]> git.sesse.net Git - nageru/blobdiff - h264encode.cpp
Re-run IWYU, again with lots of manual cleanup.
[nageru] / h264encode.cpp
index d4fc0ad859498dcfba828f51d91ff0ec4d4991e2..51ad5178704922c56dd474db247405077e45aae3 100644 (file)
@@ -1,28 +1,39 @@
 //#include "sysdeps.h"
+#include "h264encode.h"
+
+#include <EGL/eglplatform.h>
+#include <X11/X.h>
+#include <X11/Xlib.h>
+#include <assert.h>
+#include <epoxy/egl.h>
+#include <libavcodec/avcodec.h>
+#include <libavutil/channel_layout.h>
+#include <libavutil/frame.h>
+#include <libavutil/rational.h>
+#include <libavutil/samplefmt.h>
+#include <libdrm/drm_fourcc.h>
 #include <stdio.h>
-#include <string.h>
 #include <stdlib.h>
-#include <getopt.h>
-#include <unistd.h>
-#include <sys/types.h>
-#include <sys/stat.h>
-#include <sys/time.h>
-#include <sys/mman.h>
-#include <fcntl.h>
-#include <assert.h>
-#include <pthread.h>
-#include <errno.h>
-#include <math.h>
+#include <string.h>
 #include <va/va.h>
-#include <va/va_x11.h>
-#include <va/va_enc_h264.h>
 #include <va/va_drmcommon.h>
-#include <libdrm/drm_fourcc.h>
-#include <thread>
+#include <va/va_enc_h264.h>
+#include <va/va_x11.h>
+#include <condition_variable>
+#include <cstdint>
+#include <memory>
 #include <mutex>
 #include <queue>
-#include <condition_variable>
-#include "h264encode.h"
+#include <string>
+#include <thread>
+#include <utility>
+
+#include "context.h"
+#include "httpd.h"
+#include "timebase.h"
+
+class QOpenGLContext;
+class QSurface;
 
 #define CHECK_VASTATUS(va_status, func)                                 \
     if (va_status != VA_STATUS_SUCCESS) {                               \
@@ -97,7 +108,6 @@ static  int h264_maxref = (1<<16|1);
 static  int h264_entropy_mode = 1; /* cabac */
 
 static  char *coded_fn = NULL;
-static  FILE *coded_fp = NULL;
 
 static  int frame_width = 176;
 static  int frame_height = 144;
@@ -112,7 +122,7 @@ static  int initial_qp = 15;
 static  int minimal_qp = 0;
 static  int intra_period = 30;
 static  int intra_idr_period = 60;
-static  int ip_period = 1;
+static  int ip_period = 3;
 static  int rc_mode = -1;
 static  int rc_default_modes[] = {
     VA_RC_VBR,
@@ -333,12 +343,22 @@ static void sps_rbsp(bitstream *bs)
         bitstream_put_ui(bs, 1, 1); /* vui_parameters_present_flag */
         bitstream_put_ui(bs, 0, 1); /* aspect_ratio_info_present_flag */
         bitstream_put_ui(bs, 0, 1); /* overscan_info_present_flag */
-        bitstream_put_ui(bs, 0, 1); /* video_signal_type_present_flag */
+        bitstream_put_ui(bs, 1, 1); /* video_signal_type_present_flag */
+        {
+            bitstream_put_ui(bs, 5, 3);  /* video_format (5 = Unspecified) */
+            bitstream_put_ui(bs, 0, 1);  /* video_full_range_flag */
+            bitstream_put_ui(bs, 1, 1);  /* colour_description_present_flag */
+            {
+                bitstream_put_ui(bs, 1, 8);  /* colour_primaries (1 = BT.709) */
+                bitstream_put_ui(bs, 2, 8);  /* transfer_characteristics (2 = unspecified, since we use sRGB) */
+                bitstream_put_ui(bs, 6, 8);  /* matrix_coefficients (6 = BT.601/SMPTE 170M) */
+            }
+        }
         bitstream_put_ui(bs, 0, 1); /* chroma_loc_info_present_flag */
         bitstream_put_ui(bs, 1, 1); /* timing_info_present_flag */
         {
             bitstream_put_ui(bs, 1, 32);  // FPS
-            bitstream_put_ui(bs, frame_rate * 2, 32);  // FPS
+            bitstream_put_ui(bs, TIMEBASE * 2, 32);  // FPS
             bitstream_put_ui(bs, 1, 1);
         }
         bitstream_put_ui(bs, 1, 1); /* nal_hrd_parameters_present_flag */
@@ -580,11 +600,51 @@ static int build_packed_slice_buffer(unsigned char **header_buffer)
                                            {IDR(PBB)(PBB)}.
 */
 
-/*
- * Return displaying order with specified periods and encoding order
- * displaying_order: displaying order
- * frame_type: frame type 
- */
+// General pts/dts strategy:
+//
+// Getting pts and dts right with variable frame rate (VFR) and B-frames can be a
+// bit tricky. We assume first of all that the frame rate never goes _above_
+// <frame_rate>, which gives us a frame period N. The decoder can always decode
+// in at least this speed, as long at dts <= pts (the frame is not attempted
+// presented before it is decoded). Furthermore, we never have longer chains of
+// B-frames than a fixed constant C. (In a B-frame chain, we say that the base
+// I/P-frame has order O=0, the B-frame depending on it directly has order O=1,
+// etc. The last frame in the chain, which no B-frames depend on, is the “tip”
+// frame, with an order O <= C.)
+//
+// Many strategies are possible, but we establish these rules:
+//
+//  - Tip frames have dts = pts - (C-O)*N.
+//  - Non-tip frames have dts = dts_last + N.
+//
+// An example, with C=2 and N=10 and the data flow showed with arrows:
+//
+//        I  B  P  B  B  P
+//   pts: 30 40 50 60 70 80
+//        ↓  ↓     ↓
+//   dts: 10 30 20 60 50←40
+//         |  |  ↑        ↑
+//         `--|--'        |
+//             `----------'
+//
+// To show that this works fine also with irregular spacings, let's say that
+// the third frame is delayed a bit (something earlier was dropped). Now the
+// situation looks like this:
+//
+//        I  B  P  B  B   P
+//   pts: 30 40 80 90 100 110
+//        ↓  ↓     ↓
+//   dts: 10 30 20 90 50←40
+//         |  |  ↑        ↑
+//         `--|--'        |
+//             `----------'
+//
+// The resetting on every tip frame makes sure dts never ends up lagging a lot
+// behind pts, and the subtraction of (C-O)*N makes sure pts <= dts.
+//
+// In the output of this function, if <dts_lag> is >= 0, it means to reset the
+// dts from the current pts minus <dts_lag>, while if it's -1, the frame is not
+// a tip frame and should be given a dts based on the previous one.
 #define FRAME_P 0
 #define FRAME_B 1
 #define FRAME_I 2
@@ -593,10 +653,12 @@ void encoding2display_order(
     unsigned long long encoding_order, int intra_period,
     int intra_idr_period, int ip_period,
     unsigned long long *displaying_order,
-    int *frame_type)
+    int *frame_type, int *pts_lag)
 {
     int encoding_order_gop = 0;
 
+    *pts_lag = 0;
+
     if (intra_period == 1) { /* all are I/IDR frames */
         *displaying_order = encoding_order;
         if (intra_idr_period == 0)
@@ -609,29 +671,47 @@ void encoding2display_order(
     if (intra_period == 0)
         intra_idr_period = 0;
 
-    /* new sequence like
-     * IDR PPPPP IPPPPP
-     * IDR (PBB)(PBB)(IBB)(PBB)
-     */
-    encoding_order_gop = (intra_idr_period == 0)? encoding_order:
-        (encoding_order % (intra_idr_period + ((ip_period == 1)?0:1)));
+    if (ip_period == 1) {
+        // No B-frames, sequence is like IDR PPPPP IPPPPP.
+        encoding_order_gop = (intra_idr_period == 0) ? encoding_order : (encoding_order % intra_idr_period);
+        *displaying_order = encoding_order;
+
+        if (encoding_order_gop == 0) { /* the first frame */
+            *frame_type = FRAME_IDR;
+        } else if (intra_period != 0 && /* have I frames */
+                   encoding_order_gop >= 2 &&
+                   (encoding_order_gop % intra_period == 0)) {
+            *frame_type = FRAME_I;
+        } else {
+            *frame_type = FRAME_P;
+        }
+        return;
+    } 
+
+    // We have B-frames. Sequence is like IDR (PBB)(PBB)(IBB)(PBB).
+    encoding_order_gop = (intra_idr_period == 0) ? encoding_order : (encoding_order % (intra_idr_period + 1));
+    *pts_lag = -1;  // Most frames are not tip frames.
          
     if (encoding_order_gop == 0) { /* the first frame */
         *frame_type = FRAME_IDR;
         *displaying_order = encoding_order;
+        // IDR frames are a special case; I honestly can't find the logic behind
+        // why this is the right thing, but it seems to line up nicely in practice :-)
+        *pts_lag = TIMEBASE / frame_rate;
     } else if (((encoding_order_gop - 1) % ip_period) != 0) { /* B frames */
-       *frame_type = FRAME_B;
+        *frame_type = FRAME_B;
         *displaying_order = encoding_order - 1;
-    } else if ((intra_period != 0) && /* have I frames */
-               (encoding_order_gop >= 2) &&
-               ((ip_period == 1 && encoding_order_gop % intra_period == 0) || /* for IDR PPPPP IPPPP */
-                /* for IDR (PBB)(PBB)(IBB) */
-                (ip_period >= 2 && ((encoding_order_gop - 1) / ip_period % (intra_period / ip_period)) == 0))) {
-       *frame_type = FRAME_I;
-       *displaying_order = encoding_order + ip_period - 1;
+        if ((encoding_order_gop % ip_period) == 0) {
+            *pts_lag = 0;  // Last B-frame.
+        }
+    } else if (intra_period != 0 && /* have I frames */
+               encoding_order_gop >= 2 &&
+               ((encoding_order_gop - 1) / ip_period % (intra_period / ip_period)) == 0) {
+        *frame_type = FRAME_I;
+        *displaying_order = encoding_order + ip_period - 1;
     } else {
-       *frame_type = FRAME_P;
-       *displaying_order = encoding_order + ip_period - 1;
+        *frame_type = FRAME_P;
+        *displaying_order = encoding_order + ip_period - 1;
     }
 }
 
@@ -790,12 +870,6 @@ static int process_cmdline(int argc, char *argv[])
             coded_fn = strdup("./test.264");
     }
     
-    /* store coded data into a file */
-    coded_fp = fopen(coded_fn, "w+");
-    if (coded_fp == NULL) {
-        printf("Open file %s failed, exit\n", coded_fn);
-        exit(1);
-    }
 
     frame_width_mbaligned = (frame_width + 15) & (~15);
     frame_height_mbaligned = (frame_height + 15) & (~15);
@@ -1253,7 +1327,7 @@ static int render_sequence(void)
 
     seq_param.max_num_ref_frames = num_ref_frames;
     seq_param.seq_fields.bits.frame_mbs_only_flag = 1;
-    seq_param.time_scale = frame_rate * 2;
+    seq_param.time_scale = TIMEBASE * 2;
     seq_param.num_units_in_tick = 1; /* Tc = num_units_in_tick / scale */
     seq_param.seq_fields.bits.log2_max_pic_order_cnt_lsb_minus4 = Log2MaxPicOrderCntLsb - 4;
     seq_param.seq_fields.bits.log2_max_frame_num_minus4 = Log2MaxFrameNum - 4;;
@@ -1570,7 +1644,7 @@ static int render_slice(void)
 
 
 
-int H264Encoder::save_codeddata(unsigned long long display_order, unsigned long long encode_order, int frame_type)
+int H264Encoder::save_codeddata(storage_task task)
 {    
     VACodedBufferSegment *buf_list = NULL;
     VAStatus va_status;
@@ -1578,33 +1652,74 @@ int H264Encoder::save_codeddata(unsigned long long display_order, unsigned long
 
     string data;
 
-    va_status = vaMapBuffer(va_dpy, gl_surfaces[display_order % SURFACE_NUM].coded_buf, (void **)(&buf_list));
+    const int64_t global_delay = (ip_period - 1) * (TIMEBASE / frame_rate);  // So we never get negative dts.
+
+    va_status = vaMapBuffer(va_dpy, gl_surfaces[task.display_order % SURFACE_NUM].coded_buf, (void **)(&buf_list));
     CHECK_VASTATUS(va_status, "vaMapBuffer");
     while (buf_list != NULL) {
         data.append(reinterpret_cast<const char *>(buf_list->buf), buf_list->size);
-        if (coded_fp != nullptr)
-            coded_size += fwrite(buf_list->buf, 1, buf_list->size, coded_fp);
         buf_list = (VACodedBufferSegment *) buf_list->next;
 
         frame_size += coded_size;
     }
-    vaUnmapBuffer(va_dpy, gl_surfaces[display_order % SURFACE_NUM].coded_buf);
-
-    AVPacket pkt;
-    memset(&pkt, 0, sizeof(pkt));
-    pkt.buf = nullptr;
-    pkt.pts = av_rescale_q(display_order, AVRational{1, frame_rate}, avstream->time_base);
-    pkt.dts = av_rescale_q(encode_order, AVRational{1, frame_rate}, avstream->time_base);
-    pkt.data = reinterpret_cast<uint8_t *>(&data[0]);
-    pkt.size = data.size();
-    pkt.stream_index = 0;
-    if (frame_type == FRAME_IDR || frame_type == FRAME_I) {
-        pkt.flags = AV_PKT_FLAG_KEY;
-    } else {
-        pkt.flags = 0;
+    vaUnmapBuffer(va_dpy, gl_surfaces[task.display_order % SURFACE_NUM].coded_buf);
+
+    {
+        // Add video.
+        AVPacket pkt;
+        memset(&pkt, 0, sizeof(pkt));
+        pkt.buf = nullptr;
+        pkt.data = reinterpret_cast<uint8_t *>(&data[0]);
+        pkt.size = data.size();
+        pkt.stream_index = 0;
+        if (task.frame_type == FRAME_IDR || task.frame_type == FRAME_I) {
+            pkt.flags = AV_PKT_FLAG_KEY;
+        } else {
+            pkt.flags = 0;
+        }
+        //pkt.duration = 1;
+        httpd->add_packet(pkt, task.pts + global_delay, task.dts + global_delay);
+    }
+    // Encode and add all audio frames up to and including the pts of this video frame.
+    // (They can never be queued to us after the video frame they belong to, only before.)
+    for ( ;; ) {
+        int64_t audio_pts;
+        std::vector<float> audio;
+        {
+             unique_lock<mutex> lock(frame_queue_mutex);
+             if (pending_audio_frames.empty()) break;
+             auto it = pending_audio_frames.begin();
+             if (it->first > task.pts) break;
+             audio_pts = it->first;
+             audio = move(it->second);
+             pending_audio_frames.erase(it); 
+        }
+
+        AVFrame *frame = avcodec_alloc_frame();
+        frame->nb_samples = audio.size() / 2;
+        frame->format = AV_SAMPLE_FMT_FLT;
+        frame->channel_layout = AV_CH_LAYOUT_STEREO;
+
+        unique_ptr<float[]> planar_samples(new float[audio.size()]);
+        avcodec_fill_audio_frame(frame, 2, AV_SAMPLE_FMT_FLTP, (const uint8_t*)planar_samples.get(), audio.size() * sizeof(float), 0);
+        for (int i = 0; i < frame->nb_samples; ++i) {
+            planar_samples[i] = audio[i * 2 + 0];
+            planar_samples[i + frame->nb_samples] = audio[i * 2 + 1];
+        }
+
+        AVPacket pkt;
+        av_init_packet(&pkt);
+        pkt.data = nullptr;
+        pkt.size = 0;
+        int got_output;
+        avcodec_encode_audio2(context_audio, &pkt, frame, &got_output);
+        if (got_output) {
+            pkt.stream_index = 1;
+            httpd->add_packet(pkt, audio_pts + global_delay, audio_pts + global_delay);
+        }
+        // TODO: Delayed frames.
+        avcodec_free_frame(&frame);
     }
-    pkt.duration = 1;
-    av_interleaved_write_frame(avctx, &pkt);
 
 #if 0
     printf("\r      "); /* return back to startpoint */
@@ -1631,17 +1746,11 @@ int H264Encoder::save_codeddata(unsigned long long display_order, unsigned long
 
 
 // this is weird. but it seems to put a new frame onto the queue
-void H264Encoder::storage_task_enqueue(unsigned long long display_order, unsigned long long encode_order, int frame_type)
+void H264Encoder::storage_task_enqueue(storage_task task)
 {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(storage_task_queue_mutex);
-
-       storage_task tmp;
-       tmp.display_order = display_order;
-       tmp.encode_order = encode_order;
-       tmp.frame_type = frame_type;
-       storage_task_queue.push(tmp);
-       srcsurface_status[display_order % SURFACE_NUM] = SRC_SURFACE_IN_ENCODING;
-
+       storage_task_queue.push(move(task));
+       srcsurface_status[task.display_order % SURFACE_NUM] = SRC_SURFACE_IN_ENCODING;
        storage_task_queue_changed.notify_all();
 }
 
@@ -1654,7 +1763,7 @@ void H264Encoder::storage_task_thread()
                        std::unique_lock<std::mutex> lock(storage_task_queue_mutex);
                        storage_task_queue_changed.wait(lock, [this]{ return storage_thread_should_quit || !storage_task_queue.empty(); });
                        if (storage_thread_should_quit) return;
-                       current = storage_task_queue.front();
+                       current = move(storage_task_queue.front());
                        storage_task_queue.pop();
                }
 
@@ -1663,7 +1772,7 @@ void H264Encoder::storage_task_thread()
                // waits for data, then saves it to disk.
                va_status = vaSyncSurface(va_dpy, gl_surfaces[current.display_order % SURFACE_NUM].src_surface);
                CHECK_VASTATUS(va_status, "vaSyncSurface");
-               save_codeddata(current.display_order, current.encode_order, current.frame_type);
+               save_codeddata(move(current));
 
                {
                        std::unique_lock<std::mutex> lock(storage_task_queue_mutex);
@@ -1720,41 +1829,22 @@ static int print_input()
     return 0;
 }
 
-
-//H264Encoder::H264Encoder(SDL_Window *window, SDL_GLContext context, int width, int height, const char *output_filename) 
-H264Encoder::H264Encoder(QSurface *surface, int width, int height, const char *output_filename)
-       : current_storage_frame(0), surface(surface)
-       //: width(width), height(height), current_encoding_frame(0)
+H264Encoder::H264Encoder(QSurface *surface, int width, int height, HTTPD *httpd)
+       : current_storage_frame(0), surface(surface), httpd(httpd)
 {
-       av_register_all();
-       avctx = avformat_alloc_context();
-       avctx->oformat = av_guess_format(NULL, output_filename, NULL);
-       strcpy(avctx->filename, output_filename);
-       if (avio_open2(&avctx->pb, output_filename, AVIO_FLAG_WRITE, &avctx->interrupt_callback, NULL) < 0) {
-               fprintf(stderr, "%s: avio_open2() failed\n", output_filename);
-               exit(1);
-       }
-       AVCodec *codec = avcodec_find_encoder(AV_CODEC_ID_H264);
-       avstream = avformat_new_stream(avctx, codec);
-       if (avstream == nullptr) {
-               fprintf(stderr, "%s: avformat_new_stream() failed\n", output_filename);
-               exit(1);
-       }
-       avstream->time_base = AVRational{1, frame_rate};  // TODO
-       avstream->codec->width = width;
-       avstream->codec->height = height;
-       //avstream->codec->time_base = AVRational{1, 60};  // TODO
-       avstream->codec->time_base = AVRational{1, frame_rate};
-       avstream->codec->ticks_per_frame = 1;  // or 2?
-
-       if (avformat_write_header(avctx, NULL) < 0) {
-               fprintf(stderr, "%s: avformat_write_header() failed\n", output_filename);
+       AVCodec *codec_audio = avcodec_find_encoder(AV_CODEC_ID_MP3);
+       context_audio = avcodec_alloc_context3(codec_audio);
+       context_audio->bit_rate = 256000;
+       context_audio->sample_rate = 48000;
+       context_audio->sample_fmt = AV_SAMPLE_FMT_FLTP;
+       context_audio->channels = 2;
+       context_audio->channel_layout = AV_CH_LAYOUT_STEREO;
+       context_audio->time_base = AVRational{1, TIMEBASE};
+       if (avcodec_open2(context_audio, codec_audio, NULL) < 0) {
+               fprintf(stderr, "Could not open codec\n");
                exit(1);
        }
 
-       coded_fp = fopen("dump.h264", "wb");
-       assert(coded_fp != NULL);
-
        frame_width = width;
        frame_height = height;
        frame_width_mbaligned = (frame_width + 15) & (~15);
@@ -1806,9 +1896,6 @@ H264Encoder::~H264Encoder()
 
        release_encode();
        deinit_va();
-
-       av_write_trailer(avctx);
-       avformat_free_context(avctx);
 }
 
 bool H264Encoder::begin_frame(GLuint *y_tex, GLuint *cbcr_tex)
@@ -1875,21 +1962,34 @@ bool H264Encoder::begin_frame(GLuint *y_tex, GLuint *cbcr_tex)
        return true;
 }
 
-void H264Encoder::end_frame(GLsync fence)
+void H264Encoder::add_audio(int64_t pts, std::vector<float> audio)
+{
+       {
+               unique_lock<mutex> lock(frame_queue_mutex);
+               pending_audio_frames[pts] = move(audio);
+       }
+       frame_queue_nonempty.notify_one();
+}
+
+
+void H264Encoder::end_frame(RefCountedGLsync fence, int64_t pts, const std::vector<RefCountedFrame> &input_frames)
 {
        {
                unique_lock<mutex> lock(frame_queue_mutex);
-               pending_frames[current_storage_frame++] = fence;
+               pending_video_frames[current_storage_frame] = PendingFrame{ fence, input_frames, pts };
+               ++current_storage_frame;
        }
        frame_queue_nonempty.notify_one();
 }
 
 void H264Encoder::copy_thread_func()
 {
+       int64_t last_dts = -1;
        for ( ;; ) {
-               GLsync fence;
+               PendingFrame frame;
+               int pts_lag;
                encoding2display_order(current_frame_encoding, intra_period, intra_idr_period, ip_period,
-                                      &current_frame_display, &current_frame_type);
+                                      &current_frame_display, &current_frame_type, &pts_lag);
                if (current_frame_type == FRAME_IDR) {
                        numShortTerm = 0;
                        current_frame_num = 0;
@@ -1898,15 +1998,17 @@ void H264Encoder::copy_thread_func()
 
                {
                        unique_lock<mutex> lock(frame_queue_mutex);
-                       frame_queue_nonempty.wait(lock, [this]{ return copy_thread_should_quit || pending_frames.count(current_frame_display) != 0; });
+                       frame_queue_nonempty.wait(lock, [this]{ return copy_thread_should_quit || pending_video_frames.count(current_frame_display) != 0; });
                        if (copy_thread_should_quit) return;
-                       fence = pending_frames[current_frame_display];
-                       pending_frames.erase(current_frame_display);
+                       frame = move(pending_video_frames[current_frame_display]);
+                       pending_video_frames.erase(current_frame_display);
                }
 
                // Wait for the GPU to be done with the frame.
-               glClientWaitSync(fence, 0, 0);
-               glDeleteSync(fence);
+               glClientWaitSync(frame.fence.get(), 0, 0);
+
+               // Release back any input frames we needed to render this frame.
+               frame.input_frames.clear();
 
                // Unmap the image.
                GLSurface *surf = &gl_surfaces[current_frame_display % SURFACE_NUM];
@@ -1939,9 +2041,25 @@ void H264Encoder::copy_thread_func()
                va_status = vaEndPicture(va_dpy, context_id);
                CHECK_VASTATUS(va_status, "vaEndPicture");
 
+               // Determine the pts and dts of this frame.
+               int64_t pts = frame.pts;
+               int64_t dts;
+               if (pts_lag == -1) {
+                       assert(last_dts != -1);
+                       dts = last_dts + (TIMEBASE / frame_rate);
+               } else {
+                       dts = pts - pts_lag;
+               }
+               last_dts = dts;
+
                // so now the data is done encoding (well, async job kicked off)...
                // we send that to the storage thread
-               storage_task_enqueue(current_frame_display, current_frame_encoding, current_frame_type);
+               storage_task tmp;
+               tmp.display_order = current_frame_display;
+               tmp.frame_type = current_frame_type;
+               tmp.pts = pts;
+               tmp.dts = dts;
+               storage_task_enqueue(move(tmp));
                
                update_ReferenceFrames();
                ++current_frame_encoding;