images/sig-init.c

   1 /*
   2  *      Image Library -- Computation of image signatures
   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 "lib/fastbuf.h"
  15 #include "lib/conf.h"
  16 #include "images/math.h"
  17 #include "images/images.h"
  18 #include "images/color.h"
  19 #include "images/signature.h"
  20
  21 #include <alloca.h>
  22
  23 int
  24 image_sig_init(struct image_thread *thread, struct image_sig_data *data, struct image *image)
  25 {
  26   ASSERT((image->flags & IMAGE_PIXEL_FORMAT) == COLOR_SPACE_RGB);
  27   data->image = image;
  28   data->cols = (image->cols + 3) >> 2;
  29   data->rows = (image->rows + 3) >> 2;
  30   data->full_cols = image->cols >> 2;
  31   data->full_rows = image->rows >> 2;
  32   data->blocks_count = data->cols * data->rows;
  33   if (data->blocks_count >= 0x10000)
  34     {
  35       image_thread_err(thread, IMAGE_ERR_INVALID_DIMENSIONS, "Image too large for implemented signature algorithm.");
  36       return 0;
  37     }
  38   data->blocks = xmalloc(data->blocks_count * sizeof(struct image_sig_block));
  39   data->area = image->cols * image->rows;
  40   DBG("Computing signature for image of %ux%u pixels (%ux%u blocks)",
  41       image->cols, image->rows, data->cols, data->rows);
  42   return 1;
  43 }
  44
  45 void
  46 image_sig_preprocess(struct image_sig_data *data)
  47 {
  48   struct image *image = data->image;
  49   struct image_sig_block *block = data->blocks;
  50   uns sum[IMAGE_VEC_F];
  51   bzero(sum, sizeof(sum));
  52
  53   /* Every block of 4x4 pixels */
  54   byte *row_start = image->pixels;
  55   for (uns block_y = 0; block_y < data->rows; block_y++, row_start += image->row_size * 4)
  56     {
  57       byte *p = row_start;
  58       for (uns block_x = 0; block_x < data->cols; block_x++, p += 12, block++)
  59         {
  60           int t[16], s[16], *tp = t;
  61           block->x = block_x;
  62           block->y = block_y;
  63
  64           /* Convert pixels to Luv color space and compute average coefficients */
  65           uns l_sum = 0, u_sum = 0, v_sum = 0;
  66           byte *p2 = p;
  67           if (block_x < data->full_cols && block_y < data->full_rows)
  68             {
  69               for (uns y = 0; y < 4; y++, p2 += image->row_size - 12)
  70                 for (uns x = 0; x < 4; x++, p2 += 3)
  71                   {
  72                     byte luv[3];
  73                     srgb_to_luv_pixel(luv, p2);
  74                     l_sum += *tp++ = luv[0] / 4;
  75                     u_sum += luv[1];
  76                     v_sum += luv[2];
  77                   }
  78               block->area = 16;
  79               sum[0] += l_sum;
  80               sum[1] += u_sum;
  81               sum[2] += v_sum;
  82               block->v[0] = (l_sum >> 4);
  83               block->v[1] = (u_sum >> 4);
  84               block->v[2] = (v_sum >> 4);
  85             }
  86           /* Incomplete square near the edge */
  87           else
  88             {
  89               uns x, y;
  90               uns square_cols = (block_x < data->full_cols) ? 4 : image->cols & 3;
  91               uns square_rows = (block_y < data->full_rows) ? 4 : image->rows & 3;
  92               for (y = 0; y < square_rows; y++, p2 += image->row_size)
  93                 {
  94                   byte *p3 = p2;
  95                   for (x = 0; x < square_cols; x++, p3 += 3)
  96                     {
  97                       byte luv[3];
  98                       srgb_to_luv_pixel(luv, p3);
  99                       l_sum += *tp++ = luv[0] / 4;
 100                       u_sum += luv[1];
 101                       v_sum += luv[2];
 102                     }
 103                   for (; x < 4; x++)
 104                     {
 105                       *tp = tp[-square_cols];
 106                       tp++;
 107                     }
 108                 }
 109               for (; y < 4; y++)
 110                 for (x = 0; x < 4; x++)
 111                   {
 112                     *tp = tp[-square_rows * 4];
 113                     tp++;
 114                   }
 115               block->area = square_cols * square_rows;
 116               uns inv = 0x10000 / block->area;
 117               sum[0] += l_sum;
 118               sum[1] += u_sum;
 119               sum[2] += v_sum;
 120               block->v[0] = (l_sum * inv) >> 16;
 121               block->v[1] = (u_sum * inv) >> 16;
 122               block->v[2] = (v_sum * inv) >> 16;
 123             }
 124
 125           /* Apply Daubechies wavelet transformation */
 126
 127 #         define DAUB_0 31651   /* (1 + sqrt 3) / (4 * sqrt 2) * 0x10000 */
 128 #         define DAUB_1 54822   /* (3 + sqrt 3) / (4 * sqrt 2) * 0x10000 */
 129 #         define DAUB_2 14689   /* (3 - sqrt 3) / (4 * sqrt 2) * 0x10000 */
 130 #         define DAUB_3 -8481   /* (1 - sqrt 3) / (4 * sqrt 2) * 0x10000 */
 131
 132           /* ... to the rows */
 133           uns i;
 134           for (i = 0; i < 16; i += 4)
 135             {
 136               s[i + 0] = (DAUB_0 * t[i + 2] + DAUB_1 * t[i + 3] + DAUB_2 * t[i + 0] + DAUB_3 * t[i + 1]) / 0x10000;
 137               s[i + 1] = (DAUB_0 * t[i + 0] + DAUB_1 * t[i + 1] + DAUB_2 * t[i + 2] + DAUB_3 * t[i + 3]) / 0x10000;
 138               s[i + 2] = (DAUB_3 * t[i + 2] - DAUB_2 * t[i + 3] + DAUB_1 * t[i + 0] - DAUB_0 * t[i + 1]) / 0x10000;
 139               s[i + 3] = (DAUB_3 * t[i + 0] - DAUB_2 * t[i + 1] + DAUB_1 * t[i + 2] - DAUB_0 * t[i + 3]) / 0x10000;
 140             }
 141
 142           /* ... and to the columns... skip LL band */
 143           for (i = 0; i < 2; i++)
 144             {
 145               t[i + 8] = (DAUB_3 * s[i + 8] - DAUB_2 * s[i +12] + DAUB_1 * s[i + 0] - DAUB_0 * s[i + 4]) / 0x10000;
 146               t[i +12] = (DAUB_3 * s[i + 0] - DAUB_2 * s[i + 4] + DAUB_1 * s[i + 8] - DAUB_0 * s[i +12]) / 0x10000;
 147             }
 148           for (; i < 4; i++)
 149             {
 150               t[i + 0] = (DAUB_0 * s[i + 8] + DAUB_1 * s[i +12] + DAUB_2 * s[i + 0] + DAUB_3 * s[i + 4]) / 0x10000;
 151               t[i + 4] = (DAUB_0 * s[i + 0] + DAUB_1 * s[i + 4] + DAUB_2 * s[i + 8] + DAUB_3 * s[i +12]) / 0x10000;
 152               t[i + 8] = (DAUB_3 * s[i + 8] - DAUB_2 * s[i +12] + DAUB_1 * s[i + 0] - DAUB_0 * s[i + 4]) / 0x10000;
 153               t[i +12] = (DAUB_3 * s[i + 0] - DAUB_2 * s[i + 4] + DAUB_1 * s[i + 8] - DAUB_0 * s[i +12]) / 0x10000;
 154             }
 155
 156           /* Extract energies in LH, HL and HH bands */
 157           block->v[3] = fast_sqrt_u16(isqr(t[8]) + isqr(t[9]) + isqr(t[12]) + isqr(t[13]));
 158           block->v[4] = fast_sqrt_u16(isqr(t[2]) + isqr(t[3]) + isqr(t[6]) + isqr(t[7]));
 159           block->v[5] = fast_sqrt_u16(isqr(t[10]) + isqr(t[11]) + isqr(t[14]) + isqr(t[15]));
 160           sum[3] += block->v[3] * block->area;
 161           sum[4] += block->v[4] * block->area;
 162           sum[5] += block->v[5] * block->area;
 163         }
 164     }
 165
 166   /* Compute featrures average */
 167   uns inv = 0xffffffffU / data->area;
 168   for (uns i = 0; i < IMAGE_VEC_F; i++)
 169     data->f[i] = ((u64)sum[i] * inv) >> 32;
 170
 171   if (image->cols < image_sig_min_width || image->rows < image_sig_min_height)
 172     {
 173       data->valid = 0;
 174       data->regions_count = 0;
 175     }
 176   else
 177     data->valid = 1;
 178 }
 179
 180 static double image_sig_inertia_scale[3] = { 3, 1, 0.3 };
 181
 182 void
 183 image_sig_finish(struct image_sig_data *data, struct image_signature *sig)
 184 {
 185   for (uns i = 0; i < IMAGE_VEC_F; i++)
 186     sig->vec.f[i] = data->f[i];
 187   sig->len = data->regions_count;
 188   if (!sig->len)
 189     return;
 190
 191   /* For each region */
 192   u64 w_total = 0;
 193   uns w_border = (MIN(data->cols, data->rows) + 3) / 4;
 194   uns w_mul = 127 * 256 / w_border;
 195   for (uns i = 0; i < sig->len; i++)
 196     {
 197       struct image_sig_region *r = data->regions + i;
 198       DBG("Processing region %u: count=%u", i, r->count);
 199       ASSERT(r->count);
 200
 201       /* Copy texture properties */
 202       sig->reg[i].f[0] = r->a[0];
 203       sig->reg[i].f[1] = r->a[1];
 204       sig->reg[i].f[2] = r->a[2];
 205       sig->reg[i].f[3] = r->a[3];
 206       sig->reg[i].f[4] = r->a[4];
 207       sig->reg[i].f[5] = r->a[5];
 208
 209       /* Compute coordinates centroid and region weight */
 210       u64 x_avg = 0, y_avg = 0, w_sum = 0;
 211       for (struct image_sig_block *b = r->blocks; b; b = b->next)
 212         {
 213           x_avg += b->x;
 214           y_avg += b->y;
 215           uns d = b->x;
 216           d = MIN(d, b->y);
 217           d = MIN(d, data->cols - b->x - 1);
 218           d = MIN(d, data->rows - b->y - 1);
 219           if (d >= w_border)
 220             w_sum += 128;
 221           else
 222             w_sum += 128 + (d - w_border) * w_mul / 256;
 223         }
 224       w_total += w_sum;
 225       r->w_sum = w_sum;
 226       x_avg /= r->count;
 227       y_avg /= r->count;
 228       DBG("  centroid=(%u %u)", (uns)x_avg, (uns)y_avg);
 229
 230       /* Compute normalized inertia */
 231       u64 sum1 = 0, sum2 = 0, sum3 = 0;
 232       for (struct image_sig_block *b = r->blocks; b; b = b->next)
 233         {
 234           uns inc2 = isqr(x_avg - b->x) + isqr(y_avg - b->y);
 235           uns inc1 = sqrt(inc2);
 236           sum1 += inc1;
 237           sum2 += inc2;
 238           sum3 += inc1 * inc2;
 239         }
 240       sig->reg[i].h[0] = CLAMP(image_sig_inertia_scale[0] * sum1 * ((3 * M_PI * M_PI) / 2) * pow(r->count, -1.5), 0, 65535);
 241       sig->reg[i].h[1] = CLAMP(image_sig_inertia_scale[1] * sum2 * ((4 * M_PI * M_PI * M_PI) / 2) / ((u64)r->count * r->count), 0, 65535);
 242       sig->reg[i].h[2] = CLAMP(image_sig_inertia_scale[2] * sum3 * ((5 * M_PI * M_PI * M_PI * M_PI) / 2) * pow(r->count, -2.5), 0, 65535);
 243
 244     }
 245
 246   /* Compute average differences */
 247   u64 df = 0, dh = 0;
 248
 249   if (sig->len < 2)
 250     {
 251       sig->df = 1;
 252       sig->dh = 1;
 253     }
 254   else
 255     {
 256       uns cnt = 0;
 257       for (uns i = 0; i < sig->len; i++)
 258         for (uns j = i + 1; j < sig->len; j++)
 259           {
 260             uns d = 0;
 261             for (uns k = 0; k < IMAGE_REG_F; k++)
 262               d += isqr(sig->reg[i].f[k] - sig->reg[j].f[k]);
 263             df += sqrt(d);
 264             d = 0;
 265             for (uns k = 0; k < IMAGE_REG_H; k++)
 266               d += isqr(sig->reg[i].h[k] - sig->reg[j].h[k]);
 267             dh += sqrt(d);
 268             cnt++;
 269           }
 270       sig->df = CLAMP(df / cnt, 1, 255);
 271       sig->dh = CLAMP(dh / cnt, 1, 65535);
 272     }
 273   DBG("Average regions difs: df=%u dh=%u", sig->df, sig->dh);
 274
 275   /* Compute normalized weights */
 276   uns wa = 128, wb = 128;
 277   for (uns i = sig->len; --i > 0; )
 278     {
 279       struct image_sig_region *r = data->regions + i;
 280       wa -= sig->reg[i].wa = CLAMP(r->count * 128 / data->blocks_count, 1, (int)(wa - i));
 281       wb -= sig->reg[i].wb = CLAMP(r->w_sum * 128 / w_total, 1, (int)(wa - i));
 282     }
 283   sig->reg[0].wa = wa;
 284   sig->reg[0].wb = wb;
 285
 286   /* Dump regions features */
 287 #ifdef LOCAL_DEBUG
 288   for (uns i = 0; i < sig->len; i++)
 289     {
 290       byte buf[IMAGE_REGION_DUMP_MAX];
 291       image_region_dump(buf, sig->reg + i);
 292       DBG("region %u: features=%s", i, buf);
 293     }
 294 #endif
 295 }
 296
 297 void
 298 image_sig_cleanup(struct image_sig_data *data)
 299 {
 300   xfree(data->blocks);
 301 }
 302
 303 int
 304 compute_image_signature(struct image_thread *thread, struct image_signature *sig, struct image *image)
 305 {
 306   struct image_sig_data data;
 307   if (!image_sig_init(thread, &data, image))
 308     return 0;
 309   image_sig_preprocess(&data);
 310   if (data.valid)
 311     image_sig_segmentation(&data);
 312   image_sig_finish(&data, sig);
 313   image_sig_cleanup(&data);
 314   return 1;
 315 }