git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavfilter/vf_bm3d.c

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2015-2016 mawen1250
   3  * Copyright (c) 2018 Paul B Mahol
   4  *
   5  * This file is part of FFmpeg.
   6  *
   7  * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy
   8  * of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal
   9  * in the Software without restriction, including without limitation the rights
  10  * to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell
  11  * copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is
  12  * furnished to do so, subject to the following conditions:
  13  *
  14  * The above copyright notice and this permission notice shall be included in all
  15  * copies or substantial portions of the Software.
  16  *
  17  * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR
  18  * IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,
  19  * FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE
  20  * AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER
  21  * LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM,
  22  * OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE
  23  * SOFTWARE.
  24  */
  25
  26 /**
  27  * @todo
  28  * - non-power of 2 DCT
  29  * - opponent color space
  30  * - temporal support
  31  */
  32
  33 #include <float.h>
  34
  35 #include "libavutil/avassert.h"
  36 #include "libavutil/imgutils.h"
  37 #include "libavutil/opt.h"
  38 #include "libavutil/pixdesc.h"
  39 #include "libavcodec/avfft.h"
  40 #include "avfilter.h"
  41 #include "filters.h"
  42 #include "formats.h"
  43 #include "framesync.h"
  44 #include "internal.h"
  45 #include "video.h"
  46
  47 #define MAX_NB_THREADS 32
  48
  49 enum FilterModes {
  50     BASIC,
  51     FINAL,
  52     NB_MODES,
  53 };
  54
  55 typedef struct ThreadData {
  56     const uint8_t *src;
  57     int src_linesize;
  58     const uint8_t *ref;
  59     int ref_linesize;
  60     int plane;
  61 } ThreadData;
  62
  63 typedef struct PosCode {
  64     int x, y;
  65 } PosCode;
  66
  67 typedef struct PosPairCode {
  68     double score;
  69     int x, y;
  70 } PosPairCode;
  71
  72 typedef struct SliceContext {
  73     DCTContext *gdctf, *gdcti;
  74     DCTContext *dctf, *dcti;
  75     FFTSample *bufferh;
  76     FFTSample *bufferv;
  77     FFTSample *bufferz;
  78     FFTSample *buffer;
  79     FFTSample *rbufferh;
  80     FFTSample *rbufferv;
  81     FFTSample *rbufferz;
  82     FFTSample *rbuffer;
  83     float *num, *den;
  84     PosPairCode match_blocks[256];
  85     int nb_match_blocks;
  86     PosCode *search_positions;
  87 } SliceContext;
  88
  89 typedef struct BM3DContext {
  90     const AVClass *class;
  91
  92     float sigma;
  93     int block_size;
  94     int block_step;
  95     int group_size;
  96     int bm_range;
  97     int bm_step;
  98     float th_mse;
  99     float hard_threshold;
 100     int mode;
 101     int ref;
 102     int planes;
 103
 104     int depth;
 105     int max;
 106     int nb_planes;
 107     int planewidth[4];
 108     int planeheight[4];
 109     int group_bits;
 110     int pgroup_size;
 111
 112     SliceContext slices[MAX_NB_THREADS];
 113
 114     FFFrameSync fs;
 115     int nb_threads;
 116
 117     void (*get_block_row)(const uint8_t *srcp, int src_linesize,
 118                           int y, int x, int block_size, float *dst);
 119     double (*do_block_ssd)(struct BM3DContext *s, PosCode *pos,
 120                            const uint8_t *src, int src_stride,
 121                            int r_y, int r_x);
 122     void (*do_output)(struct BM3DContext *s, uint8_t *dst, int dst_linesize,
 123                       int plane, int nb_jobs);
 124     void (*block_filtering)(struct BM3DContext *s,
 125                             const uint8_t *src, int src_linesize,
 126                             const uint8_t *ref, int ref_linesize,
 127                             int y, int x, int plane, int jobnr);
 128 } BM3DContext;
 129
 130 #define OFFSET(x) offsetof(BM3DContext, x)
 131 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
 132 static const AVOption bm3d_options[] = {
 133     { "sigma",  "set denoising strength",
 134         OFFSET(sigma),          AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1},     0,      99999.9, FLAGS },
 135     { "block",  "set log2(size) of local patch",
 136         OFFSET(block_size),     AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=4},     4,            6, FLAGS },
 137     { "bstep",  "set sliding step for processing blocks",
 138         OFFSET(block_step),     AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=4},     1,           64, FLAGS },
 139     { "group",  "set maximal number of similar blocks",
 140         OFFSET(group_size),     AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=1},     1,          256, FLAGS },
 141     { "range",  "set block matching range",
 142         OFFSET(bm_range),       AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=9},     1,    INT32_MAX, FLAGS },
 143     { "mstep",  "set step for block matching",
 144         OFFSET(bm_step),        AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=1},     1,           64, FLAGS },
 145     { "thmse",  "set threshold of mean square error for block matching",
 146         OFFSET(th_mse),         AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=0},     0,    INT32_MAX, FLAGS },
 147     { "hdthr",  "set hard threshold for 3D transfer domain",
 148         OFFSET(hard_threshold), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=2.7},   0,    INT32_MAX, FLAGS },
 149     { "estim",  "set filtering estimation mode",
 150         OFFSET(mode),           AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=BASIC}, 0,   NB_MODES-1, FLAGS, "mode" },
 151     { "basic",  "basic estimate",
 152         0,                      AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=BASIC}, 0,            0, FLAGS, "mode" },
 153     { "final",  "final estimate",
 154         0,                      AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FINAL}, 0,            0, FLAGS, "mode" },
 155     { "ref",    "have reference stream",
 156         OFFSET(ref),            AV_OPT_TYPE_BOOL,  {.i64=0},     0,            1, FLAGS },
 157     { "planes", "set planes to filter",
 158         OFFSET(planes),         AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=7},     0,           15, FLAGS },
 159     { NULL }
 160 };
 161
 162 AVFILTER_DEFINE_CLASS(bm3d);
 163
 164 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 165 {
 166     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {
 167         AV_PIX_FMT_GRAY8, AV_PIX_FMT_GRAY9, AV_PIX_FMT_GRAY10,
 168         AV_PIX_FMT_GRAY12, AV_PIX_FMT_GRAY14, AV_PIX_FMT_GRAY16,
 169         AV_PIX_FMT_YUV410P, AV_PIX_FMT_YUV411P,
 170         AV_PIX_FMT_YUV420P, AV_PIX_FMT_YUV422P,
 171         AV_PIX_FMT_YUV440P, AV_PIX_FMT_YUV444P,
 172         AV_PIX_FMT_YUVJ420P, AV_PIX_FMT_YUVJ422P,
 173         AV_PIX_FMT_YUVJ440P, AV_PIX_FMT_YUVJ444P,
 174         AV_PIX_FMT_YUVJ411P,
 175         AV_PIX_FMT_YUV420P9, AV_PIX_FMT_YUV422P9, AV_PIX_FMT_YUV444P9,
 176         AV_PIX_FMT_YUV420P10, AV_PIX_FMT_YUV422P10, AV_PIX_FMT_YUV444P10,
 177         AV_PIX_FMT_YUV440P10,
 178         AV_PIX_FMT_YUV444P12, AV_PIX_FMT_YUV422P12, AV_PIX_FMT_YUV420P12,
 179         AV_PIX_FMT_YUV440P12,
 180         AV_PIX_FMT_YUV444P14, AV_PIX_FMT_YUV422P14, AV_PIX_FMT_YUV420P14,
 181         AV_PIX_FMT_YUV420P16, AV_PIX_FMT_YUV422P16, AV_PIX_FMT_YUV444P16,
 182         AV_PIX_FMT_GBRP, AV_PIX_FMT_GBRP9, AV_PIX_FMT_GBRP10,
 183         AV_PIX_FMT_GBRP12, AV_PIX_FMT_GBRP14, AV_PIX_FMT_GBRP16,
 184         AV_PIX_FMT_YUVA420P,  AV_PIX_FMT_YUVA422P,   AV_PIX_FMT_YUVA444P,
 185         AV_PIX_FMT_YUVA444P9, AV_PIX_FMT_YUVA444P10, AV_PIX_FMT_YUVA444P12, AV_PIX_FMT_YUVA444P16,
 186         AV_PIX_FMT_YUVA422P9, AV_PIX_FMT_YUVA422P10, AV_PIX_FMT_YUVA422P12, AV_PIX_FMT_YUVA422P16,
 187         AV_PIX_FMT_YUVA420P9, AV_PIX_FMT_YUVA420P10, AV_PIX_FMT_YUVA420P16,
 188         AV_PIX_FMT_GBRAP,     AV_PIX_FMT_GBRAP10,    AV_PIX_FMT_GBRAP12,    AV_PIX_FMT_GBRAP16,
 189         AV_PIX_FMT_NONE
 190     };
 191
 192     AVFilterFormats *fmts_list = ff_make_format_list(pix_fmts);
 193     if (!fmts_list)
 194         return AVERROR(ENOMEM);
 195     return ff_set_common_formats(ctx, fmts_list);
 196 }
 197
 198 static int do_search_boundary(int pos, int plane_boundary, int search_range, int search_step)
 199 {
 200     int search_boundary;
 201
 202     search_range = search_range / search_step * search_step;
 203
 204     if (pos == plane_boundary) {
 205         search_boundary = plane_boundary;
 206     } else if (pos > plane_boundary) {
 207         search_boundary = pos - search_range;
 208
 209         while (search_boundary < plane_boundary) {
 210             search_boundary += search_step;
 211         }
 212     } else {
 213         search_boundary = pos + search_range;
 214
 215         while (search_boundary > plane_boundary) {
 216             search_boundary -= search_step;
 217         }
 218     }
 219
 220     return search_boundary;
 221 }
 222
 223 static int search_boundary(int plane_boundary, int search_range, int search_step, int vertical, int y, int x)
 224 {
 225     return do_search_boundary(vertical ? y : x, plane_boundary, search_range, search_step);
 226 }
 227
 228 static int cmp_scores(const void *a, const void *b)
 229 {
 230     const struct PosPairCode *pair1 = a;
 231     const struct PosPairCode *pair2 = b;
 232     return FFDIFFSIGN(pair1->score, pair2->score);
 233 }
 234
 235 static double do_block_ssd(BM3DContext *s, PosCode *pos, const uint8_t *src, int src_stride, int r_y, int r_x)
 236 {
 237     const uint8_t *srcp = src + pos->y * src_stride + pos->x;
 238     const uint8_t *refp = src + r_y * src_stride + r_x;
 239     const int block_size = s->block_size;
 240     double dist = 0.;
 241     int x, y;
 242
 243     for (y = 0; y < block_size; y++) {
 244         for (x = 0; x < block_size; x++) {
 245             double temp = refp[x] - srcp[x];
 246             dist += temp * temp;
 247         }
 248
 249         srcp += src_stride;
 250         refp += src_stride;
 251     }
 252
 253     return dist;
 254 }
 255
 256 static double do_block_ssd16(BM3DContext *s, PosCode *pos, const uint8_t *src, int src_stride, int r_y, int r_x)
 257 {
 258     const uint16_t *srcp = (uint16_t *)src + pos->y * src_stride / 2 + pos->x;
 259     const uint16_t *refp = (uint16_t *)src + r_y * src_stride / 2 + r_x;
 260     const int block_size = s->block_size;
 261     double dist = 0.;
 262     int x, y;
 263
 264     for (y = 0; y < block_size; y++) {
 265         for (x = 0; x < block_size; x++) {
 266             double temp = refp[x] - srcp[x];
 267             dist += temp * temp;
 268         }
 269
 270         srcp += src_stride / 2;
 271         refp += src_stride / 2;
 272     }
 273
 274     return dist;
 275 }
 276
 277 static void do_block_matching_multi(BM3DContext *s, const uint8_t *src, int src_stride, int src_range,
 278                                     const PosCode *search_pos, int search_size, float th_mse,
 279                                     int r_y, int r_x, int plane, int jobnr)
 280 {
 281     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
 282     double MSE2SSE = s->group_size * s->block_size * s->block_size * src_range * src_range / (s->max * s->max);
 283     double distMul = 1. / MSE2SSE;
 284     double th_sse = th_mse * MSE2SSE;
 285     int i, index = sc->nb_match_blocks;
 286
 287     for (i = 0; i < search_size; i++) {
 288         PosCode pos = search_pos[i];
 289         double dist;
 290
 291         dist = s->do_block_ssd(s, &pos, src, src_stride, r_y, r_x);
 292
 293         // Only match similar blocks but not identical blocks
 294         if (dist <= th_sse && dist != 0) {
 295             const double score = dist * distMul;
 296
 297             if (index >= s->group_size && score >= sc->match_blocks[index - 1].score) {
 298                 continue;
 299             }
 300
 301             if (index >= s->group_size)
 302                 index = s->group_size - 1;
 303
 304             sc->match_blocks[index].score = score;
 305             sc->match_blocks[index].y = pos.y;
 306             sc->match_blocks[index].x = pos.x;
 307             index++;
 308             qsort(sc->match_blocks, index, sizeof(PosPairCode), cmp_scores);
 309         }
 310     }
 311
 312     sc->nb_match_blocks = index;
 313 }
 314
 315 static void block_matching_multi(BM3DContext *s, const uint8_t *ref, int ref_linesize, int y, int x,
 316                                  int exclude_cur_pos, int plane, int jobnr)
 317 {
 318     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
 319     const int width = s->planewidth[plane];
 320     const int height = s->planeheight[plane];
 321     const int block_size = s->block_size;
 322     const int step = s->bm_step;
 323     const int range = s->bm_range / step * step;
 324     int l = search_boundary(0, range, step, 0, y, x);
 325     int r = search_boundary(width - block_size, range, step, 0, y, x);
 326     int t = search_boundary(0, range, step, 1, y, x);
 327     int b = search_boundary(height - block_size, range, step, 1, y, x);
 328     int j, i, index = 0;
 329
 330     for (j = t; j <= b; j += step) {
 331         for (i = l; i <= r; i += step) {
 332             PosCode pos;
 333
 334             if (exclude_cur_pos > 0 && j == y && i == x) {
 335                 continue;
 336             }
 337
 338             pos.y = j;
 339             pos.x = i;
 340             sc->search_positions[index++] = pos;
 341         }
 342     }
 343
 344     if (exclude_cur_pos == 1) {
 345         sc->match_blocks[0].score = 0;
 346         sc->match_blocks[0].y = y;
 347         sc->match_blocks[0].x = x;
 348         sc->nb_match_blocks = 1;
 349     }
 350
 351     do_block_matching_multi(s, ref, ref_linesize, s->bm_range,
 352                             sc->search_positions, index, s->th_mse, y, x, plane, jobnr);
 353 }
 354
 355 static void block_matching(BM3DContext *s, const uint8_t *ref, int ref_linesize,
 356                            int j, int i, int plane, int jobnr)
 357 {
 358     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
 359
 360     if (s->group_size == 1 || s->th_mse <= 0.f) {
 361         sc->match_blocks[0].score = 1;
 362         sc->match_blocks[0].x = i;
 363         sc->match_blocks[0].y = j;
 364         sc->nb_match_blocks = 1;
 365         return;
 366     }
 367
 368     sc->nb_match_blocks = 0;
 369     block_matching_multi(s, ref, ref_linesize, j, i, 1, plane, jobnr);
 370 }
 371
 372 static void get_block_row(const uint8_t *srcp, int src_linesize,
 373                           int y, int x, int block_size, float *dst)
 374 {
 375     const uint8_t *src = srcp + y * src_linesize + x;
 376     int j;
 377
 378     for (j = 0; j < block_size; j++) {
 379         dst[j] = src[j];
 380     }
 381 }
 382
 383 static void get_block_row16(const uint8_t *srcp, int src_linesize,
 384                             int y, int x, int block_size, float *dst)
 385 {
 386     const uint16_t *src = (uint16_t *)srcp + y * src_linesize / 2 + x;
 387     int j;
 388
 389     for (j = 0; j < block_size; j++) {
 390         dst[j] = src[j];
 391     }
 392 }
 393
 394 static void basic_block_filtering(BM3DContext *s, const uint8_t *src, int src_linesize,
 395                                   const uint8_t *ref, int ref_linesize,
 396                                   int y, int x, int plane, int jobnr)
 397 {
 398     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
 399     const int buffer_linesize = s->block_size * s->block_size;
 400     const int nb_match_blocks = sc->nb_match_blocks;
 401     const int block_size = s->block_size;
 402     const int width = s->planewidth[plane];
 403     const int pgroup_size = s->pgroup_size;
 404     const int group_size = s->group_size;
 405     float *buffer = sc->buffer;
 406     float *bufferh = sc->bufferh;
 407     float *bufferv = sc->bufferv;
 408     float *bufferz = sc->bufferz;
 409     float threshold[4];
 410     float den_weight, num_weight;
 411     int retained = 0;
 412     int i, j, k;
 413
 414     for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 415         const int y = sc->match_blocks[k].y;
 416         const int x = sc->match_blocks[k].x;
 417
 418         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 419             s->get_block_row(src, src_linesize, y + i, x, block_size, bufferh + block_size * i);
 420             av_dct_calc(sc->dctf, bufferh + block_size * i);
 421         }
 422
 423         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 424             for (j = 0; j < block_size; j++) {
 425                 bufferv[i * block_size + j] = bufferh[j * block_size + i];
 426             }
 427             av_dct_calc(sc->dctf, bufferv + i * block_size);
 428         }
 429
 430         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 431             memcpy(buffer + k * buffer_linesize + i * block_size,
 432                    bufferv + i * block_size, block_size * 4);
 433         }
 434     }
 435
 436     for (i = 0; i < block_size; i++) {
 437         for (j = 0; j < block_size; j++) {
 438             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++)
 439                 bufferz[k] = buffer[buffer_linesize * k + i * block_size + j];
 440             if (group_size > 1)
 441                 av_dct_calc(sc->gdctf, bufferz);
 442             bufferz += pgroup_size;
 443         }
 444     }
 445
 446     threshold[0] = s->hard_threshold * s->sigma * M_SQRT2 * block_size * block_size * (1 << (s->depth - 8)) / 255.f;
 447     threshold[1] = threshold[0] * sqrtf(2.f);
 448     threshold[2] = threshold[0] * 2.f;
 449     threshold[3] = threshold[0] * sqrtf(8.f);
 450     bufferz = sc->bufferz;
 451
 452     for (i = 0; i < block_size; i++) {
 453         for (j = 0; j < block_size; j++) {
 454             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 455                 const float thresh = threshold[(j == 0) + (i == 0) + (k == 0)];
 456
 457                 if (bufferz[k] > thresh || bufferz[k] < -thresh) {
 458                     retained++;
 459                 } else {
 460                     bufferz[k] = 0;
 461                 }
 462             }
 463             bufferz += pgroup_size;
 464         }
 465     }
 466
 467     bufferz = sc->bufferz;
 468     buffer = sc->buffer;
 469     for (i = 0; i < block_size; i++) {
 470         for (j = 0; j < block_size; j++) {
 471             if (group_size > 1)
 472                 av_dct_calc(sc->gdcti, bufferz);
 473             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 474                 buffer[buffer_linesize * k + i * block_size + j] = bufferz[k];
 475             }
 476             bufferz += pgroup_size;
 477         }
 478     }
 479
 480     den_weight = retained < 1 ? 1.f : 1.f / retained;
 481     num_weight = den_weight;
 482
 483     buffer = sc->buffer;
 484     for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 485         float *num = sc->num + y * width + x;
 486         float *den = sc->den + y * width + x;
 487
 488         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 489             memcpy(bufferv + i * block_size,
 490                    buffer + k * buffer_linesize + i * block_size,
 491                    block_size * 4);
 492         }
 493
 494         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 495             av_dct_calc(sc->dcti, bufferv + block_size * i);
 496             for (j = 0; j < block_size; j++) {
 497                 bufferh[j * block_size + i] = bufferv[i * block_size + j];
 498             }
 499         }
 500
 501         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 502             av_dct_calc(sc->dcti, bufferh + block_size * i);
 503             for (j = 0; j < block_size; j++) {
 504                 num[j] += bufferh[i * block_size + j] * num_weight;
 505                 den[j] += den_weight;
 506             }
 507             num += width;
 508             den += width;
 509         }
 510     }
 511 }
 512
 513 static void final_block_filtering(BM3DContext *s, const uint8_t *src, int src_linesize,
 514                                   const uint8_t *ref, int ref_linesize,
 515                                   int y, int x, int plane, int jobnr)
 516 {
 517     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
 518     const int buffer_linesize = s->block_size * s->block_size;
 519     const int nb_match_blocks = sc->nb_match_blocks;
 520     const int block_size = s->block_size;
 521     const int width = s->planewidth[plane];
 522     const int pgroup_size = s->pgroup_size;
 523     const int group_size = s->group_size;
 524     const float sigma_sqr = s->sigma * s->sigma;
 525     float *buffer = sc->buffer;
 526     float *bufferh = sc->bufferh;
 527     float *bufferv = sc->bufferv;
 528     float *bufferz = sc->bufferz;
 529     float *rbuffer = sc->rbuffer;
 530     float *rbufferh = sc->rbufferh;
 531     float *rbufferv = sc->rbufferv;
 532     float *rbufferz = sc->rbufferz;
 533     float den_weight, num_weight;
 534     float l2_wiener = 0;
 535     int i, j, k;
 536
 537     for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 538         const int y = sc->match_blocks[k].y;
 539         const int x = sc->match_blocks[k].x;
 540
 541         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 542             s->get_block_row(src, src_linesize, y + i, x, block_size, bufferh + block_size * i);
 543             s->get_block_row(ref, ref_linesize, y + i, x, block_size, rbufferh + block_size * i);
 544             av_dct_calc(sc->dctf, bufferh + block_size * i);
 545             av_dct_calc(sc->dctf, rbufferh + block_size * i);
 546         }
 547
 548         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 549             for (j = 0; j < block_size; j++) {
 550                 bufferv[i * block_size + j] = bufferh[j * block_size + i];
 551                 rbufferv[i * block_size + j] = rbufferh[j * block_size + i];
 552             }
 553             av_dct_calc(sc->dctf, bufferv + i * block_size);
 554             av_dct_calc(sc->dctf, rbufferv + i * block_size);
 555         }
 556
 557         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 558             memcpy(buffer + k * buffer_linesize + i * block_size,
 559                    bufferv + i * block_size, block_size * 4);
 560             memcpy(rbuffer + k * buffer_linesize + i * block_size,
 561                    rbufferv + i * block_size, block_size * 4);
 562         }
 563     }
 564
 565     for (i = 0; i < block_size; i++) {
 566         for (j = 0; j < block_size; j++) {
 567             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 568                 bufferz[k] = buffer[buffer_linesize * k + i * block_size + j];
 569                 rbufferz[k] = rbuffer[buffer_linesize * k + i * block_size + j];
 570             }
 571             if (group_size > 1) {
 572                 av_dct_calc(sc->gdctf, bufferz);
 573                 av_dct_calc(sc->gdctf, rbufferz);
 574             }
 575             bufferz += pgroup_size;
 576             rbufferz += pgroup_size;
 577         }
 578     }
 579
 580     bufferz = sc->bufferz;
 581     rbufferz = sc->rbufferz;
 582
 583     for (i = 0; i < block_size; i++) {
 584         for (j = 0; j < block_size; j++) {
 585             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 586                 const float ref_sqr = rbufferz[k] * rbufferz[k];
 587                 float wiener_coef = ref_sqr / (ref_sqr + sigma_sqr);
 588
 589                 if (isnan(wiener_coef))
 590                    wiener_coef = 1;
 591                 bufferz[k] *= wiener_coef;
 592                 l2_wiener += wiener_coef * wiener_coef;
 593             }
 594             bufferz += pgroup_size;
 595             rbufferz += pgroup_size;
 596         }
 597     }
 598
 599     bufferz = sc->bufferz;
 600     buffer = sc->buffer;
 601     for (i = 0; i < block_size; i++) {
 602         for (j = 0; j < block_size; j++) {
 603             if (group_size > 1)
 604                 av_dct_calc(sc->gdcti, bufferz);
 605             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 606                 buffer[buffer_linesize * k + i * block_size + j] = bufferz[k];
 607             }
 608             bufferz += pgroup_size;
 609         }
 610     }
 611
 612     l2_wiener = FFMAX(l2_wiener, 1e-15f);
 613     den_weight = 1.f / l2_wiener;
 614     num_weight = den_weight;
 615
 616     for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 617         float *num = sc->num + y * width + x;
 618         float *den = sc->den + y * width + x;
 619
 620         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 621             memcpy(bufferv + i * block_size,
 622                    buffer + k * buffer_linesize + i * block_size,
 623                    block_size * 4);
 624         }
 625
 626         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 627             av_dct_calc(sc->dcti, bufferv + block_size * i);
 628             for (j = 0; j < block_size; j++) {
 629                 bufferh[j * block_size + i] = bufferv[i * block_size + j];
 630             }
 631         }
 632
 633         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 634             av_dct_calc(sc->dcti, bufferh + block_size * i);
 635             for (j = 0; j < block_size; j++) {
 636                 num[j] += bufferh[i * block_size + j] * num_weight;
 637                 den[j] += den_weight;
 638             }
 639             num += width;
 640             den += width;
 641         }
 642     }
 643 }
 644
 645 static void do_output(BM3DContext *s, uint8_t *dst, int dst_linesize,
 646                       int plane, int nb_jobs)
 647 {
 648     const int height = s->planeheight[plane];
 649     const int width = s->planewidth[plane];
 650     int i, j, k;
 651
 652     for (i = 0; i < height; i++) {
 653         for (j = 0; j < width; j++) {
 654             uint8_t *dstp = dst + i * dst_linesize;
 655             float sum_den = 0.f;
 656             float sum_num = 0.f;
 657
 658             for (k = 0; k < nb_jobs; k++) {
 659                 SliceContext *sc = &s->slices[k];
 660                 float num = sc->num[i * width + j];
 661                 float den = sc->den[i * width + j];
 662
 663                 sum_num += num;
 664                 sum_den += den;
 665             }
 666
 667             dstp[j] = av_clip_uint8(lrintf(sum_num / sum_den));
 668         }
 669     }
 670 }
 671
 672 static void do_output16(BM3DContext *s, uint8_t *dst, int dst_linesize,
 673                         int plane, int nb_jobs)
 674 {
 675     const int height = s->planeheight[plane];
 676     const int width = s->planewidth[plane];
 677     const int depth = s->depth;
 678     int i, j, k;
 679
 680     for (i = 0; i < height; i++) {
 681         for (j = 0; j < width; j++) {
 682             uint16_t *dstp = (uint16_t *)dst + i * dst_linesize / 2;
 683             float sum_den = 0.f;
 684             float sum_num = 0.f;
 685
 686             for (k = 0; k < nb_jobs; k++) {
 687                 SliceContext *sc = &s->slices[k];
 688                 float num = sc->num[i * width + j];
 689                 float den = sc->den[i * width + j];
 690
 691                 sum_num += num;
 692                 sum_den += den;
 693             }
 694
 695             dstp[j] = av_clip_uintp2_c(lrintf(sum_num / sum_den), depth);
 696         }
 697     }
 698 }
 699
 700 static int filter_slice(AVFilterContext *ctx, void *arg, int jobnr, int nb_jobs)
 701 {
 702     BM3DContext *s = ctx->priv;
 703     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
 704     const int block_step = s->block_step;
 705     ThreadData *td = arg;
 706     const uint8_t *src = td->src;
 707     const uint8_t *ref = td->ref;
 708     const int src_linesize = td->src_linesize;
 709     const int ref_linesize = td->ref_linesize;
 710     const int plane = td->plane;
 711     const int width = s->planewidth[plane];
 712     const int height = s->planeheight[plane];
 713     const int block_pos_bottom = FFMAX(0, height - s->block_size);
 714     const int block_pos_right  = FFMAX(0, width - s->block_size);
 715     const int slice_start = (((height + block_step - 1) / block_step) * jobnr / nb_jobs) * block_step;
 716     const int slice_end = (jobnr == nb_jobs - 1) ? block_pos_bottom + block_step :
 717                           (((height + block_step - 1) / block_step) * (jobnr + 1) / nb_jobs) * block_step;
 718     int i, j;
 719
 720     memset(sc->num, 0, width * height * sizeof(FFTSample));
 721     memset(sc->den, 0, width * height * sizeof(FFTSample));
 722
 723     for (j = slice_start; j < slice_end; j += block_step) {
 724         if (j > block_pos_bottom) {
 725             j = block_pos_bottom;
 726         }
 727
 728         for (i = 0; i < block_pos_right + block_step; i += block_step) {
 729             if (i > block_pos_right) {
 730                 i = block_pos_right;
 731             }
 732
 733             block_matching(s, ref, ref_linesize, j, i, plane, jobnr);
 734
 735             s->block_filtering(s, src, src_linesize,
 736                                ref, ref_linesize, j, i, plane, jobnr);
 737         }
 738     }
 739
 740     return 0;
 741 }
 742
 743 static int filter_frame(AVFilterContext *ctx, AVFrame **out, AVFrame *in, AVFrame *ref)
 744 {
 745     BM3DContext *s = ctx->priv;
 746     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 747     int p;
 748
 749     *out = ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
 750     if (!*out)
 751         return AVERROR(ENOMEM);
 752     av_frame_copy_props(*out, in);
 753
 754     for (p = 0; p < s->nb_planes; p++) {
 755         const int nb_jobs = FFMAX(1, FFMIN(s->nb_threads, s->planeheight[p] / s->block_size));
 756         ThreadData td;
 757
 758         if (!((1 << p) & s->planes) || ctx->is_disabled) {
 759             av_image_copy_plane((*out)->data[p], (*out)->linesize[p],
 760                                 in->data[p], in->linesize[p],
 761                                 s->planewidth[p], s->planeheight[p]);
 762             continue;
 763         }
 764
 765         td.src = in->data[p];
 766         td.src_linesize = in->linesize[p];
 767         td.ref = ref->data[p];
 768         td.ref_linesize = ref->linesize[p];
 769         td.plane = p;
 770         ctx->internal->execute(ctx, filter_slice, &td, NULL, nb_jobs);
 771
 772         s->do_output(s, (*out)->data[p], (*out)->linesize[p], p, nb_jobs);
 773     }
 774
 775     return 0;
 776 }
 777
 778 #define SQR(x) ((x) * (x))
 779
 780 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
 781 {
 782     const AVPixFmtDescriptor *desc = av_pix_fmt_desc_get(inlink->format);
 783     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 784     BM3DContext *s = ctx->priv;
 785     int i, group_bits;
 786
 787     s->nb_threads = FFMIN(ff_filter_get_nb_threads(ctx), MAX_NB_THREADS);
 788     s->nb_planes = av_pix_fmt_count_planes(inlink->format);
 789     s->depth = desc->comp[0].depth;
 790     s->max = (1 << s->depth) - 1;
 791     s->planeheight[1] = s->planeheight[2] = AV_CEIL_RSHIFT(inlink->h, desc->log2_chroma_h);
 792     s->planeheight[0] = s->planeheight[3] = inlink->h;
 793     s->planewidth[1]  = s->planewidth[2]  = AV_CEIL_RSHIFT(inlink->w, desc->log2_chroma_w);
 794     s->planewidth[0]  = s->planewidth[3]  = inlink->w;
 795
 796     for (group_bits = 4; 1 << group_bits < s->group_size; group_bits++);
 797     s->group_bits = group_bits;
 798     s->pgroup_size = 1 << group_bits;
 799
 800     for (i = 0; i < s->nb_threads; i++) {
 801         SliceContext *sc = &s->slices[i];
 802
 803         sc->num = av_calloc(FFALIGN(s->planewidth[0], s->block_size) * FFALIGN(s->planeheight[0], s->block_size), sizeof(FFTSample));
 804         sc->den = av_calloc(FFALIGN(s->planewidth[0], s->block_size) * FFALIGN(s->planeheight[0], s->block_size), sizeof(FFTSample));
 805         if (!sc->num || !sc->den)
 806             return AVERROR(ENOMEM);
 807
 808         sc->dctf = av_dct_init(av_log2(s->block_size), DCT_II);
 809         sc->dcti = av_dct_init(av_log2(s->block_size), DCT_III);
 810         if (!sc->dctf || !sc->dcti)
 811             return AVERROR(ENOMEM);
 812
 813         if (s->group_bits > 1) {
 814             sc->gdctf = av_dct_init(s->group_bits, DCT_II);
 815             sc->gdcti = av_dct_init(s->group_bits, DCT_III);
 816             if (!sc->gdctf || !sc->gdcti)
 817                 return AVERROR(ENOMEM);
 818         }
 819
 820         sc->buffer = av_calloc(s->block_size * s->block_size * s->pgroup_size, sizeof(*sc->buffer));
 821         sc->bufferz = av_calloc(s->block_size * s->block_size * s->pgroup_size, sizeof(*sc->bufferz));
 822         sc->bufferh = av_calloc(s->block_size * s->block_size, sizeof(*sc->bufferh));
 823         sc->bufferv = av_calloc(s->block_size * s->block_size, sizeof(*sc->bufferv));
 824         if (!sc->bufferh || !sc->bufferv || !sc->buffer || !sc->bufferz)
 825             return AVERROR(ENOMEM);
 826
 827         if (s->mode == FINAL) {
 828             sc->rbuffer = av_calloc(s->block_size * s->block_size * s->pgroup_size, sizeof(*sc->rbuffer));
 829             sc->rbufferz = av_calloc(s->block_size * s->block_size * s->pgroup_size, sizeof(*sc->rbufferz));
 830             sc->rbufferh = av_calloc(s->block_size * s->block_size, sizeof(*sc->rbufferh));
 831             sc->rbufferv = av_calloc(s->block_size * s->block_size, sizeof(*sc->rbufferv));
 832             if (!sc->rbufferh || !sc->rbufferv || !sc->rbuffer || !sc->rbufferz)
 833                 return AVERROR(ENOMEM);
 834         }
 835
 836         sc->search_positions = av_calloc(SQR(2 * s->bm_range / s->bm_step + 1), sizeof(*sc->search_positions));
 837         if (!sc->search_positions)
 838             return AVERROR(ENOMEM);
 839     }
 840
 841     s->do_output = do_output;
 842     s->do_block_ssd = do_block_ssd;
 843     s->get_block_row = get_block_row;
 844
 845     if (s->depth > 8) {
 846         s->do_output = do_output16;
 847         s->do_block_ssd = do_block_ssd16;
 848         s->get_block_row = get_block_row16;
 849     }
 850
 851     return 0;
 852 }
 853
 854 static int activate(AVFilterContext *ctx)
 855 {
 856     BM3DContext *s = ctx->priv;
 857
 858     if (!s->ref) {
 859         AVFrame *frame = NULL;
 860         AVFrame *out = NULL;
 861         int ret, status;
 862         int64_t pts;
 863
 864         FF_FILTER_FORWARD_STATUS_BACK(ctx->outputs[0], ctx->inputs[0]);
 865
 866         if ((ret = ff_inlink_consume_frame(ctx->inputs[0], &frame)) > 0) {
 867             ret = filter_frame(ctx, &out, frame, frame);
 868             av_frame_free(&frame);
 869             if (ret < 0)
 870                 return ret;
 871             ret = ff_filter_frame(ctx->outputs[0], out);
 872         }
 873         if (ret < 0) {
 874             return ret;
 875         } else if (ff_inlink_acknowledge_status(ctx->inputs[0], &status, &pts)) {
 876             ff_outlink_set_status(ctx->outputs[0], status, pts);
 877             return 0;
 878         } else {
 879             if (ff_outlink_frame_wanted(ctx->outputs[0]))
 880                 ff_inlink_request_frame(ctx->inputs[0]);
 881             return 0;
 882         }
 883     } else {
 884         return ff_framesync_activate(&s->fs);
 885     }
 886 }
 887
 888 static int process_frame(FFFrameSync *fs)
 889 {
 890     AVFilterContext *ctx = fs->parent;
 891     BM3DContext *s = fs->opaque;
 892     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 893     AVFrame *out = NULL, *src, *ref;
 894     int ret;
 895
 896     if ((ret = ff_framesync_get_frame(&s->fs, 0, &src, 0)) < 0 ||
 897         (ret = ff_framesync_get_frame(&s->fs, 1, &ref, 0)) < 0)
 898         return ret;
 899
 900     if ((ret = filter_frame(ctx, &out, src, ref)) < 0)
 901         return ret;
 902
 903     out->pts = av_rescale_q(src->pts, s->fs.time_base, outlink->time_base);
 904
 905     return ff_filter_frame(outlink, out);
 906 }
 907
 908 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx)
 909 {
 910     BM3DContext *s = ctx->priv;
 911     AVFilterPad pad = { 0 };
 912     int ret;
 913
 914     if (s->mode == BASIC) {
 915         if (s->th_mse == 0.f)
 916             s->th_mse = 400.f + s->sigma * 80.f;
 917         s->block_filtering = basic_block_filtering;
 918     } else if (s->mode == FINAL) {
 919         if (!s->ref) {
 920             av_log(ctx, AV_LOG_WARNING, "Reference stream is mandatory in final estimation mode.\n");
 921             s->ref = 1;
 922         }
 923         if (s->th_mse == 0.f)
 924             s->th_mse = 200.f + s->sigma * 10.f;
 925
 926         s->block_filtering = final_block_filtering;
 927     } else {
 928         return AVERROR_BUG;
 929     }
 930
 931     s->block_size = 1 << s->block_size;
 932
 933     if (s->block_step > s->block_size) {
 934         av_log(ctx, AV_LOG_WARNING, "bstep: %d can't be bigger than block size. Changing to %d.\n",
 935                s->block_step, s->block_size);
 936         s->block_step = s->block_size;
 937     }
 938     if (s->bm_step > s->bm_range) {
 939         av_log(ctx, AV_LOG_WARNING, "mstep: %d can't be bigger than block matching range. Changing to %d.\n",
 940                s->bm_step, s->bm_range);
 941         s->bm_step = s->bm_range;
 942     }
 943
 944     pad.type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO;
 945     pad.name         = "source";
 946     pad.config_props = config_input;
 947
 948     if ((ret = ff_insert_inpad(ctx, 0, &pad)) < 0)
 949         return ret;
 950
 951     if (s->ref) {
 952         pad.type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO;
 953         pad.name         = "reference";
 954         pad.config_props = NULL;
 955
 956         if ((ret = ff_insert_inpad(ctx, 1, &pad)) < 0)
 957             return ret;
 958     }
 959
 960     return 0;
 961 }
 962
 963 static int config_output(AVFilterLink *outlink)
 964 {
 965     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
 966     BM3DContext *s = ctx->priv;
 967     AVFilterLink *src = ctx->inputs[0];
 968     AVFilterLink *ref;
 969     FFFrameSyncIn *in;
 970     int ret;
 971
 972     if (s->ref) {
 973         ref = ctx->inputs[1];
 974
 975         if (src->format != ref->format) {
 976             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "inputs must be of same pixel format\n");
 977             return AVERROR(EINVAL);
 978         }
 979         if (src->w                       != ref->w ||
 980             src->h                       != ref->h) {
 981             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "First input link %s parameters "
 982                    "(size %dx%d) do not match the corresponding "
 983                    "second input link %s parameters (%dx%d) ",
 984                    ctx->input_pads[0].name, src->w, src->h,
 985                    ctx->input_pads[1].name, ref->w, ref->h);
 986             return AVERROR(EINVAL);
 987         }
 988     }
 989
 990     outlink->w = src->w;
 991     outlink->h = src->h;
 992     outlink->time_base = src->time_base;
 993     outlink->sample_aspect_ratio = src->sample_aspect_ratio;
 994     outlink->frame_rate = src->frame_rate;
 995
 996     if (!s->ref)
 997         return 0;
 998
 999     if ((ret = ff_framesync_init(&s->fs, ctx, 2)) < 0)
1000         return ret;
1001
1002     in = s->fs.in;
1003     in[0].time_base = src->time_base;
1004     in[1].time_base = ref->time_base;
1005     in[0].sync   = 1;
1006     in[0].before = EXT_STOP;
1007     in[0].after  = EXT_STOP;
1008     in[1].sync   = 1;
1009     in[1].before = EXT_STOP;
1010     in[1].after  = EXT_STOP;
1011     s->fs.opaque   = s;
1012     s->fs.on_event = process_frame;
1013
1014     return ff_framesync_configure(&s->fs);
1015 }
1016
1017 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
1018 {
1019     BM3DContext *s = ctx->priv;
1020     int i;
1021
1022     if (s->ref)
1023         ff_framesync_uninit(&s->fs);
1024
1025     for (i = 0; i < s->nb_threads; i++) {
1026         SliceContext *sc = &s->slices[i];
1027
1028         av_freep(&sc->num);
1029         av_freep(&sc->den);
1030
1031         av_dct_end(sc->gdctf);
1032         av_dct_end(sc->gdcti);
1033         av_dct_end(sc->dctf);
1034         av_dct_end(sc->dcti);
1035
1036         av_freep(&sc->buffer);
1037         av_freep(&sc->bufferh);
1038         av_freep(&sc->bufferv);
1039         av_freep(&sc->bufferz);
1040         av_freep(&sc->rbuffer);
1041         av_freep(&sc->rbufferh);
1042         av_freep(&sc->rbufferv);
1043         av_freep(&sc->rbufferz);
1044
1045         av_freep(&sc->search_positions);
1046     }
1047 }
1048
1049 static const AVFilterPad bm3d_outputs[] = {
1050     {
1051         .name         = "default",
1052         .type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
1053         .config_props = config_output,
1054     },
1055     { NULL }
1056 };
1057
1058 const AVFilter ff_vf_bm3d = {
1059     .name          = "bm3d",
1060     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Block-Matching 3D denoiser."),
1061     .priv_size     = sizeof(BM3DContext),
1062     .init          = init,
1063     .uninit        = uninit,
1064     .activate      = activate,
1065     .query_formats = query_formats,
1066     .inputs        = NULL,
1067     .outputs       = bm3d_outputs,
1068     .priv_class    = &bm3d_class,
1069     .flags         = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_INTERNAL |
1070                      AVFILTER_FLAG_DYNAMIC_INPUTS |
1071                      AVFILTER_FLAG_SLICE_THREADS,
1072 };