images/color.h

   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  *      References:
  11  *      - A Review of RGB Color Spaces, Danny Pascale (2003)
  12  *      - http://www.adobe.com/digitalimag/pdfs/AdobeRGB1998.pdf
  13  *      - http://www.tecgraf.puc-rio.br/~mgattass/color/ColorIndex.html
  14  *
  15  *      FIXME:
  16  *      - fix theoretical problems with rounding errors in srgb_to_luv_pixel()
  17  *      - SIMD should help to speed up conversion of large arrays
  18  *      - maybe try to generate a long switch in color_conv_pixel()
  19  *        with optimized entries instead of access to interpolation table
  20  *      - most of multiplications in srgb_to_luv_pixels can be replaced
  21  *        with tables lookup... tests shows almost the same speed for random
  22  *        input and cca 40% gain when input colors fit in CPU chache
  23  */
  24
  25 #ifndef _IMAGES_COLOR_H
  26 #define _IMAGES_COLOR_H
  27
  28 #include <images/images.h>
  29
  30 #ifdef CONFIG_UCW_CLEAN_ABI
  31 #define cmyk_to_rgb_exact ucw_cmyk_to_rgb_exact
  32 #define color_adobe_rgb_info ucw_color_adobe_rgb_info
  33 #define color_apple_rgb_info ucw_color_apple_rgb_info
  34 #define color_black ucw_color_black
  35 #define color_cie_rgb_info ucw_color_cie_rgb_info
  36 #define color_color_match_rgb_info ucw_color_color_match_rgb_info
  37 #define color_compute_bradford_matrix ucw_color_compute_bradford_matrix
  38 #define color_compute_color_space_to_xyz_matrix ucw_color_compute_color_space_to_xyz_matrix
  39 #define color_compute_color_spaces_conversion_matrix ucw_color_compute_color_spaces_conversion_matrix
  40 #define color_conv_init ucw_color_conv_init
  41 #define color_conv_pixels ucw_color_conv_pixels
  42 #define color_get ucw_color_get
  43 #define color_illuminant_d50 ucw_color_illuminant_d50
  44 #define color_illuminant_d65 ucw_color_illuminant_d65
  45 #define color_illuminant_e ucw_color_illuminant_e
  46 #define color_interpolation_table ucw_color_interpolation_table
  47 #define color_invert_matrix ucw_color_invert_matrix
  48 #define color_put ucw_color_put
  49 #define color_space_channels ucw_color_space_channels
  50 #define color_space_id_to_name ucw_color_space_id_to_name
  51 #define color_space_name ucw_color_space_name
  52 #define color_space_name_to_id ucw_color_space_name_to_id
  53 #define color_srgb_info ucw_color_srgb_info
  54 #define color_white ucw_color_white
  55 #define image_conv ucw_image_conv
  56 #define image_conv_defaults ucw_image_conv_defaults
  57 #define luv_to_xyz_exact ucw_luv_to_xyz_exact
  58 #define rgb_to_cmyk_exact ucw_rgb_to_cmyk_exact
  59 #define srgb_to_luv_grid ucw_srgb_to_luv_grid
  60 #define srgb_to_luv_init ucw_srgb_to_luv_init
  61 #define srgb_to_luv_pixels ucw_srgb_to_luv_pixels
  62 #define srgb_to_luv_tab1 ucw_srgb_to_luv_tab1
  63 #define srgb_to_luv_tab2 ucw_srgb_to_luv_tab2
  64 #define srgb_to_luv_tab3 ucw_srgb_to_luv_tab3
  65 #define srgb_to_xyz_exact ucw_srgb_to_xyz_exact
  66 #define xyz_to_luv_exact ucw_xyz_to_luv_exact
  67 #define xyz_to_srgb_exact ucw_xyz_to_srgb_exact
  68 #endif
  69
  70 /* Basic color spaces */
  71 enum {
  72   COLOR_SPACE_UNKNOWN = 0,
  73   COLOR_SPACE_UNKNOWN_1 = 1,    /* unknown 1-channel color space */
  74   COLOR_SPACE_UNKNOWN_2 = 2,    /* unknown 2-channels color space */
  75   COLOR_SPACE_UNKNOWN_3 = 3,    /* unknown 3-channels color space */
  76   COLOR_SPACE_UNKNOWN_4 = 4,    /* unknown 4-channels color space */
  77   COLOR_SPACE_UNKNOWN_MAX = 4,
  78   COLOR_SPACE_GRAYSCALE,
  79   COLOR_SPACE_RGB,
  80   COLOR_SPACE_XYZ,
  81   COLOR_SPACE_LAB,
  82   COLOR_SPACE_LUV,
  83   COLOR_SPACE_YCBCR,
  84   COLOR_SPACE_CMYK,
  85   COLOR_SPACE_YCCK,
  86   COLOR_SPACE_MAX
  87 };
  88
  89 extern uint color_space_channels[COLOR_SPACE_MAX];
  90 extern byte *color_space_name[COLOR_SPACE_MAX];
  91
  92 /* Color space ID <-> name conversions */
  93 byte *color_space_id_to_name(uint id);
  94 uint color_space_name_to_id(byte *name);
  95
  96 /* Struct color manipulation */
  97 int color_get(struct color *color, byte *src, uint src_space);
  98 int color_put(struct image_context *ctx, struct color *color, byte *dest, uint dest_space);
  99
 100 static inline void color_make_gray(struct color *color, uint gray)
 101 {
 102   color->c[0] = gray;
 103   color->color_space = COLOR_SPACE_GRAYSCALE;
 104 }
 105
 106 static inline void color_make_rgb(struct color *color, uint r, uint g, uint b)
 107 {
 108   color->c[0] = r;
 109   color->c[1] = g;
 110   color->c[2] = b;
 111   color->color_space = COLOR_SPACE_RGB;
 112 }
 113
 114 extern struct color color_black, color_white;
 115
 116 /* Conversion between various pixel formats */
 117
 118 enum {
 119   IMAGE_CONV_FILL_ALPHA = 1,
 120   IMAGE_CONV_COPY_ALPHA = 2,
 121   IMAGE_CONV_APPLY_ALPHA = 4,
 122 };
 123
 124 struct image_conv_options {
 125   uint flags;
 126   struct color background;
 127 };
 128
 129 extern struct image_conv_options image_conv_defaults;
 130
 131 int image_conv(struct image_context *ctx, struct image *dest, struct image *src, struct image_conv_options *opt);
 132
 133 /* Color spaces in the CIE 1931 chromacity diagram */
 134
 135 struct color_space_chromacity_info {
 136   double prim1[2];
 137   double prim2[2];
 138   double prim3[2];
 139   double white[2];
 140 };
 141
 142 struct color_space_gamma_info {
 143   double simple_gamma;
 144   double detailed_gamma;
 145   double offset;
 146   double transition;
 147   double slope;
 148 };
 149
 150 struct color_space_info {
 151   byte *name;
 152   struct color_space_chromacity_info chromacity;
 153   struct color_space_gamma_info gamma;
 154 };
 155
 156 extern const double
 157   color_illuminant_d50[2],
 158   color_illuminant_d65[2],
 159   color_illuminant_e[2];
 160
 161 extern const struct color_space_info
 162   color_adobe_rgb_info,         /* Adobe RGB (1998) */
 163   color_apple_rgb_info,         /* Apple RGB */
 164   color_cie_rgb_info,           /* CIE RGB */
 165   color_color_match_rgb_info,   /* ColorMatch RGB */
 166   color_srgb_info;              /* sRGB */
 167
 168 /* These routines do not check numeric errors! */
 169 void color_compute_color_space_to_xyz_matrix(double matrix[9], const struct color_space_chromacity_info *space);
 170 void color_compute_bradford_matrix(double matrix[9], const double src[2], const double dest[2]);
 171 void color_compute_color_spaces_conversion_matrix(double matrix[9], const struct color_space_chromacity_info *src, const struct color_space_chromacity_info *dest);
 172 void color_invert_matrix(double dest[9], double matrix[9]);
 173
 174 static inline uint rgb_to_gray_func(uint r, uint g, uint b)
 175 {
 176   return (r * 19660 + g * 38666 + b * 7210) >> 16;
 177 }
 178
 179 /* Exact slow conversion routines */
 180 void srgb_to_xyz_exact(double dest[3], double src[3]);
 181 void xyz_to_srgb_exact(double dest[3], double src[3]);
 182 void xyz_to_luv_exact(double dest[3], double src[3]);
 183 void luv_to_xyz_exact(double dest[3], double src[3]);
 184 void rgb_to_cmyk_exact(double dest[4], double src[3]);
 185 void cmyk_to_rgb_exact(double dest[3], double src[4]);
 186
 187 /* Reference white */
 188 #define REF_WHITE_X 0.96422
 189 #define REF_WHITE_Y 1.
 190 #define REF_WHITE_Z 0.82521
 191
 192 /* sRGB -> XYZ matrix */
 193 #define SRGB_XYZ_XR 0.412424
 194 #define SRGB_XYZ_XG 0.357579
 195 #define SRGB_XYZ_XB 0.180464
 196 #define SRGB_XYZ_YR 0.212656
 197 #define SRGB_XYZ_YG 0.715158
 198 #define SRGB_XYZ_YB 0.072186
 199 #define SRGB_XYZ_ZR 0.019332
 200 #define SRGB_XYZ_ZG 0.119193
 201 #define SRGB_XYZ_ZB 0.950444
 202
 203
 204 /*********************** OPTIMIZED CONVERSION ROUTINES **********************/
 205
 206 /* sRGB -> Luv parameters */
 207 #define SRGB_TO_LUV_TAB2_SIZE 9
 208 #define SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE 11
 209 #define SRGB_TO_LUV_TAB3_SIZE 8
 210 #define SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE (39 - SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE - SRGB_TO_LUV_TAB3_SIZE)
 211
 212 extern u16 srgb_to_luv_tab1[256];
 213 extern u16 srgb_to_luv_tab2[9 << SRGB_TO_LUV_TAB2_SIZE];
 214 extern u32 srgb_to_luv_tab3[20 << SRGB_TO_LUV_TAB3_SIZE];
 215
 216 void srgb_to_luv_init(void);
 217 void srgb_to_luv_pixels(byte *dest, byte *src, uint count);
 218
 219 /* L covers the interval [0..255]; u and v are centered to 128 and scaled by 1/4 in respect of L */
 220 static inline void srgb_to_luv_pixel(byte *dest, byte *src)
 221 {
 222   uint r = srgb_to_luv_tab1[src[0]];
 223   uint g = srgb_to_luv_tab1[src[1]];
 224   uint b = srgb_to_luv_tab1[src[2]];
 225   uint x =
 226     (uint)(4 * SRGB_XYZ_XR * 0xffff) * r +
 227     (uint)(4 * SRGB_XYZ_XG * 0xffff) * g +
 228     (uint)(4 * SRGB_XYZ_XB * 0xffff) * b;
 229   uint y =
 230     (uint)(9 * SRGB_XYZ_YR * 0xffff) * r +
 231     (uint)(9 * SRGB_XYZ_YG * 0xffff) * g +
 232     (uint)(9 * SRGB_XYZ_YB * 0xffff) * b;
 233   uint l = srgb_to_luv_tab2[y >> (28 - SRGB_TO_LUV_TAB2_SIZE)];
 234     dest[0] = l >> (SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE - 8);
 235   uint sum =
 236     (uint)((SRGB_XYZ_XR + 15 * SRGB_XYZ_YR + 3 * SRGB_XYZ_ZR) * 0x7fff) * r +
 237     (uint)((SRGB_XYZ_XG + 15 * SRGB_XYZ_YG + 3 * SRGB_XYZ_ZG) * 0x7fff) * g +
 238     (uint)((SRGB_XYZ_XB + 15 * SRGB_XYZ_YB + 3 * SRGB_XYZ_ZB) * 0x7fff) * b;
 239   uint s = srgb_to_luv_tab3[sum >> (27 - SRGB_TO_LUV_TAB3_SIZE)];
 240   int xs = ((u64)x * s) >> 32;
 241   int ys = ((u64)y * s) >> 32;
 242   int xw = ((4 * 13) << (SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE - 4)) *
 243     REF_WHITE_X / (REF_WHITE_X + 15 * REF_WHITE_Y + 3 * REF_WHITE_Z);
 244   int yw = ((9 * 13) << (SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE - 4)) *
 245     REF_WHITE_Y / (REF_WHITE_X + 15 * REF_WHITE_Y + 3 * REF_WHITE_Z);
 246   int u = (int)(l) * (xs - xw);
 247   int v = (int)(l) * (ys - yw);
 248   dest[1] = 128 + (u >> (SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE + SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE - 10));
 249   dest[2] = 128 + (v >> (SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE + SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE - 10));
 250 }
 251
 252
 253 /****************** GENERAL INTERPOLATION IN 3D GRID ********************/
 254
 255 #define COLOR_CONV_SIZE 5  /* 128K conversion grid size */
 256 #define COLOR_CONV_OFS  3  /* 8K interpolation table size */
 257
 258 struct color_grid_node {
 259   byte val[4];
 260 };
 261
 262 struct color_interpolation_node {
 263   u16 ofs[4];
 264   u16 mul[4];
 265 };
 266
 267 extern struct color_grid_node *srgb_to_luv_grid;
 268 extern struct color_interpolation_node *color_interpolation_table;
 269
 270 void color_conv_init(void);
 271 void color_conv_pixels(byte *dest, byte *src, uint count, struct color_grid_node *grid);
 272
 273 #define COLOR_CONV_SCALE_CONST (((((1 << COLOR_CONV_SIZE) - 1) << 16) + (1 << (16 - COLOR_CONV_OFS))) / 255)
 274
 275 static inline void color_conv_pixel(byte *dest, byte *src, struct color_grid_node *grid)
 276 {
 277   uint s0 = src[0] * COLOR_CONV_SCALE_CONST;
 278   uint s1 = src[1] * COLOR_CONV_SCALE_CONST;
 279   uint s2 = src[2] * COLOR_CONV_SCALE_CONST;
 280   struct color_grid_node *g0, *g1, *g2, *g3, *g = grid +
 281     ((s0 >> 16) + ((s1 >> 16) << COLOR_CONV_SIZE) + ((s2 >> 16) << (2 * COLOR_CONV_SIZE)));
 282   struct color_interpolation_node *n = color_interpolation_table +
 283     (((s0 & (0x10000 - (0x10000 >> COLOR_CONV_OFS))) >> (16 - COLOR_CONV_OFS)) +
 284     ((s1 & (0x10000 - (0x10000 >> COLOR_CONV_OFS))) >> (16 - 2 * COLOR_CONV_OFS)) +
 285     ((s2 & (0x10000 - (0x10000 >> COLOR_CONV_OFS))) >> (16 - 3 * COLOR_CONV_OFS)));
 286   g0 = g + n->ofs[0];
 287   g1 = g + n->ofs[1];
 288   g2 = g + n->ofs[2];
 289   g3 = g + n->ofs[3];
 290   dest[0] = (g0->val[0] * n->mul[0] + g1->val[0] * n->mul[1] +
 291              g2->val[0] * n->mul[2] + g3->val[0] * n->mul[3] + 128) >> 8;
 292   dest[1] = (g0->val[1] * n->mul[0] + g1->val[1] * n->mul[1] +
 293              g2->val[1] * n->mul[2] + g3->val[1] * n->mul[3] + 128) >> 8;
 294   dest[2] = (g0->val[2] * n->mul[0] + g1->val[2] * n->mul[1] +
 295              g2->val[2] * n->mul[2] + g3->val[2] * n->mul[3] + 128) >> 8;
 296 }
 297
 298 #endif