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