avfilter.h, buffer.c: use const src pointer in avfilter_copy_buffer_ref_props
[ffmpeg.git] / libavfilter / vf_colormatrix.c
1 /*
2  * ColorMatrix v2.2 for Avisynth 2.5.x
3  *
4  * Copyright (C) 2006-2007 Kevin Stone
5  *
6  * ColorMatrix 1.x is Copyright (C) Wilbert Dijkhof
7  *
8  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify it
9  * under the terms of the GNU General Public License as published by the
10  * Free Software Foundation; either version 2 of the License, or (at your
11  * option) any later version.
12  *
13  * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
14  * OUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY
15  * or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public
16  * License for more details.
17  *
18  * You should have received a copy of the GNU General Public License
19  * along with this program; if not, write to the Free Software Foundation,
20  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
21  */
22
23 /**
24  * @file
25  * ColorMatrix 2.0 is based on the original ColorMatrix filter by Wilbert
26  * Dijkhof.  It adds the ability to convert between any of: Rec.709, FCC,
27  * Rec.601, and SMPTE 240M. It also makes pre and post clipping optional,
28  * adds an option to use scaled or non-scaled coefficients, and more...
29  */
30
31 #include <float.h>
32 #include "avfilter.h"
33 #include "formats.h"
34 #include "internal.h"
35 #include "video.h"
36 #include "libavutil/opt.h"
37 #include "libavutil/pixdesc.h"
38 #include "libavutil/avstring.h"
39
40 #define NS(n) n < 0 ? (int)(n*65536.0-0.5+DBL_EPSILON) : (int)(n*65536.0+0.5)
41 #define CB(n) av_clip_uint8(n)
42
43 static const double yuv_coeff[4][3][3] = {
44     { { +0.7152, +0.0722, +0.2126 }, // Rec.709 (0)
45       { -0.3850, +0.5000, -0.1150 },
46       { -0.4540, -0.0460, +0.5000 } },
47     { { +0.5900, +0.1100, +0.3000 }, // FCC (1)
48       { -0.3310, +0.5000, -0.1690 },
49       { -0.4210, -0.0790, +0.5000 } },
50     { { +0.5870, +0.1140, +0.2990 }, // Rec.601 (ITU-R BT.470-2/SMPTE 170M) (2)
51       { -0.3313, +0.5000, -0.1687 },
52       { -0.4187, -0.0813, +0.5000 } },
53     { { +0.7010, +0.0870, +0.2120 }, // SMPTE 240M (3)
54       { -0.3840, +0.5000, -0.1160 },
55       { -0.4450, -0.0550, +0.5000 } },
56 };
57
58 enum ColorMode {
59     COLOR_MODE_NONE = -1,
60     COLOR_MODE_BT709,
61     COLOR_MODE_FCC,
62     COLOR_MODE_BT601,
63     COLOR_MODE_SMPTE240M,
64     COLOR_MODE_COUNT
65 };
66
67 typedef struct {
68     const AVClass *class;
69     int yuv_convert[16][3][3];
70     int interlaced;
71     enum ColorMode source, dest;
72     int mode;
73     int hsub, vsub;
74 } ColorMatrixContext;
75
76 #define OFFSET(x) offsetof(ColorMatrixContext, x)
77 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM
78
79 static const AVOption colormatrix_options[] = {
80     { "src", "set source color matrix",      OFFSET(source), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=COLOR_MODE_NONE}, COLOR_MODE_NONE, COLOR_MODE_COUNT-1, .flags=FLAGS, .unit="color_mode" },
81     { "dst", "set destination color matrix", OFFSET(dest),   AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=COLOR_MODE_NONE}, COLOR_MODE_NONE, COLOR_MODE_COUNT-1, .flags=FLAGS, .unit="color_mode" },
82     { "bt709",     "set BT.709 colorspace",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=COLOR_MODE_BT709},       .flags=FLAGS, .unit="color_mode" },
83     { "fcc",       "set FCC colorspace   ",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=COLOR_MODE_FCC},         .flags=FLAGS, .unit="color_mode" },
84     { "bt601",     "set BT.601 colorspace",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=COLOR_MODE_BT601},       .flags=FLAGS, .unit="color_mode" },
85     { "smpte240m", "set SMPTE-240M colorspace",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=COLOR_MODE_SMPTE240M},   .flags=FLAGS, .unit="color_mode" },
86     { NULL }
87 };
88
89 AVFILTER_DEFINE_CLASS(colormatrix);
90
91 #define ma m[0][0]
92 #define mb m[0][1]
93 #define mc m[0][2]
94 #define md m[1][0]
95 #define me m[1][1]
96 #define mf m[1][2]
97 #define mg m[2][0]
98 #define mh m[2][1]
99 #define mi m[2][2]
100
101 #define ima im[0][0]
102 #define imb im[0][1]
103 #define imc im[0][2]
104 #define imd im[1][0]
105 #define ime im[1][1]
106 #define imf im[1][2]
107 #define img im[2][0]
108 #define imh im[2][1]
109 #define imi im[2][2]
110
111 static void inverse3x3(double im[3][3], const double m[3][3])
112 {
113     double det = ma * (me * mi - mf * mh) - mb * (md * mi - mf * mg) + mc * (md * mh - me * mg);
114     det = 1.0 / det;
115     ima = det * (me * mi - mf * mh);
116     imb = det * (mc * mh - mb * mi);
117     imc = det * (mb * mf - mc * me);
118     imd = det * (mf * mg - md * mi);
119     ime = det * (ma * mi - mc * mg);
120     imf = det * (mc * md - ma * mf);
121     img = det * (md * mh - me * mg);
122     imh = det * (mb * mg - ma * mh);
123     imi = det * (ma * me - mb * md);
124 }
125
126 static void solve_coefficients(double cm[3][3], double rgb[3][3], const double yuv[3][3])
127 {
128     int i, j;
129     for (i = 0; i < 3; i++)
130         for (j = 0; j < 3; j++)
131             cm[i][j] = yuv[i][0] * rgb[0][j] + yuv[i][1] * rgb[1][j] + yuv[i][2] * rgb[2][j];
132 }
133
134 static void calc_coefficients(AVFilterContext *ctx)
135 {
136     ColorMatrixContext *color = ctx->priv;
137     double rgb_coeffd[4][3][3];
138     double yuv_convertd[16][3][3];
139     int v = 0;
140     int i, j, k;
141
142     for (i = 0; i < 4; i++)
143         inverse3x3(rgb_coeffd[i], yuv_coeff[i]);
144     for (i = 0; i < 4; i++) {
145         for (j = 0; j < 4; j++) {
146             solve_coefficients(yuv_convertd[v], rgb_coeffd[i], yuv_coeff[j]);
147             for (k = 0; k < 3; k++) {
148                 color->yuv_convert[v][k][0] = NS(yuv_convertd[v][k][0]);
149                 color->yuv_convert[v][k][1] = NS(yuv_convertd[v][k][1]);
150                 color->yuv_convert[v][k][2] = NS(yuv_convertd[v][k][2]);
151             }
152             if (color->yuv_convert[v][0][0] != 65536 || color->yuv_convert[v][1][0] != 0 ||
153                 color->yuv_convert[v][2][0] != 0) {
154                 av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "error calculating conversion coefficients\n");
155             }
156             v++;
157         }
158     }
159 }
160
161 static const char *color_modes[] = {"bt709", "fcc", "bt601", "smpte240m"};
162
163 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx)
164 {
165     ColorMatrixContext *color = ctx->priv;
166
167     if (color->dest == COLOR_MODE_NONE) {
168         av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Unspecified destination color space\n");
169         return AVERROR(EINVAL);
170     }
171
172     if (color->source == color->dest) {
173         av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Source and destination color space must not be identical\n");
174         return AVERROR(EINVAL);
175     }
176
177     return 0;
178 }
179
180 static void process_frame_uyvy422(ColorMatrixContext *color,
181                                   AVFrame *dst, AVFrame *src)
182 {
183     const unsigned char *srcp = src->data[0];
184     const int src_pitch = src->linesize[0];
185     const int height = src->height;
186     const int width = src->width*2;
187     unsigned char *dstp = dst->data[0];
188     const int dst_pitch = dst->linesize[0];
189     const int c2 = color->yuv_convert[color->mode][0][1];
190     const int c3 = color->yuv_convert[color->mode][0][2];
191     const int c4 = color->yuv_convert[color->mode][1][1];
192     const int c5 = color->yuv_convert[color->mode][1][2];
193     const int c6 = color->yuv_convert[color->mode][2][1];
194     const int c7 = color->yuv_convert[color->mode][2][2];
195     int x, y;
196
197     for (y = 0; y < height; y++) {
198         for (x = 0; x < width; x += 4) {
199             const int u = srcp[x + 0] - 128;
200             const int v = srcp[x + 2] - 128;
201             const int uvval = c2 * u + c3 * v + 1081344;
202             dstp[x + 0] = CB((c4 * u + c5 * v + 8421376) >> 16);
203             dstp[x + 1] = CB((65536 * (srcp[x + 1] - 16) + uvval) >> 16);
204             dstp[x + 2] = CB((c6 * u + c7 * v + 8421376) >> 16);
205             dstp[x + 3] = CB((65536 * (srcp[x + 3] - 16) + uvval) >> 16);
206         }
207         srcp += src_pitch;
208         dstp += dst_pitch;
209     }
210 }
211
212 static void process_frame_yuv422p(ColorMatrixContext *color,
213                                   AVFrame *dst, AVFrame *src)
214 {
215     const unsigned char *srcpU = src->data[1];
216     const unsigned char *srcpV = src->data[2];
217     const unsigned char *srcpY = src->data[0];
218     const int src_pitchY  = src->linesize[0];
219     const int src_pitchUV = src->linesize[1];
220     const int height = src->height;
221     const int width = src->width;
222     unsigned char *dstpU = dst->data[1];
223     unsigned char *dstpV = dst->data[2];
224     unsigned char *dstpY = dst->data[0];
225     const int dst_pitchY  = dst->linesize[0];
226     const int dst_pitchUV = dst->linesize[1];
227     const int c2 = color->yuv_convert[color->mode][0][1];
228     const int c3 = color->yuv_convert[color->mode][0][2];
229     const int c4 = color->yuv_convert[color->mode][1][1];
230     const int c5 = color->yuv_convert[color->mode][1][2];
231     const int c6 = color->yuv_convert[color->mode][2][1];
232     const int c7 = color->yuv_convert[color->mode][2][2];
233     int x, y;
234
235     for (y = 0; y < height; y++) {
236         for (x = 0; x < width; x += 2) {
237             const int u = srcpU[x >> 1] - 128;
238             const int v = srcpV[x >> 1] - 128;
239             const int uvval = c2 * u + c3 * v + 1081344;
240             dstpY[x + 0] = CB((65536 * (srcpY[x + 0] - 16) + uvval) >> 16);
241             dstpY[x + 1] = CB((65536 * (srcpY[x + 1] - 16) + uvval) >> 16);
242             dstpU[x >> 1] = CB((c4 * u + c5 * v + 8421376) >> 16);
243             dstpV[x >> 1] = CB((c6 * u + c7 * v + 8421376) >> 16);
244         }
245         srcpY += src_pitchY;
246         dstpY += dst_pitchY;
247         srcpU += src_pitchUV;
248         srcpV += src_pitchUV;
249         dstpU += dst_pitchUV;
250         dstpV += dst_pitchUV;
251     }
252 }
253
254 static void process_frame_yuv420p(ColorMatrixContext *color,
255                                   AVFrame *dst, AVFrame *src)
256 {
257     const unsigned char *srcpU = src->data[1];
258     const unsigned char *srcpV = src->data[2];
259     const unsigned char *srcpY = src->data[0];
260     const unsigned char *srcpN = src->data[0] + src->linesize[0];
261     const int src_pitchY  = src->linesize[0];
262     const int src_pitchUV = src->linesize[1];
263     const int height = src->height;
264     const int width = src->width;
265     unsigned char *dstpU = dst->data[1];
266     unsigned char *dstpV = dst->data[2];
267     unsigned char *dstpY = dst->data[0];
268     unsigned char *dstpN = dst->data[0] + dst->linesize[0];
269     const int dst_pitchY  = dst->linesize[0];
270     const int dst_pitchUV = dst->linesize[1];
271     const int c2 = color->yuv_convert[color->mode][0][1];
272     const int c3 = color->yuv_convert[color->mode][0][2];
273     const int c4 = color->yuv_convert[color->mode][1][1];
274     const int c5 = color->yuv_convert[color->mode][1][2];
275     const int c6 = color->yuv_convert[color->mode][2][1];
276     const int c7 = color->yuv_convert[color->mode][2][2];
277     int x, y;
278
279     for (y = 0; y < height; y += 2) {
280         for (x = 0; x < width; x += 2) {
281             const int u = srcpU[x >> 1] - 128;
282             const int v = srcpV[x >> 1] - 128;
283             const int uvval = c2 * u + c3 * v + 1081344;
284             dstpY[x + 0] = CB((65536 * (srcpY[x + 0] - 16) + uvval) >> 16);
285             dstpY[x + 1] = CB((65536 * (srcpY[x + 1] - 16) + uvval) >> 16);
286             dstpN[x + 0] = CB((65536 * (srcpN[x + 0] - 16) + uvval) >> 16);
287             dstpN[x + 1] = CB((65536 * (srcpN[x + 1] - 16) + uvval) >> 16);
288             dstpU[x >> 1] = CB((c4 * u + c5 * v + 8421376) >> 16);
289             dstpV[x >> 1] = CB((c6 * u + c7 * v + 8421376) >> 16);
290         }
291         srcpY += src_pitchY << 1;
292         dstpY += dst_pitchY << 1;
293         srcpN += src_pitchY << 1;
294         dstpN += dst_pitchY << 1;
295         srcpU += src_pitchUV;
296         srcpV += src_pitchUV;
297         dstpU += dst_pitchUV;
298         dstpV += dst_pitchUV;
299     }
300 }
301
302 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
303 {
304     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
305     ColorMatrixContext *color = ctx->priv;
306     const AVPixFmtDescriptor *pix_desc = av_pix_fmt_desc_get(inlink->format);
307
308     color->hsub = pix_desc->log2_chroma_w;
309     color->vsub = pix_desc->log2_chroma_h;
310
311     av_log(ctx, AV_LOG_VERBOSE, "%s -> %s\n",
312            color_modes[color->source], color_modes[color->dest]);
313
314     return 0;
315 }
316
317 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
318 {
319     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {
320         AV_PIX_FMT_YUV422P,
321         AV_PIX_FMT_YUV420P,
322         AV_PIX_FMT_UYVY422,
323         AV_PIX_FMT_NONE
324     };
325
326     ff_set_common_formats(ctx, ff_make_format_list(pix_fmts));
327
328     return 0;
329 }
330
331 static int filter_frame(AVFilterLink *link, AVFrame *in)
332 {
333     AVFilterContext *ctx = link->dst;
334     ColorMatrixContext *color = ctx->priv;
335     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
336     AVFrame *out;
337
338     out = ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
339     if (!out) {
340         av_frame_free(&in);
341         return AVERROR(ENOMEM);
342     }
343     av_frame_copy_props(out, in);
344
345     if (color->source == COLOR_MODE_NONE) {
346         enum AVColorSpace cs = av_frame_get_colorspace(in);
347         enum ColorMode source;
348
349         switch(cs) {
350         case AVCOL_SPC_BT709     : source = COLOR_MODE_BT709     ; break;
351         case AVCOL_SPC_FCC       : source = COLOR_MODE_FCC       ; break;
352         case AVCOL_SPC_SMPTE240M : source = COLOR_MODE_SMPTE240M ; break;
353         case AVCOL_SPC_BT470BG   : source = COLOR_MODE_BT601     ; break;
354         default :
355             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Input frame does not specify a supported colorspace, and none has been specified as source either\n");
356             return AVERROR(EINVAL);
357         }
358         color->mode = source * 4 + color->dest;
359     } else
360         color->mode = color->source * 4 + color->dest;
361
362     switch(color->dest) {
363     case COLOR_MODE_BT709    : av_frame_set_colorspace(out, AVCOL_SPC_BT709)    ; break;
364     case COLOR_MODE_FCC      : av_frame_set_colorspace(out, AVCOL_SPC_FCC)      ; break;
365     case COLOR_MODE_SMPTE240M: av_frame_set_colorspace(out, AVCOL_SPC_SMPTE240M); break;
366     case COLOR_MODE_BT601    : av_frame_set_colorspace(out, AVCOL_SPC_BT470BG)  ; break;
367     }
368
369     calc_coefficients(ctx);
370
371     if (in->format == AV_PIX_FMT_YUV422P)
372         process_frame_yuv422p(color, out, in);
373     else if (in->format == AV_PIX_FMT_YUV420P)
374         process_frame_yuv420p(color, out, in);
375     else
376         process_frame_uyvy422(color, out, in);
377
378     av_frame_free(&in);
379     return ff_filter_frame(outlink, out);
380 }
381
382 static const AVFilterPad colormatrix_inputs[] = {
383     {
384         .name         = "default",
385         .type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
386         .config_props = config_input,
387         .filter_frame = filter_frame,
388     },
389     { NULL }
390 };
391
392 static const AVFilterPad colormatrix_outputs[] = {
393     {
394         .name = "default",
395         .type = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
396     },
397     { NULL }
398 };
399
400 AVFilter ff_vf_colormatrix = {
401     .name          = "colormatrix",
402     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Convert color matrix."),
403     .priv_size     = sizeof(ColorMatrixContext),
404     .init          = init,
405     .query_formats = query_formats,
406     .inputs        = colormatrix_inputs,
407     .outputs       = colormatrix_outputs,
408     .priv_class    = &colormatrix_class,
409     .flags         = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_GENERIC,
410 };