git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavfilter/vf_owdenoise.c

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2007 Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
   3  * Copyright (c) 2013 Clément Bœsch <u pkh me>
   4  *
   5  * This file is part of FFmpeg.
   6  *
   7  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or modify
   8  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
   9  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  10  * (at your option) any later version.
  11  *
  12  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  13  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  14  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  15  * GNU General Public License for more details.
  16  *
  17  * You should have received a copy of the GNU General Public License along
  18  * with FFmpeg; if not, write to the Free Software Foundation, Inc.,
  19  * 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA.
  20  */
  21
  22 /**
  23  * @todo try to change to int
  24  * @todo try lifting based implementation
  25  * @todo optimize optimize optimize
  26  * @todo hard thresholding
  27  * @todo use QP to decide filter strength
  28  * @todo wavelet normalization / least squares optimal signal vs. noise thresholds
  29  */
  30
  31 #include "libavutil/imgutils.h"
  32 #include "libavutil/opt.h"
  33 #include "libavutil/pixdesc.h"
  34 #include "avfilter.h"
  35 #include "internal.h"
  36
  37 typedef struct OWDenoiseContext {
  38     const AVClass *class;
  39     double luma_strength;
  40     double chroma_strength;
  41     int depth;
  42     float *plane[16+1][4];
  43     int linesize;
  44     int hsub, vsub;
  45     int pixel_depth;
  46 } OWDenoiseContext;
  47
  48 #define OFFSET(x) offsetof(OWDenoiseContext, x)
  49 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
  50 static const AVOption owdenoise_options[] = {
  51     { "depth",           "set depth",           OFFSET(depth),           AV_OPT_TYPE_INT,    {.i64 =   8}, 8,   16, FLAGS },
  52     { "luma_strength",   "set luma strength",   OFFSET(luma_strength),   AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl = 1.0}, 0, 1000, FLAGS },
  53     { "ls",              "set luma strength",   OFFSET(luma_strength),   AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl = 1.0}, 0, 1000, FLAGS },
  54     { "chroma_strength", "set chroma strength", OFFSET(chroma_strength), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl = 1.0}, 0, 1000, FLAGS },
  55     { "cs",              "set chroma strength", OFFSET(chroma_strength), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl = 1.0}, 0, 1000, FLAGS },
  56     { NULL }
  57 };
  58
  59 AVFILTER_DEFINE_CLASS(owdenoise);
  60
  61 DECLARE_ALIGNED(8, static const uint8_t, dither)[8][8] = {
  62     {  0,  48,  12,  60,   3,  51,  15,  63 },
  63     { 32,  16,  44,  28,  35,  19,  47,  31 },
  64     {  8,  56,   4,  52,  11,  59,   7,  55 },
  65     { 40,  24,  36,  20,  43,  27,  39,  23 },
  66     {  2,  50,  14,  62,   1,  49,  13,  61 },
  67     { 34,  18,  46,  30,  33,  17,  45,  29 },
  68     { 10,  58,   6,  54,   9,  57,   5,  53 },
  69     { 42,  26,  38,  22,  41,  25,  37,  21 },
  70 };
  71
  72 static const double coeff[2][5] = {
  73     {
  74          0.6029490182363579  * M_SQRT2,
  75          0.2668641184428723  * M_SQRT2,
  76         -0.07822326652898785 * M_SQRT2,
  77         -0.01686411844287495 * M_SQRT2,
  78          0.02674875741080976 * M_SQRT2,
  79     },{
  80          1.115087052456994   / M_SQRT2,
  81         -0.5912717631142470  / M_SQRT2,
  82         -0.05754352622849957 / M_SQRT2,
  83          0.09127176311424948 / M_SQRT2,
  84     }
  85 };
  86
  87 static const double icoeff[2][5] = {
  88     {
  89          1.115087052456994   / M_SQRT2,
  90          0.5912717631142470  / M_SQRT2,
  91         -0.05754352622849957 / M_SQRT2,
  92         -0.09127176311424948 / M_SQRT2,
  93     },{
  94          0.6029490182363579  * M_SQRT2,
  95         -0.2668641184428723  * M_SQRT2,
  96         -0.07822326652898785 * M_SQRT2,
  97          0.01686411844287495 * M_SQRT2,
  98          0.02674875741080976 * M_SQRT2,
  99     }
 100 };
 101
 102
 103 static inline void decompose(float *dst_l, float *dst_h, const float *src,
 104                              int linesize, int w)
 105 {
 106     int x, i;
 107     for (x = 0; x < w; x++) {
 108         double sum_l = src[x * linesize] * coeff[0][0];
 109         double sum_h = src[x * linesize] * coeff[1][0];
 110         for (i = 1; i <= 4; i++) {
 111             const double s = src[avpriv_mirror(x - i, w - 1) * linesize]
 112                            + src[avpriv_mirror(x + i, w - 1) * linesize];
 113
 114             sum_l += coeff[0][i] * s;
 115             sum_h += coeff[1][i] * s;
 116         }
 117         dst_l[x * linesize] = sum_l;
 118         dst_h[x * linesize] = sum_h;
 119     }
 120 }
 121
 122 static inline void compose(float *dst, const float *src_l, const float *src_h,
 123                            int linesize, int w)
 124 {
 125     int x, i;
 126     for (x = 0; x < w; x++) {
 127         double sum_l = src_l[x * linesize] * icoeff[0][0];
 128         double sum_h = src_h[x * linesize] * icoeff[1][0];
 129         for (i = 1; i <= 4; i++) {
 130             const int x0 = avpriv_mirror(x - i, w - 1) * linesize;
 131             const int x1 = avpriv_mirror(x + i, w - 1) * linesize;
 132
 133             sum_l += icoeff[0][i] * (src_l[x0] + src_l[x1]);
 134             sum_h += icoeff[1][i] * (src_h[x0] + src_h[x1]);
 135         }
 136         dst[x * linesize] = (sum_l + sum_h) * 0.5;
 137     }
 138 }
 139
 140 static inline void decompose2D(float *dst_l, float *dst_h, const float *src,
 141                                int xlinesize, int ylinesize,
 142                                int step, int w, int h)
 143 {
 144     int y, x;
 145     for (y = 0; y < h; y++)
 146         for (x = 0; x < step; x++)
 147             decompose(dst_l + ylinesize*y + xlinesize*x,
 148                       dst_h + ylinesize*y + xlinesize*x,
 149                       src   + ylinesize*y + xlinesize*x,
 150                       step * xlinesize, (w - x + step - 1) / step);
 151 }
 152
 153 static inline void compose2D(float *dst, const float *src_l, const float *src_h,
 154                              int xlinesize, int ylinesize,
 155                              int step, int w, int h)
 156 {
 157     int y, x;
 158     for (y = 0; y < h; y++)
 159         for (x = 0; x < step; x++)
 160             compose(dst   + ylinesize*y + xlinesize*x,
 161                     src_l + ylinesize*y + xlinesize*x,
 162                     src_h + ylinesize*y + xlinesize*x,
 163                     step * xlinesize, (w - x + step - 1) / step);
 164 }
 165
 166 static void decompose2D2(float *dst[4], float *src, float *temp[2],
 167                          int linesize, int step, int w, int h)
 168 {
 169     decompose2D(temp[0], temp[1], src,     1, linesize, step, w, h);
 170     decompose2D( dst[0],  dst[1], temp[0], linesize, 1, step, h, w);
 171     decompose2D( dst[2],  dst[3], temp[1], linesize, 1, step, h, w);
 172 }
 173
 174 static void compose2D2(float *dst, float *src[4], float *temp[2],
 175                        int linesize, int step, int w, int h)
 176 {
 177     compose2D(temp[0],  src[0],  src[1], linesize, 1, step, h, w);
 178     compose2D(temp[1],  src[2],  src[3], linesize, 1, step, h, w);
 179     compose2D(dst,     temp[0], temp[1], 1, linesize, step, w, h);
 180 }
 181
 182 static void filter(OWDenoiseContext *s,
 183                    uint8_t       *dst, int dst_linesize,
 184                    const uint8_t *src, int src_linesize,
 185                    int width, int height, double strength)
 186 {
 187     int x, y, i, j, depth = s->depth;
 188
 189     while (1<<depth > width || 1<<depth > height)
 190         depth--;
 191
 192     if (s->pixel_depth <= 8) {
 193         for (y = 0; y < height; y++)
 194             for(x = 0; x < width; x++)
 195                 s->plane[0][0][y*s->linesize + x] = src[y*src_linesize + x];
 196     } else {
 197         const uint16_t *src16 = (const uint16_t *)src;
 198
 199         src_linesize /= 2;
 200         for (y = 0; y < height; y++)
 201             for(x = 0; x < width; x++)
 202                 s->plane[0][0][y*s->linesize + x] = src16[y*src_linesize + x];
 203     }
 204
 205     for (i = 0; i < depth; i++)
 206         decompose2D2(s->plane[i + 1], s->plane[i][0], s->plane[0] + 1, s->linesize, 1<<i, width, height);
 207
 208     for (i = 0; i < depth; i++) {
 209         for (j = 1; j < 4; j++) {
 210             for (y = 0; y < height; y++) {
 211                 for (x = 0; x < width; x++) {
 212                     double v = s->plane[i + 1][j][y*s->linesize + x];
 213                     if      (v >  strength) v -= strength;
 214                     else if (v < -strength) v += strength;
 215                     else                    v  = 0;
 216                     s->plane[i + 1][j][x + y*s->linesize] = v;
 217                 }
 218             }
 219         }
 220     }
 221     for (i = depth-1; i >= 0; i--)
 222         compose2D2(s->plane[i][0], s->plane[i + 1], s->plane[0] + 1, s->linesize, 1<<i, width, height);
 223
 224     if (s->pixel_depth <= 8) {
 225         for (y = 0; y < height; y++) {
 226             for (x = 0; x < width; x++) {
 227                 i = s->plane[0][0][y*s->linesize + x] + dither[x&7][y&7]*(1.0/64) + 1.0/128; // yes the rounding is insane but optimal :)
 228                 if ((unsigned)i > 255U) i = ~(i >> 31);
 229                 dst[y*dst_linesize + x] = i;
 230             }
 231         }
 232     } else {
 233         uint16_t *dst16 = (uint16_t *)dst;
 234
 235         dst_linesize /= 2;
 236         for (y = 0; y < height; y++) {
 237             for (x = 0; x < width; x++) {
 238                 i = s->plane[0][0][y*s->linesize + x];
 239                 dst16[y*dst_linesize + x] = i;
 240             }
 241         }
 242     }
 243 }
 244
 245 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
 246 {
 247     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 248     OWDenoiseContext *s = ctx->priv;
 249     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 250     AVFrame *out;
 251     const int cw = AV_CEIL_RSHIFT(inlink->w, s->hsub);
 252     const int ch = AV_CEIL_RSHIFT(inlink->h, s->vsub);
 253
 254     if (av_frame_is_writable(in)) {
 255         out = in;
 256
 257         if (s->luma_strength > 0)
 258             filter(s, out->data[0], out->linesize[0], in->data[0], in->linesize[0], inlink->w, inlink->h, s->luma_strength);
 259         if (s->chroma_strength > 0) {
 260             filter(s, out->data[1], out->linesize[1], in->data[1], in->linesize[1], cw,        ch,        s->chroma_strength);
 261             filter(s, out->data[2], out->linesize[2], in->data[2], in->linesize[2], cw,        ch,        s->chroma_strength);
 262         }
 263     } else {
 264         out = ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
 265         if (!out) {
 266             av_frame_free(&in);
 267             return AVERROR(ENOMEM);
 268         }
 269         av_frame_copy_props(out, in);
 270
 271         if (s->luma_strength > 0) {
 272             filter(s, out->data[0], out->linesize[0], in->data[0], in->linesize[0], inlink->w, inlink->h, s->luma_strength);
 273         } else {
 274             av_image_copy_plane(out->data[0], out->linesize[0], in ->data[0], in ->linesize[0], inlink->w, inlink->h);
 275         }
 276         if (s->chroma_strength > 0) {
 277             filter(s, out->data[1], out->linesize[1], in->data[1], in->linesize[1], cw, ch, s->chroma_strength);
 278             filter(s, out->data[2], out->linesize[2], in->data[2], in->linesize[2], cw, ch, s->chroma_strength);
 279         } else {
 280             av_image_copy_plane(out->data[1], out->linesize[1], in ->data[1], in ->linesize[1], inlink->w, inlink->h);
 281             av_image_copy_plane(out->data[2], out->linesize[2], in ->data[2], in ->linesize[2], inlink->w, inlink->h);
 282         }
 283
 284         if (in->data[3])
 285             av_image_copy_plane(out->data[3], out->linesize[3],
 286                                 in ->data[3], in ->linesize[3],
 287                                 inlink->w, inlink->h);
 288         av_frame_free(&in);
 289     }
 290
 291     return ff_filter_frame(outlink, out);
 292 }
 293
 294 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 295 {
 296     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {
 297         AV_PIX_FMT_YUV444P,      AV_PIX_FMT_YUV422P,
 298         AV_PIX_FMT_YUV420P,      AV_PIX_FMT_YUV411P,
 299         AV_PIX_FMT_YUV410P,      AV_PIX_FMT_YUV440P,
 300         AV_PIX_FMT_YUVA444P,     AV_PIX_FMT_YUVA422P,
 301         AV_PIX_FMT_YUVA420P,
 302         AV_PIX_FMT_YUV420P9, AV_PIX_FMT_YUV422P9, AV_PIX_FMT_YUV444P9,
 303         AV_PIX_FMT_YUV420P10, AV_PIX_FMT_YUV422P10, AV_PIX_FMT_YUV444P10,
 304         AV_PIX_FMT_YUV440P10,
 305         AV_PIX_FMT_YUV444P12, AV_PIX_FMT_YUV422P12, AV_PIX_FMT_YUV420P12,
 306         AV_PIX_FMT_YUV440P12,
 307         AV_PIX_FMT_YUV444P14, AV_PIX_FMT_YUV422P14, AV_PIX_FMT_YUV420P14,
 308         AV_PIX_FMT_YUV420P16, AV_PIX_FMT_YUV422P16, AV_PIX_FMT_YUV444P16,
 309         AV_PIX_FMT_NONE
 310     };
 311     AVFilterFormats *fmts_list = ff_make_format_list(pix_fmts);
 312     if (!fmts_list)
 313         return AVERROR(ENOMEM);
 314     return ff_set_common_formats(ctx, fmts_list);
 315 }
 316
 317 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
 318 {
 319     int i, j;
 320     OWDenoiseContext *s = inlink->dst->priv;
 321     const AVPixFmtDescriptor *desc = av_pix_fmt_desc_get(inlink->format);
 322     const int h = FFALIGN(inlink->h, 16);
 323
 324     s->hsub = desc->log2_chroma_w;
 325     s->vsub = desc->log2_chroma_h;
 326     s->pixel_depth = desc->comp[0].depth;
 327
 328     s->linesize = FFALIGN(inlink->w, 16);
 329     for (j = 0; j < 4; j++) {
 330         for (i = 0; i <= s->depth; i++) {
 331             s->plane[i][j] = av_malloc_array(s->linesize, h * sizeof(s->plane[0][0][0]));
 332             if (!s->plane[i][j])
 333                 return AVERROR(ENOMEM);
 334         }
 335     }
 336     return 0;
 337 }
 338
 339 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 340 {
 341     int i, j;
 342     OWDenoiseContext *s = ctx->priv;
 343
 344     for (j = 0; j < 4; j++)
 345         for (i = 0; i <= s->depth; i++)
 346             av_freep(&s->plane[i][j]);
 347 }
 348
 349 static const AVFilterPad owdenoise_inputs[] = {
 350     {
 351         .name         = "default",
 352         .type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 353         .filter_frame = filter_frame,
 354         .config_props = config_input,
 355     },
 356     { NULL }
 357 };
 358
 359 static const AVFilterPad owdenoise_outputs[] = {
 360     {
 361         .name = "default",
 362         .type = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 363     },
 364     { NULL }
 365 };
 366
 367 AVFilter ff_vf_owdenoise = {
 368     .name          = "owdenoise",
 369     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Denoise using wavelets."),
 370     .priv_size     = sizeof(OWDenoiseContext),
 371     .uninit        = uninit,
 372     .query_formats = query_formats,
 373     .inputs        = owdenoise_inputs,
 374     .outputs       = owdenoise_outputs,
 375     .priv_class    = &owdenoise_class,
 376     .flags         = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_GENERIC,
 377 };