src/third_party/ffmpeg/libavfilter/vf_edgedetect.c

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2012-2014 Clément Bœsch <u pkh me>
   3  *
   4  * This file is part of FFmpeg.
   5  *
   6  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
   7  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   8  * License as published by the Free Software Foundation; either
   9  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  10  *
  11  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  14  * Lesser General Public License for more details.
  15  *
  16  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  17  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  18  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  19  */
  20
  21 /**
  22  * @file
  23  * Edge detection filter
  24  *
  25  * @see https://en.wikipedia.org/wiki/Canny_edge_detector
  26  */
  27
  28 #include "libavutil/avassert.h"
  29 #include "libavutil/opt.h"
  30 #include "avfilter.h"
  31 #include "formats.h"
  32 #include "internal.h"
  33 #include "video.h"
  34
  35 enum FilterMode {
  36     MODE_WIRES,
  37     MODE_COLORMIX,
  38     NB_MODE
  39 };
  40
  41 struct plane_info {
  42     uint8_t  *tmpbuf;
  43     uint16_t *gradients;
  44     char     *directions;
  45 };
  46
  47 typedef struct {
  48     const AVClass *class;
  49     struct plane_info planes[3];
  50     int nb_planes;
  51     double   low, high;
  52     uint8_t  low_u8, high_u8;
  53     enum FilterMode mode;
  54 } EdgeDetectContext;
  55
  56 #define OFFSET(x) offsetof(EdgeDetectContext, x)
  57 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
  58 static const AVOption edgedetect_options[] = {
  59     { "high", "set high threshold", OFFSET(high), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=50/255.}, 0, 1, FLAGS },
  60     { "low",  "set low threshold",  OFFSET(low),  AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=20/255.}, 0, 1, FLAGS },
  61     { "mode", "set mode", OFFSET(mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=MODE_WIRES}, 0, NB_MODE-1, FLAGS, "mode" },
  62         { "wires",    "white/gray wires on black",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=MODE_WIRES},    INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "mode" },
  63         { "colormix", "mix colors",                 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=MODE_COLORMIX}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "mode" },
  64     { NULL }
  65 };
  66
  67 AVFILTER_DEFINE_CLASS(edgedetect);
  68
  69 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx)
  70 {
  71     EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
  72
  73     edgedetect->low_u8  = edgedetect->low  * 255. + .5;
  74     edgedetect->high_u8 = edgedetect->high * 255. + .5;
  75     return 0;
  76 }
  77
  78 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
  79 {
  80     const EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
  81
  82     if (edgedetect->mode == MODE_WIRES) {
  83         static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {AV_PIX_FMT_GRAY8, AV_PIX_FMT_NONE};
  84         ff_set_common_formats(ctx, ff_make_format_list(pix_fmts));
  85     } else if (edgedetect->mode == MODE_COLORMIX) {
  86         static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {AV_PIX_FMT_GBRP, AV_PIX_FMT_GRAY8, AV_PIX_FMT_NONE};
  87         ff_set_common_formats(ctx, ff_make_format_list(pix_fmts));
  88     } else {
  89         av_assert0(0);
  90     }
  91     return 0;
  92 }
  93
  94 static int config_props(AVFilterLink *inlink)
  95 {
  96     int p;
  97     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
  98     EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
  99
 100     edgedetect->nb_planes = inlink->format == AV_PIX_FMT_GRAY8 ? 1 : 3;
 101     for (p = 0; p < edgedetect->nb_planes; p++) {
 102         struct plane_info *plane = &edgedetect->planes[p];
 103
 104         plane->tmpbuf     = av_malloc(inlink->w * inlink->h);
 105         plane->gradients  = av_calloc(inlink->w * inlink->h, sizeof(*plane->gradients));
 106         plane->directions = av_malloc(inlink->w * inlink->h);
 107         if (!plane->tmpbuf || !plane->gradients || !plane->directions)
 108             return AVERROR(ENOMEM);
 109     }
 110     return 0;
 111 }
 112
 113 static void gaussian_blur(AVFilterContext *ctx, int w, int h,
 114                                 uint8_t *dst, int dst_linesize,
 115                           const uint8_t *src, int src_linesize)
 116 {
 117     int i, j;
 118
 119     memcpy(dst, src, w); dst += dst_linesize; src += src_linesize;
 120     memcpy(dst, src, w); dst += dst_linesize; src += src_linesize;
 121     for (j = 2; j < h - 2; j++) {
 122         dst[0] = src[0];
 123         dst[1] = src[1];
 124         for (i = 2; i < w - 2; i++) {
 125             /* Gaussian mask of size 5x5 with sigma = 1.4 */
 126             dst[i] = ((src[-2*src_linesize + i-2] + src[2*src_linesize + i-2]) * 2
 127                     + (src[-2*src_linesize + i-1] + src[2*src_linesize + i-1]) * 4
 128                     + (src[-2*src_linesize + i  ] + src[2*src_linesize + i  ]) * 5
 129                     + (src[-2*src_linesize + i+1] + src[2*src_linesize + i+1]) * 4
 130                     + (src[-2*src_linesize + i+2] + src[2*src_linesize + i+2]) * 2
 131
 132                     + (src[  -src_linesize + i-2] + src[  src_linesize + i-2]) *  4
 133                     + (src[  -src_linesize + i-1] + src[  src_linesize + i-1]) *  9
 134                     + (src[  -src_linesize + i  ] + src[  src_linesize + i  ]) * 12
 135                     + (src[  -src_linesize + i+1] + src[  src_linesize + i+1]) *  9
 136                     + (src[  -src_linesize + i+2] + src[  src_linesize + i+2]) *  4
 137
 138                     + src[i-2] *  5
 139                     + src[i-1] * 12
 140                     + src[i  ] * 15
 141                     + src[i+1] * 12
 142                     + src[i+2] *  5) / 159;
 143         }
 144         dst[i    ] = src[i    ];
 145         dst[i + 1] = src[i + 1];
 146
 147         dst += dst_linesize;
 148         src += src_linesize;
 149     }
 150     memcpy(dst, src, w); dst += dst_linesize; src += src_linesize;
 151     memcpy(dst, src, w);
 152 }
 153
 154 enum {
 155     DIRECTION_45UP,
 156     DIRECTION_45DOWN,
 157     DIRECTION_HORIZONTAL,
 158     DIRECTION_VERTICAL,
 159 };
 160
 161 static int get_rounded_direction(int gx, int gy)
 162 {
 163     /* reference angles:
 164      *   tan( pi/8) = sqrt(2)-1
 165      *   tan(3pi/8) = sqrt(2)+1
 166      * Gy/Gx is the tangent of the angle (theta), so Gy/Gx is compared against
 167      * <ref-angle>, or more simply Gy against <ref-angle>*Gx
 168      *
 169      * Gx and Gy bounds = [-1020;1020], using 16-bit arithmetic:
 170      *   round((sqrt(2)-1) * (1<<16)) =  27146
 171      *   round((sqrt(2)+1) * (1<<16)) = 158218
 172      */
 173     if (gx) {
 174         int tanpi8gx, tan3pi8gx;
 175
 176         if (gx < 0)
 177             gx = -gx, gy = -gy;
 178         gy <<= 16;
 179         tanpi8gx  =  27146 * gx;
 180         tan3pi8gx = 158218 * gx;
 181         if (gy > -tan3pi8gx && gy < -tanpi8gx)  return DIRECTION_45UP;
 182         if (gy > -tanpi8gx  && gy <  tanpi8gx)  return DIRECTION_HORIZONTAL;
 183         if (gy >  tanpi8gx  && gy <  tan3pi8gx) return DIRECTION_45DOWN;
 184     }
 185     return DIRECTION_VERTICAL;
 186 }
 187
 188 static void sobel(int w, int h,
 189                        uint16_t *dst, int dst_linesize,
 190                          int8_t *dir, int dir_linesize,
 191                   const uint8_t *src, int src_linesize)
 192 {
 193     int i, j;
 194
 195     for (j = 1; j < h - 1; j++) {
 196         dst += dst_linesize;
 197         dir += dir_linesize;
 198         src += src_linesize;
 199         for (i = 1; i < w - 1; i++) {
 200             const int gx =
 201                 -1*src[-src_linesize + i-1] + 1*src[-src_linesize + i+1]
 202                 -2*src[                i-1] + 2*src[                i+1]
 203                 -1*src[ src_linesize + i-1] + 1*src[ src_linesize + i+1];
 204             const int gy =
 205                 -1*src[-src_linesize + i-1] + 1*src[ src_linesize + i-1]
 206                 -2*src[-src_linesize + i  ] + 2*src[ src_linesize + i  ]
 207                 -1*src[-src_linesize + i+1] + 1*src[ src_linesize + i+1];
 208
 209             dst[i] = FFABS(gx) + FFABS(gy);
 210             dir[i] = get_rounded_direction(gx, gy);
 211         }
 212     }
 213 }
 214
 215 static void non_maximum_suppression(int w, int h,
 216                                           uint8_t  *dst, int dst_linesize,
 217                                     const  int8_t  *dir, int dir_linesize,
 218                                     const uint16_t *src, int src_linesize)
 219 {
 220     int i, j;
 221
 222 #define COPY_MAXIMA(ay, ax, by, bx) do {                \
 223     if (src[i] > src[(ay)*src_linesize + i+(ax)] &&     \
 224         src[i] > src[(by)*src_linesize + i+(bx)])       \
 225         dst[i] = av_clip_uint8(src[i]);                 \
 226 } while (0)
 227
 228     for (j = 1; j < h - 1; j++) {
 229         dst += dst_linesize;
 230         dir += dir_linesize;
 231         src += src_linesize;
 232         for (i = 1; i < w - 1; i++) {
 233             switch (dir[i]) {
 234             case DIRECTION_45UP:        COPY_MAXIMA( 1, -1, -1,  1); break;
 235             case DIRECTION_45DOWN:      COPY_MAXIMA(-1, -1,  1,  1); break;
 236             case DIRECTION_HORIZONTAL:  COPY_MAXIMA( 0, -1,  0,  1); break;
 237             case DIRECTION_VERTICAL:    COPY_MAXIMA(-1,  0,  1,  0); break;
 238             }
 239         }
 240     }
 241 }
 242
 243 static void double_threshold(int low, int high, int w, int h,
 244                                    uint8_t *dst, int dst_linesize,
 245                              const uint8_t *src, int src_linesize)
 246 {
 247     int i, j;
 248
 249     for (j = 0; j < h; j++) {
 250         for (i = 0; i < w; i++) {
 251             if (src[i] > high) {
 252                 dst[i] = src[i];
 253                 continue;
 254             }
 255
 256             if ((!i || i == w - 1 || !j || j == h - 1) &&
 257                 src[i] > low &&
 258                 (src[-src_linesize + i-1] > high ||
 259                  src[-src_linesize + i  ] > high ||
 260                  src[-src_linesize + i+1] > high ||
 261                  src[                i-1] > high ||
 262                  src[                i+1] > high ||
 263                  src[ src_linesize + i-1] > high ||
 264                  src[ src_linesize + i  ] > high ||
 265                  src[ src_linesize + i+1] > high))
 266                 dst[i] = src[i];
 267             else
 268                 dst[i] = 0;
 269         }
 270         dst += dst_linesize;
 271         src += src_linesize;
 272     }
 273 }
 274
 275 static void color_mix(int w, int h,
 276                             uint8_t *dst, int dst_linesize,
 277                       const uint8_t *src, int src_linesize)
 278 {
 279     int i, j;
 280
 281     for (j = 0; j < h; j++) {
 282         for (i = 0; i < w; i++)
 283             dst[i] = (dst[i] + src[i]) >> 1;
 284         dst += dst_linesize;
 285         src += src_linesize;
 286     }
 287 }
 288
 289 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
 290 {
 291     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 292     EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
 293     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 294     int p, direct = 0;
 295     AVFrame *out;
 296
 297     if (edgedetect->mode != MODE_COLORMIX && av_frame_is_writable(in)) {
 298         direct = 1;
 299         out = in;
 300     } else {
 301         out = ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
 302         if (!out) {
 303             av_frame_free(&in);
 304             return AVERROR(ENOMEM);
 305         }
 306         av_frame_copy_props(out, in);
 307     }
 308
 309     for (p = 0; p < edgedetect->nb_planes; p++) {
 310         struct plane_info *plane = &edgedetect->planes[p];
 311         uint8_t  *tmpbuf     = plane->tmpbuf;
 312         uint16_t *gradients  = plane->gradients;
 313         int8_t   *directions = plane->directions;
 314
 315         /* gaussian filter to reduce noise  */
 316         gaussian_blur(ctx, inlink->w, inlink->h,
 317                       tmpbuf,      inlink->w,
 318                       in->data[p], in->linesize[p]);
 319
 320         /* compute the 16-bits gradients and directions for the next step */
 321         sobel(inlink->w, inlink->h,
 322               gradients, inlink->w,
 323               directions,inlink->w,
 324               tmpbuf,    inlink->w);
 325
 326         /* non_maximum_suppression() will actually keep & clip what's necessary and
 327          * ignore the rest, so we need a clean output buffer */
 328         memset(tmpbuf, 0, inlink->w * inlink->h);
 329         non_maximum_suppression(inlink->w, inlink->h,
 330                                 tmpbuf,    inlink->w,
 331                                 directions,inlink->w,
 332                                 gradients, inlink->w);
 333
 334         /* keep high values, or low values surrounded by high values */
 335         double_threshold(edgedetect->low_u8, edgedetect->high_u8,
 336                          inlink->w, inlink->h,
 337                          out->data[p], out->linesize[p],
 338                          tmpbuf,       inlink->w);
 339
 340         if (edgedetect->mode == MODE_COLORMIX) {
 341             color_mix(inlink->w, inlink->h,
 342                       out->data[p], out->linesize[p],
 343                       in->data[p], in->linesize[p]);
 344         }
 345     }
 346
 347     if (!direct)
 348         av_frame_free(&in);
 349     return ff_filter_frame(outlink, out);
 350 }
 351
 352 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 353 {
 354     int p;
 355     EdgeDetectContext *edgedetect = ctx->priv;
 356
 357     for (p = 0; p < edgedetect->nb_planes; p++) {
 358         struct plane_info *plane = &edgedetect->planes[p];
 359         av_freep(&plane->tmpbuf);
 360         av_freep(&plane->gradients);
 361         av_freep(&plane->directions);
 362     }
 363 }
 364
 365 static const AVFilterPad edgedetect_inputs[] = {
 366     {
 367         .name         = "default",
 368         .type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 369         .config_props = config_props,
 370         .filter_frame = filter_frame,
 371      },
 372      { NULL }
 373 };
 374
 375 static const AVFilterPad edgedetect_outputs[] = {
 376      {
 377          .name = "default",
 378          .type = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 379      },
 380      { NULL }
 381 };
 382
 383 AVFilter ff_vf_edgedetect = {
 384     .name          = "edgedetect",
 385     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Detect and draw edge."),
 386     .priv_size     = sizeof(EdgeDetectContext),
 387     .init          = init,
 388     .uninit        = uninit,
 389     .query_formats = query_formats,
 390     .inputs        = edgedetect_inputs,
 391     .outputs       = edgedetect_outputs,
 392     .priv_class    = &edgedetect_class,
 393     .flags         = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_GENERIC,
 394 };