (1 << COLOR_CONV_OFS) : 0;
 187       v[i][1] = (c[i] & 0010) ? (1 << COLOR_CONV_OFS) : 0;
 188       v[i][2] = (c[i] & 0100) ? (1 << COLOR_CONV_OFS) : 0;
 189       n->ofs[i] =
 190         ((c[i] & 0001) ? 1 : 0) +
 191         ((c[i] & 0010) ? (1 << COLOR_CONV_SIZE) : 0) +
 192         ((c[i] & 0100) ? (1 << (COLOR_CONV_SIZE * 2)) : 0);
 193     }
 194   uns vol = tetrahedron_volume(v[0], v[1], v[2], v[3]);
 195   n->mul[0] = ((tetrahedron_volume(p, v[1], v[2], v[3]) << 8) + (vol >> 1)) / vol;
 196   n->mul[1] = ((tetrahedron_volume(v[0], p, v[2], v[3]) << 8) + (vol >> 1)) / vol;
 197   n->mul[2] = ((tetrahedron_volume(v[0], v[1], p, v[3]) << 8) + (vol >> 1)) / vol;
 198   n->mul[3] = ((tetrahedron_volume(v[0], v[1], v[2], p) << 8) + (vol >> 1)) / vol;
 199   uns j;
 200   for (j = 0; j < 4; j++)
 201     if (n->mul[j])
 202       break;
 203   for (uns i = 0; i < 4; i++)
 204     if (n->mul[i] == 0)
 205       n->ofs[i] = n->ofs[j];
 206 }
 207
 208 static void
 209 interpolation_table_init(void)
 210 {
 211   DBG("Initializing color interpolation table");
 212   struct color_interpolation_node *n = color_interpolation_table =
 213     xmalloc(sizeof(struct color_interpolation_node) << (COLOR_CONV_OFS * 3));
 214   uns p[3];
 215   for (p[2] = 0; p[2] < (1 << COLOR_CONV_OFS); p[2]++)
 216     for (p[1] = 0; p[1] < (1 << COLOR_CONV_OFS); p[1]++)
 217       for (p[0] = 0; p[0] < (1 << COLOR_CONV_OFS); p[0]++)
 218         {
 219           uns index;
 220           static const uns tetrahedrons[5][4] = {
 221             {0000, 0001, 0010, 0100},
 222             {0110, 0111, 0100, 0010},
 223             {0101, 0100, 0111, 0001},
 224             {0011, 0010, 0001, 0111},
 225             {0111, 0001, 0010, 0100}};
 226           if (p[0] + p[1] + p[2] <= (1 << COLOR_CONV_OFS))
 227             index = 0;
 228           else if ((1 << COLOR_CONV_OFS) + p[0] <= p[1] + p[2])
 229             index = 1;
 230           else if ((1 << COLOR_CONV_OFS) + p[1] <= p[0] + p[2])
 231             index = 2;
 232           else if ((1 << COLOR_CONV_OFS) + p[2] <= p[0] + p[1])
 233             index = 3;
 234           else
 235             index = 4;
 236           interpolate_tetrahedron(n, p, tetrahedrons[index]);
 237           n++;
 238         }
 239 }
 240
 241 typedef void color_conv_func(double dest[3], double src[3]);
 242
 243 static void
 244 conv_grid_init(struct color_grid_node **grid, color_conv_func func)
 245 {
 246   if (*grid)
 247     return;
 248   struct color_grid_node *g = *grid = xmalloc((sizeof(struct color_grid_node)) << (COLOR_CONV_SIZE * 3));
 249   double src[3], dest[3];
 250   for (uns k = 0; k < (1 << COLOR_CONV_SIZE); k++)
 251     {
 252       src[2] = k * (255 / (double)((1 << COLOR_CONV_SIZE) - 1));
 253       for (uns j = 0; j < (1 << COLOR_CONV_SIZE); j++)
 254         {
 255           src[1] = j * (255/ (double)((1 << COLOR_CONV_SIZE) - 1));
 256           for (uns i = 0; i < (1 << COLOR_CONV_SIZE); i++)
 257             {
 258               src[0] = i * (255 / (double)((1 << COLOR_CONV_SIZE) - 1));
 259               func(dest, src);
 260               g->val[0] = CLAMP(dest[0] + 0.5, 0, 255);
 261               g->val[1] = CLAMP(dest[1] + 0.5, 0, 255);
 262               g->val[2] = CLAMP(dest[2] + 0.5, 0, 255);
 263               g++;
 264             }
 265         }
 266     }
 267 }
 268
 269 static void
 270 srgb_to_luv_func(double dest[3], double src[3])
 271 {
 272   double srgb[3], xyz[3], luv[3];
 273   srgb[0] = src[0] / 255.;
 274   srgb[1] = src[1] / 255.;
 275   srgb[2] = src[2] / 255.;
 276   srgb_to_xyz_slow(xyz, srgb);
 277   xyz_to_luv_slow(luv, xyz);
 278   dest[0] = luv[0] * 2.55;
 279   dest[1] = luv[1] * (2.55 / 4) + 128;
 280   dest[2] = luv[2] * (2.55 / 4) + 128;
 281 }
 282
 283 void
 284 color_conv_init(void)
 285 {
 286   interpolation_table_init();
 287   conv_grid_init(&srgb_to_luv_grid, srgb_to_luv_func);
 288 }
 289
 290 void
 291 color_conv_pixels(byte *dest, byte *src, uns count, struct color_grid_node *grid)
 292 {
 293   while (count--)
 294     {
 295       color_conv_pixel(dest, src, grid);
 296       dest += 3;
 297       src += 3;
 298     }
 299 }
 300
 301
 302 /**************************** TESTS *******************************/
 303
 304 #ifdef TEST
 305 #include <string.h>
 306
 307 static double
 308 conv_error(u32 color, struct color_grid_node *grid, color_conv_func func)
 309 {
 310   byte src[3], dest[3];
 311   src[0] = color & 255;
 312   src[1] = (color >> 8) & 255;
 313   src[2] = (color >> 16) & 255;
 314   color_conv_pixel(dest, src, grid);
 315   double src2[3], dest2[3];
 316   for (uns i = 0; i < 3; i++)
 317     src2[i] = src[i];
 318   func(dest2, src2);
 319   double err = 0;
 320   for (uns i = 0; i < 3; i++)
 321     err += (dest[i] - dest2[i]) * (dest[i] - dest2[i]);
 322   return err;
 323 }
 324
 325 typedef void test_fn(byte *dest, byte *src);
 326
 327 static double
 328 func_error(u32 color, test_fn test, color_conv_func func)
 329 {
 330   byte src[3], dest[3];
 331   src[0] = color & 255;
 332   src[1] = (color >> 8) & 255;
 333   src[2] = (color >> 16) & 255;
 334   test(dest, src);
 335   double src2[3], dest2[3];
 336   for (uns i = 0; i < 3; i++)
 337     src2[i] = src[i];
 338   func(dest2, src2);
 339   double err = 0;
 340   for (uns i = 0; i < 3; i++)
 341     err += (dest[i] - dest2[i]) * (dest[i] - dest2[i]);
 342   return err;
 343 }
 344
 345 static void
 346 test_grid(byte *name, struct color_grid_node *grid, color_conv_func func)
 347 {
 348   double max_err = 0, sum_err = 0;
 349   uns count = 100000;
 350   for (uns i = 0; i < count; i++)
 351     {
 352       double err = conv_error(random_max(0x1000000), grid, func);
 353       max_err = MAX(err, max_err);
 354       sum_err += err;
 355     }
 356   DBG("%s: error max=%f avg=%f", name, max_err, sum_err / count);
 357   if (max_err > 12)
 358     die("Too large error in %s conversion", name);
 359 }
 360
 361 static void
 362 test_func(byte *name, test_fn test, color_conv_func func)
 363 {
 364   double max_err = 0, sum_err = 0;
 365   uns count = 100000;
 366   for (uns i = 0; i < count; i++)
 367     {
 368       double err = func_error(random_max(0x1000000), test, func);
 369       max_err = MAX(err, max_err);
 370       sum_err += err;
 371     }
 372   DBG("%s: error max=%f avg=%f", name, max_err, sum_err / count);
 373   if (max_err > 12)
 374     die("Too large error in %s conversion", name);
 375 }
 376
 377 int
 378 main(void)
 379 {
 380   srgb_to_luv_init();
 381   test_func("func sRGB -> Luv", srgb_to_luv_pixel, srgb_to_luv_func);
 382   color_conv_init();
 383   test_grid("grid sRGB -> Luv", srgb_to_luv_grid, srgb_to_luv_func);
 384 #ifdef LOCAL_DEBUG
 385 #define CNT 1000000
 386 #define TESTS 10
 387   byte *a = xmalloc(3 * CNT), *b = xmalloc(3 * CNT);
 388   for (uns i = 0; i < 3 * CNT; i++)
 389     a[i] = random_max(256);
 390   init_timer();
 391   for (uns i = 0; i < TESTS; i++)
 392     memcpy(b, a, CNT * 3);
 393   DBG("memcpy time=%d", (uns)get_timer());
 394   init_timer();
 395   for (uns i = 0; i < TESTS; i++)
 396     srgb_to_luv_pixels(b, a, CNT);
 397   DBG("direct time=%d", (uns)get_timer());
 398   init_timer();
 399   for (uns i = 0; i < TESTS; i++)
 400     color_conv_pixels(b, a, CNT, srgb_to_luv_grid);
 401   DBG("grid time=%d", (uns)get_timer());
 402 #endif
 403   return 0;
 404 }
 405 #endif
 406