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 // A comparison of four multimedia RGB spaces, Danny Pascale
  31
  32 enum {
  33   COLOR_SPACE_UNKNOWN = 0,
  34   COLOR_SPACE_GRAYSCALE,
  35   COLOR_SPACE_RGB,
  36   COLOR_SPACE_XYZ,
  37   COLOR_SPACE_LAB,
  38   COLOR_SPACE_LUV,
  39   COLOR_SPACE_YCBCR,
  40   COLOR_SPACE_MAX
  41 };
  42
  43 /* Color spaces in the CIE 1931 chromacity diagram */
  44
  45 struct color_space_chromacity_info {
  46   double prim1[2];
  47   double prim2[2];
  48   double prim3[2];
  49   double white[2];
  50 };
  51
  52 struct color_space_gamma_info {
  53   double simple_gamma;
  54   double detailed_gamma;
  55   double offset;
  56   double transition;
  57   double slope;
  58 };
  59
  60 struct color_space_info {
  61   byte *name;
  62   struct color_space_chromacity_info chromacity;
  63   struct color_space_gamma_info gamma;
  64 };
  65
  66 extern const double
  67   color_illuminant_d50[2],
  68   color_illuminant_d65[2],
  69   color_illuminant_e[2];
  70
  71 extern const struct color_space_info
  72   color_adobe_rgb_info,         /* Adobe RGB (1998) */
  73   color_apple_rgb_info,         /* Apple RGB */
  74   color_cie_rgb_info,           /* CIE RGB */
  75   color_color_match_rgb_info,   /* ColorMatch RGB */
  76   color_srgb_info;              /* sRGB */
  77
  78 /* These routines do not check numeric errors! */
  79 void color_compute_color_space_to_xyz_matrix(double matrix[9], const struct color_space_chromacity_info *space);
  80 void color_compute_bradford_matrix(double matrix[9], const double src[2], const double dest[2]);
  81 void color_compute_color_spaces_conversion_matrix(double matrix[9], const struct color_space_chromacity_info *src, const struct color_space_chromacity_info *dest);
  82 void color_invert_matrix(double dest[9], double matrix[9]);
  83
  84 static inline uns
  85 rgb_to_gray_func(uns r, uns g, uns b)
  86 {
  87   return (r * 19660 + g * 38666 + b * 7210) >> 16;
  88 }
  89
  90 extern struct color color_black, color_white;
  91
  92 static inline void
  93 color_make_gray(struct color *color, uns gray)
  94 {
  95   color->c[0] = gray;
  96   color->color_space = COLOR_SPACE_GRAYSCALE;
  97 }
  98
  99 static inline void
 100 color_make_rgb(struct color *color, uns r, uns g, uns b)
 101 {
 102   color->c[0] = r;
 103   color->c[1] = g;
 104   color->c[2] = b;
 105   color->color_space = COLOR_SPACE_RGB;
 106 }
 107
 108 void color_put_color_space(byte *dest, struct color *color, uns color_space);
 109 void color_put_grayscale(byte *dest, struct color *color);
 110 void color_put_rgb(byte *dest, struct color *color);
 111
 112 /* Exact slow conversion routines */
 113 void srgb_to_xyz_exact(double dest[3], double src[3]);
 114 void xyz_to_srgb_exact(double dest[3], double src[3]);
 115 void xyz_to_luv_exact(double dest[3], double src[3]);
 116 void luv_to_xyz_exact(double dest[3], double src[3]);
 117
 118 /* Reference white */
 119 #define REF_WHITE_X 0.96422
 120 #define REF_WHITE_Y 1.
 121 #define REF_WHITE_Z 0.82521
 122
 123 /* sRGB -> XYZ matrix */
 124 #define SRGB_XYZ_XR 0.412424
 125 #define SRGB_XYZ_XG 0.357579
 126 #define SRGB_XYZ_XB 0.180464
 127 #define SRGB_XYZ_YR 0.212656
 128 #define SRGB_XYZ_YG 0.715158
 129 #define SRGB_XYZ_YB 0.072186
 130 #define SRGB_XYZ_ZR 0.019332
 131 #define SRGB_XYZ_ZG 0.119193
 132 #define SRGB_XYZ_ZB 0.950444
 133
 134
 135 /*********************** OPTIMIZED CONVERSION ROUTINES **********************/
 136
 137 /* sRGB -> Luv parameters */
 138 #define SRGB_TO_LUV_TAB2_SIZE 9
 139 #define SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE 11
 140 #define SRGB_TO_LUV_TAB3_SIZE 8
 141 #define SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE (39 - SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE - SRGB_TO_LUV_TAB3_SIZE)
 142
 143 extern u16 srgb_to_luv_tab1[256];
 144 extern u16 srgb_to_luv_tab2[9 << SRGB_TO_LUV_TAB2_SIZE];
 145 extern u32 srgb_to_luv_tab3[20 << SRGB_TO_LUV_TAB3_SIZE];
 146
 147 void srgb_to_luv_init(void);
 148 void srgb_to_luv_pixels(byte *dest, byte *src, uns count);
 149
 150 /* L covers the interval [0..255]; u and v are centered to 128 and scaled by 1/4 in respect of L */
 151 static inline void
 152 srgb_to_luv_pixel(byte *dest, byte *src)
 153 {
 154   uns r = srgb_to_luv_tab1[src[0]];
 155   uns g = srgb_to_luv_tab1[src[1]];
 156   uns b = srgb_to_luv_tab1[src[2]];
 157   uns x =
 158     (uns)(4 * SRGB_XYZ_XR * 0xffff) * r +
 159     (uns)(4 * SRGB_XYZ_XG * 0xffff) * g +
 160     (uns)(4 * SRGB_XYZ_XB * 0xffff) * b;
 161   uns y =
 162     (uns)(9 * SRGB_XYZ_YR * 0xffff) * r +
 163     (uns)(9 * SRGB_XYZ_YG * 0xffff) * g +
 164     (uns)(9 * SRGB_XYZ_YB * 0xffff) * b;
 165   uns l = srgb_to_luv_tab2[y >> (28 - SRGB_TO_LUV_TAB2_SIZE)];
 166     dest[0] = l >> (SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE - 8);
 167   uns sum =
 168     (uns)((SRGB_XYZ_XR + 15 * SRGB_XYZ_YR + 3 * SRGB_XYZ_ZR) * 0x7fff) * r +
 169     (uns)((SRGB_XYZ_XG + 15 * SRGB_XYZ_YG + 3 * SRGB_XYZ_ZG) * 0x7fff) * g +
 170     (uns)((SRGB_XYZ_XB + 15 * SRGB_XYZ_YB + 3 * SRGB_XYZ_ZB) * 0x7fff) * b;
 171   uns s = srgb_to_luv_tab3[sum >> (27 - SRGB_TO_LUV_TAB3_SIZE)];
 172   int xs = ((u64)x * s) >> 32;
 173   int ys = ((u64)y * s) >> 32;
 174   int xw = ((4 * 13) << (SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE - 4)) *
 175     REF_WHITE_X / (REF_WHITE_X + 15 * REF_WHITE_Y + 3 * REF_WHITE_Z);
 176   int yw = ((9 * 13) << (SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE - 4)) *
 177     REF_WHITE_Y / (REF_WHITE_X + 15 * REF_WHITE_Y + 3 * REF_WHITE_Z);
 178   int u = (int)(l) * (xs - xw);
 179   int v = (int)(l) * (ys - yw);
 180   dest[1] = 128 + (u >> (SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE + SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE - 10));
 181   dest[2] = 128 + (v >> (SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE + SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE - 10));
 182 }
 183
 184
 185 /****************** GENERAL INTERPOLATION IN 3D GRID ********************/
 186
 187 #define COLOR_CONV_SIZE 5  /* 128K conversion grid size */
 188 #define COLOR_CONV_OFS  3  /* 8K interpolation table size */
 189
 190 struct color_grid_node {
 191   byte val[4];
 192 };
 193
 194 struct color_interpolation_node {
 195   u16 ofs[4];
 196   u16 mul[4];
 197 };
 198
 199 extern struct color_grid_node *srgb_to_luv_grid;
 200 extern struct color_interpolation_node *color_interpolation_table;
 201
 202 void color_conv_init(void);
 203 void color_conv_pixels(byte *dest, byte *src, uns count, struct color_grid_node *grid);
 204
 205 #define COLOR_CONV_SCALE_CONST (((((1 << COLOR_CONV_SIZE) - 1) << 16) + (1 << (16 - COLOR_CONV_OFS))) / 255)
 206
 207 static inline void
 208 color_conv_pixel(byte *dest, byte *src, struct color_grid_node *grid)
 209 {
 210   uns s0 = src[0] * COLOR_CONV_SCALE_CONST;
 211   uns s1 = src[1] * COLOR_CONV_SCALE_CONST;
 212   uns s2 = src[2] * COLOR_CONV_SCALE_CONST;
 213   struct color_grid_node *g0, *g1, *g2, *g3, *g = grid +
 214     ((s0 >> 16) + ((s1 >> 16) << COLOR_CONV_SIZE) + ((s2 >> 16) << (2 * COLOR_CONV_SIZE)));
 215   struct color_interpolation_node *n = color_interpolation_table +
 216     (((s0 & (0x10000 - (0x10000 >> COLOR_CONV_OFS))) >> (16 - COLOR_CONV_OFS)) +
 217     ((s1 & (0x10000 - (0x10000 >> COLOR_CONV_OFS))) >> (16 - 2 * COLOR_CONV_OFS)) +
 218     ((s2 & (0x10000 - (0x10000 >> COLOR_CONV_OFS))) >> (16 - 3 * COLOR_CONV_OFS)));
 219   g0 = g + n->ofs[0];
 220   g1 = g + n->ofs[1];
 221   g2 = g + n->ofs[2];
 222   g3 = g + n->ofs[3];
 223   dest[0] = (g0->val[0] * n->mul[0] + g1->val[0] * n->mul[1] +
 224              g2->val[0] * n->mul[2] + g3->val[0] * n->mul[3] + 128) >> 8;
 225   dest[1] = (g0->val[1] * n->mul[0] + g1->val[1] * n->mul[1] +
 226              g2->val[1] * n->mul[2] + g3->val[1] * n->mul[3] + 128) >> 8;
 227   dest[2] = (g0->val[2] * n->mul[0] + g1->val[2] * n->mul[1] +
 228              g2->val[2] * n->mul[2] + g3->val[2] * n->mul[3] + 128) >> 8;
 229 }
 230
 231 #endif