RGB 到 YCbCr 使用 SIMD 向量丢失一些数据

Posted 2023-02-16

【中文标题】RGB 到 YCbCr 使用 SIMD 向量丢失一些数据

【英文标题】：RGB to YCbCr using SIMD vectors lose some data

【发布时间】：2015-01-21 23:47:03

【问题描述】：

我正在用 Rust 编写 JPEG 解码器/编码器，我在 RGB ↔ YCbCr 转换方面遇到了一些问题。

我的代码：

use std::simd::f32x4;

fn clamp<T>(val: T, min: T, max: T) -> T
where T: PartialOrd 
    if val < min  min 
    else if max < val  max 
    else  val 


// in oryginal code there are 2 methods, one for processors with SSE3 and for rest
// both do the same and give the same results
pub fn sum_f32x4(f32x4(a, b, c, d): f32x4) -> f32 
    a + b + c + d


pub fn rgb_to_ycbcr(r: u8, g: u8, b: u8) -> (u8, u8, u8) 
    let rgb = f32x4(r as f32, g as f32, b as f32, 1.0);
    let y  = sum_f32x4(rgb * f32x4( 0.2990,  0.5870,  0.1140,   0.0));
    let cb = sum_f32x4(rgb * f32x4(-0.1687, -0.3313,  0.5000, 128.0));
    let cr = sum_f32x4(rgb * f32x4( 0.5000, -0.4187, -0.0813, 128.0));

    (y as u8, cb as u8, cr as u8)


pub fn ycbcr_to_rgb(y: u8, cb: u8, cr: u8) -> (u8, u8, u8) 
    let ycbcr = f32x4(y as f32, cb as f32 - 128.0f32, cr as f32 - 128.0f32, 0.0);
    let r = sum_f32x4(ycbcr * f32x4(1.0,  0.00000,  1.40200, 0.0));
    let g = sum_f32x4(ycbcr * f32x4(1.0, -0.34414, -0.71414, 0.0));
    let b = sum_f32x4(ycbcr * f32x4(1.0,  1.77200,  0.00000, 0.0));

    (clamp(r, 0., 255.) as u8, clamp(g, 0., 255.) as u8, clamp(b, 0., 255.) as u8)


fn main() 
    assert_eq!(rgb_to_ycbcr(  0,  71, 171), ( 61, 189,  84));
    // assert_eq!(rgb_to_ycbcr(  0,  71, 169), ( 61, 189,  84)); // will fail
    // for some reason we always lose data on blue channel
    assert_eq!(ycbcr_to_rgb( 61, 189,  84), (  0,  71, 169));

出于某种原因，展位测试（在 cmets 中）通过了。我宁愿期望其中至少有一个会失败。我错了吗？至少它应该在某个时候停止，但是当我将 jpeg::color::utils::rgb_to_ycbcr(0, 71, 171) 更改为 jpeg::color::utils::rgb_to_ycbcr(0, 71, 169) 时，测试失败，因为 YCbCr 值已经改变，所以我将永远失去我的蓝色通道。

【问题讨论】：

完成。现在它已经完成并且可以运行了。

我认为这要么是算法问题，要么是浮点问题。如果我只使用普通浮点数而不使用 SIMD，我 get the same answers.

还有，为什么你认为RGB ->YCbCr -> RGB 不会有任何损失或变化？不同的色彩空间可以代表不同的颜色，我们有固定的精度。

你见过this SO question about invertible YUV / RGB transforms 吗？

我怀疑这可能是因为 as u8 （就像 C 中的等效转换）截断，它不会四舍五入到最接近的值。您可能有兴趣先致电.round。

【参考方案1】：

@dbaupp 把钉子钉在棺材上，建议使用round：

#![allow(unstable)]

use std::simd::f32x4;
use std::num::Float;

fn clamp(val: f32) -> u8 
    if val < 0.0  0 
    else if val > 255.0  255 
    else  val.round() as u8 


fn sum_f32x4(v: f32x4) -> f32 
    v.0 + v.1 + v.2 + v.3


pub fn rgb_to_ycbcr((r, g, b): (u8, u8, u8)) -> (u8, u8, u8) 
    let rgb = f32x4(r as f32, g as f32, b as f32, 1.0);
    let y  = sum_f32x4(rgb * f32x4( 0.299000,  0.587000,  0.114000,   0.0));
    let cb = sum_f32x4(rgb * f32x4(-0.168736, -0.331264,  0.500000, 128.0));
    let cr = sum_f32x4(rgb * f32x4( 0.500000, -0.418688, -0.081312, 128.0));

    (clamp(y), clamp(cb), clamp(cr))


pub fn ycbcr_to_rgb((y, cb, cr): (u8, u8, u8)) -> (u8, u8, u8) 
    let ycbcr = f32x4(y as f32, cb as f32 - 128.0f32, cr as f32 - 128.0f32, 0.0);
    let r = sum_f32x4(ycbcr * f32x4(1.0,  0.00000,  1.40200, 0.0));
    let g = sum_f32x4(ycbcr * f32x4(1.0, -0.34414, -0.71414, 0.0));
    let b = sum_f32x4(ycbcr * f32x4(1.0,  1.77200,  0.00000, 0.0));

    (clamp(r), clamp(g), clamp(b))


fn main() 
    let mut rgb = (0, 71, 16);
    println!(":?", rgb);

    for _ in 0..100 
        let yuv = rgb_to_ycbcr(rgb);
        rgb = ycbcr_to_rgb(yuv);

        println!(":?", rgb);
        

请注意，我还从Wikipedia page 提高了rgb_to_ycbcr 中值的精度。我也在这两个函数中clamp，以及调用round。现在的输出是：

(0u8, 71u8, 16u8)
(1u8, 72u8, 16u8)
(1u8, 72u8, 16u8)

最后一个值在整个循环中重复。