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 /* Basic color spaces */
  31 enum {
  32   COLOR_SPACE_UNKNOWN = 0,
  33   COLOR_SPACE_UNKNOWN_1 = 1,    /* unknown 1-channel color space */
  34   COLOR_SPACE_UNKNOWN_2 = 2,    /* unknown 2-channels color space */
  35   COLOR_SPACE_UNKNOWN_3 = 3,    /* unknown 3-channels color space */
  36   COLOR_SPACE_UNKNOWN_4 = 4,    /* unknown 4-channels color space */
  37   COLOR_SPACE_UNKNOWN_MAX = 4,
  38   COLOR_SPACE_GRAYSCALE,
  39   COLOR_SPACE_RGB,
  40   COLOR_SPACE_XYZ,
  41   COLOR_SPACE_LAB,
  42   COLOR_SPACE_LUV,
  43   COLOR_SPACE_YCBCR,
  44   COLOR_SPACE_CMYK,
  45   COLOR_SPACE_YCCK,
  46   COLOR_SPACE_MAX
  47 };
  48
  49 extern uns color_space_channels[COLOR_SPACE_MAX];
  50 extern byte *color_space_name[COLOR_SPACE_MAX];
  51
  52 /* Color space ID <-> name conversions */
  53 byte *color_space_id_to_name(uns id);
  54 uns color_space_name_to_id(byte *name);
  55
  56 /* Struct color manipulation */
  57 int color_get(struct color *color, byte *src, uns src_space);
  58 int color_put(struct image_context *ctx, struct color *color, byte *dest, uns dest_space);
  59
  60 static inline void
  61 color_make_gray(struct color *color, uns gray)
  62 {
  63   color->c[0] = gray;
  64   color->color_space = COLOR_SPACE_GRAYSCALE;
  65 }
  66
  67 static inline void
  68 color_make_rgb(struct color *color, uns r, uns g, uns b)
  69 {
  70   color->c[0] = r;
  71   color->c[1] = g;
  72   color->c[2] = b;
  73   color->color_space = COLOR_SPACE_RGB;
  74 }
  75
  76 extern struct color color_black, color_white;
  77
  78 /* Conversion between various pixel formats */
  79
  80 enum {
  81   IMAGE_CONV_FILL_ALPHA = 1,
  82   IMAGE_CONV_COPY_ALPHA = 2,
  83   IMAGE_CONV_APPLY_ALPHA = 4,
  84 };
  85
  86 struct image_conv_options {
  87   uns flags;
  88   struct color background;
  89 };
  90
  91 extern struct image_conv_options image_conv_defaults;
  92
  93 int image_conv(struct image_context *ctx, struct image *dest, struct image *src, struct image_conv_options *opt);
  94
  95 /* Color spaces in the CIE 1931 chromacity diagram */
  96
  97 struct color_space_chromacity_info {
  98   double prim1[2];
  99   double prim2[2];
 100   double prim3[2];
 101   double white[2];
 102 };
 103
 104 struct color_space_gamma_info {
 105   double simple_gamma;
 106   double detailed_gamma;
 107   double offset;
 108   double transition;
 109   double slope;
 110 };
 111
 112 struct color_space_info {
 113   byte *name;
 114   struct color_space_chromacity_info chromacity;
 115   struct color_space_gamma_info gamma;
 116 };
 117
 118 extern const double
 119   color_illuminant_d50[2],
 120   color_illuminant_d65[2],
 121   color_illuminant_e[2];
 122
 123 extern const struct color_space_info
 124   color_adobe_rgb_info,         /* Adobe RGB (1998) */
 125   color_apple_rgb_info,         /* Apple RGB */
 126   color_cie_rgb_info,           /* CIE RGB */
 127   color_color_match_rgb_info,   /* ColorMatch RGB */
 128   color_srgb_info;              /* sRGB */
 129
 130 /* These routines do not check numeric errors! */
 131 void color_compute_color_space_to_xyz_matrix(double matrix[9], const struct color_space_chromacity_info *space);
 132 void color_compute_bradford_matrix(double matrix[9], const double src[2], const double dest[2]);
 133 void color_compute_color_spaces_conversion_matrix(double matrix[9], const struct color_space_chromacity_info *src, const struct color_space_chromacity_info *dest);
 134 void color_invert_matrix(double dest[9], double matrix[9]);
 135
 136 static inline uns
 137 rgb_to_gray_func(uns r, uns g, uns b)
 138 {
 139   return (r * 19660 + g * 38666 + b * 7210) >> 16;
 140 }
 141
 142 /* Exact slow conversion routines */
 143 void srgb_to_xyz_exact(double dest[3], double src[3]);
 144 void xyz_to_srgb_exact(double dest[3], double src[3]);
 145 void xyz_to_luv_exact(double dest[3], double src[3]);
 146 void luv_to_xyz_exact(double dest[3], double src[3]);
 147 void rgb_to_cmyk_exact(double dest[4], double src[3]);
 148 void cmyk_to_rgb_exact(double dest[3], double src[4]);
 149
 150 /* Reference white */
 151 #define REF_WHITE_X 0.96422
 152 #define REF_WHITE_Y 1.
 153 #define REF_WHITE_Z 0.82521
 154
 155 /* sRGB -> XYZ matrix */
 156 #define SRGB_XYZ_XR 0.412424
 157 #define SRGB_XYZ_XG 0.357579
 158 #define SRGB_XYZ_XB 0.180464
 159 #define SRGB_XYZ_YR 0.212656
 160 #define SRGB_XYZ_YG 0.715158
 161 #define SRGB_XYZ_YB 0.072186
 162 #define SRGB_XYZ_ZR 0.019332
 163 #define SRGB_XYZ_ZG 0.119193
 164 #define SRGB_XYZ_ZB 0.950444
 165
 166
 167 /*********************** OPTIMIZED CONVERSION ROUTINES **********************/
 168
 169 /* sRGB -> Luv parameters */
 170 #define SRGB_TO_LUV_TAB2_SIZE 9
 171 #define SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE 11
 172 #define SRGB_TO_LUV_TAB3_SIZE 8
 173 #define SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE (39 - SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE - SRGB_TO_LUV_TAB3_SIZE)
 174
 175 extern u16 srgb_to_luv_tab1[256];
 176 extern u16 srgb_to_luv_tab2[9 << SRGB_TO_LUV_TAB2_SIZE];
 177 extern u32 srgb_to_luv_tab3[20 << SRGB_TO_LUV_TAB3_SIZE];
 178
 179 void srgb_to_luv_init(void);
 180 void srgb_to_luv_pixels(byte *dest, byte *src, uns count);
 181
 182 /* L covers the interval [0..255]; u and v are centered to 128 and scaled by 1/4 in respect of L */
 183 static inline void
 184 srgb_to_luv_pixel(byte *dest, byte *src)
 185 {
 186   uns r = srgb_to_luv_tab1[src[0]];
 187   uns g = srgb_to_luv_tab1[src[1]];
 188   uns b = srgb_to_luv_tab1[src[2]];
 189   uns x =
 190     (uns)(4 * SRGB_XYZ_XR * 0xffff) * r +
 191     (uns)(4 * SRGB_XYZ_XG * 0xffff) * g +
 192     (uns)(4 * SRGB_XYZ_XB * 0xffff) * b;
 193   uns y =
 194     (uns)(9 * SRGB_XYZ_YR * 0xffff) * r +
 195     (uns)(9 * SRGB_XYZ_YG * 0xffff) * g +
 196     (uns)(9 * SRGB_XYZ_YB * 0xffff) * b;
 197   uns l = srgb_to_luv_tab2[y >> (28 - SRGB_TO_LUV_TAB2_SIZE)];
 198     dest[0] = l >> (SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE - 8);
 199   uns sum =
 200     (uns)((SRGB_XYZ_XR + 15 * SRGB_XYZ_YR + 3 * SRGB_XYZ_ZR) * 0x7fff) * r +
 201     (uns)((SRGB_XYZ_XG + 15 * SRGB_XYZ_YG + 3 * SRGB_XYZ_ZG) * 0x7fff) * g +
 202     (uns)((SRGB_XYZ_XB + 15 * SRGB_XYZ_YB + 3 * SRGB_XYZ_ZB) * 0x7fff) * b;
 203   uns s = srgb_to_luv_tab3[sum >> (27 - SRGB_TO_LUV_TAB3_SIZE)];
 204   int xs = ((u64)x * s) >> 32;
 205   int ys = ((u64)y * s) >> 32;
 206   int xw = ((4 * 13) << (SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE - 4)) *
 207     REF_WHITE_X / (REF_WHITE_X + 15 * REF_WHITE_Y + 3 * REF_WHITE_Z);
 208   int yw = ((9 * 13) << (SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE - 4)) *
 209     REF_WHITE_Y / (REF_WHITE_X + 15 * REF_WHITE_Y + 3 * REF_WHITE_Z);
 210   int u = (int)(l) * (xs - xw);
 211   int v = (int)(l) * (ys - yw);
 212   dest[1] = 128 + (u >> (SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE + SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE - 10));
 213   dest[2] = 128 + (v >> (SRGB_TO_LUV_TAB3_SCALE + SRGB_TO_LUV_TAB2_SCALE - 10));
 214 }
 215
 216
 217 /****************** GENERAL INTERPOLATION IN 3D GRID ********************/
 218
 219 #define COLOR_CONV_SIZE 5  /* 128K conversion grid size */
 220 #define COLOR_CONV_OFS  3  /* 8K interpolation table size */
 221
 222 struct color_grid_node {
 223   byte val[4];
 224 };
 225
 226 struct color_interpolation_node {
 227   u16 ofs[4];
 228   u16 mul[4];
 229 };
 230
 231 extern struct color_grid_node *srgb_to_luv_grid;
 232 extern struct color_interpolation_node *color_interpolation_table;
 233
 234 void color_conv_init(void);
 235 void color_conv_pixels(byte *dest, byte *src, uns count, struct color_grid_node *grid);
 236
 237 #define COLOR_CONV_SCALE_CONST (((((1 << COLOR_CONV_SIZE) - 1) << 16) + (1 << (16 - COLOR_CONV_OFS))) / 255)
 238
 239 static inline void
 240 color_conv_pixel(byte *dest, byte *src, struct color_grid_node *grid)
 241 {
 242   uns s0 = src[0] * COLOR_CONV_SCALE_CONST;
 243   uns s1 = src[1] * COLOR_CONV_SCALE_CONST;
 244   uns s2 = src[2] * COLOR_CONV_SCALE_CONST;
 245   struct color_grid_node *g0, *g1, *g2, *g3, *g = grid +
 246     ((s0 >> 16) + ((s1 >> 16) << COLOR_CONV_SIZE) + ((s2 >> 16) << (2 * COLOR_CONV_SIZE)));
 247   struct color_interpolation_node *n = color_interpolation_table +
 248     (((s0 & (0x10000 - (0x10000 >> COLOR_CONV_OFS))) >> (16 - COLOR_CONV_OFS)) +
 249     ((s1 & (0x10000 - (0x10000 >> COLOR_CONV_OFS))) >> (16 - 2 * COLOR_CONV_OFS)) +
 250     ((s2 & (0x10000 - (0x10000 >> COLOR_CONV_OFS))) >> (16 - 3 * COLOR_CONV_OFS)));
 251   g0 = g + n->ofs[0];
 252   g1 = g + n->ofs[1];
 253   g2 = g + n->ofs[2];
 254   g3 = g + n->ofs[3];
 255   dest[0] = (g0->val[0] * n->mul[0] + g1->val[0] * n->mul[1] +
 256              g2->val[0] * n->mul[2] + g3->val[0] * n->mul[3] + 128) >> 8;
 257   dest[1] = (g0->val[1] * n->mul[0] + g1->val[1] * n->mul[1] +
 258              g2->val[1] * n->mul[2] + g3->val[1] * n->mul[3] + 128) >> 8;
 259   dest[2] = (g0->val[2] * n->mul[0] + g1->val[2] * n->mul[1] +
 260              g2->val[2] * n->mul[2] + g3->val[2] * n->mul[3] + 128) >> 8;
 261 }
 262
 263 #endif