]> git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavcodec/ac3enc.c
98c0816aee18e34b2247a769e0d1470f0764d427
[ffmpeg] / libavcodec / ac3enc.c
1 /*
2  * The simplest AC-3 encoder
3  * Copyright (c) 2000 Fabrice Bellard
4  *
5  * This file is part of FFmpeg.
6  *
7  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
8  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
9  * License as published by the Free Software Foundation; either
10  * version 2.1 of the License, or (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 GNU
15  * Lesser General Public License for more details.
16  *
17  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
18  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
19  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
20  */
21
22 /**
23  * @file
24  * The simplest AC-3 encoder.
25  */
26
27 //#define DEBUG
28
29 #include "libavcore/audioconvert.h"
30 #include "libavutil/crc.h"
31 #include "avcodec.h"
32 #include "put_bits.h"
33 #include "ac3.h"
34 #include "audioconvert.h"
35
36
37 #define MDCT_NBITS 9
38 #define MDCT_SAMPLES (1 << MDCT_NBITS)
39
40 /** Maximum number of exponent groups. +1 for separate DC exponent. */
41 #define AC3_MAX_EXP_GROUPS 85
42
43 /** Scale a float value by 2^bits and convert to an integer. */
44 #define SCALE_FLOAT(a, bits) lrintf((a) * (float)(1 << (bits)))
45
46 /** Scale a float value by 2^15, convert to an integer, and clip to int16_t range. */
47 #define FIX15(a) av_clip_int16(SCALE_FLOAT(a, 15))
48
49
50 /**
51  * Compex number.
52  * Used in fixed-point MDCT calculation.
53  */
54 typedef struct IComplex {
55     int16_t re,im;
56 } IComplex;
57
58 /**
59  * AC-3 encoder private context.
60  */
61 typedef struct AC3EncodeContext {
62     PutBitContext pb;                       ///< bitstream writer context
63
64     int bitstream_id;                       ///< bitstream id                           (bsid)
65     int bitstream_mode;                     ///< bitstream mode                         (bsmod)
66
67     int bit_rate;                           ///< target bit rate, in bits-per-second
68     int sample_rate;                        ///< sampling frequency, in Hz
69
70     int frame_size_min;                     ///< minimum frame size in case rounding is necessary
71     int frame_size;                         ///< current frame size in bytes
72     int frame_size_code;                    ///< frame size code                        (frmsizecod)
73     int bits_written;                       ///< bit count    (used to avg. bitrate)
74     int samples_written;                    ///< sample count (used to avg. bitrate)
75
76     int fbw_channels;                       ///< number of full-bandwidth channels      (nfchans)
77     int channels;                           ///< total number of channels               (nchans)
78     int lfe_on;                             ///< indicates if there is an LFE channel   (lfeon)
79     int lfe_channel;                        ///< channel index of the LFE channel
80     int channel_mode;                       ///< channel mode                           (acmod)
81     const uint8_t *channel_map;             ///< channel map used to reorder channels
82
83     int bandwidth_code[AC3_MAX_CHANNELS];   ///< bandwidth code (0 to 60)               (chbwcod)
84     int nb_coefs[AC3_MAX_CHANNELS];
85
86     /* bitrate allocation control */
87     int slow_gain_code;                     ///< slow gain code                         (sgaincod)
88     int slow_decay_code;                    ///< slow decay code                        (sdcycod)
89     int fast_decay_code;                    ///< fast decay code                        (fdcycod)
90     int db_per_bit_code;                    ///< dB/bit code                            (dbpbcod)
91     int floor_code;                         ///< floor code                             (floorcod)
92     AC3BitAllocParameters bit_alloc;        ///< bit allocation parameters
93     int coarse_snr_offset;                  ///< coarse SNR offsets                     (csnroffst)
94     int fast_gain_code[AC3_MAX_CHANNELS];   ///< fast gain codes (signal-to-mask ratio) (fgaincod)
95     int fine_snr_offset[AC3_MAX_CHANNELS];  ///< fine SNR offsets                       (fsnroffst)
96
97     /* mantissa encoding */
98     int mant1_cnt, mant2_cnt, mant4_cnt;    ///< mantissa counts for bap=1,2,4
99     uint16_t *qmant1_ptr, *qmant2_ptr, *qmant4_ptr; ///< mantissa pointers for bap=1,2,4
100
101     int16_t last_samples[AC3_MAX_CHANNELS][AC3_BLOCK_SIZE]; ///< last 256 samples from previous frame
102 } AC3EncodeContext;
103
104
105 /** MDCT and FFT tables */
106 static int16_t costab[64];
107 static int16_t sintab[64];
108 static int16_t xcos1[128];
109 static int16_t xsin1[128];
110
111
112 /**
113  * Adjust the frame size to make the average bit rate match the target bit rate.
114  * This is only needed for 11025, 22050, and 44100 sample rates.
115  */
116 static void adjust_frame_size(AC3EncodeContext *s)
117 {
118     while (s->bits_written >= s->bit_rate && s->samples_written >= s->sample_rate) {
119         s->bits_written    -= s->bit_rate;
120         s->samples_written -= s->sample_rate;
121     }
122     s->frame_size = s->frame_size_min + 2 * (s->bits_written * s->sample_rate < s->samples_written * s->bit_rate);
123     s->bits_written    += s->frame_size * 8;
124     s->samples_written += AC3_FRAME_SIZE;
125 }
126
127
128 /**
129  * Deinterleave input samples.
130  * Channels are reordered from FFmpeg's default order to AC-3 order.
131  */
132 static void deinterleave_input_samples(AC3EncodeContext *s,
133                                        const int16_t *samples,
134                                        int16_t planar_samples[AC3_MAX_CHANNELS][AC3_BLOCK_SIZE+AC3_FRAME_SIZE])
135 {
136     int ch, i;
137
138     /* deinterleave and remap input samples */
139     for (ch = 0; ch < s->channels; ch++) {
140         const int16_t *sptr;
141         int sinc;
142
143         /* copy last 256 samples of previous frame to the start of the current frame */
144         memcpy(&planar_samples[ch][0], s->last_samples[ch],
145                AC3_BLOCK_SIZE * sizeof(planar_samples[0][0]));
146
147         /* deinterleave */
148         sinc = s->channels;
149         sptr = samples + s->channel_map[ch];
150         for (i = AC3_BLOCK_SIZE; i < AC3_FRAME_SIZE+AC3_BLOCK_SIZE; i++) {
151             planar_samples[ch][i] = *sptr;
152             sptr += sinc;
153         }
154
155         /* save last 256 samples for next frame */
156         memcpy(s->last_samples[ch], &planar_samples[ch][6* AC3_BLOCK_SIZE],
157                AC3_BLOCK_SIZE * sizeof(planar_samples[0][0]));
158     }
159 }
160
161
162 /**
163  * Initialize FFT tables.
164  * @param ln log2(FFT size)
165  */
166 static av_cold void fft_init(int ln)
167 {
168     int i, n, n2;
169     float alpha;
170
171     n  = 1 << ln;
172     n2 = n >> 1;
173
174     for (i = 0; i < n2; i++) {
175         alpha     = 2.0 * M_PI * i / n;
176         costab[i] = FIX15(cos(alpha));
177         sintab[i] = FIX15(sin(alpha));
178     }
179 }
180
181
182 /**
183  * Initialize MDCT tables.
184  * @param nbits log2(MDCT size)
185  */
186 static av_cold void mdct_init(int nbits)
187 {
188     int i, n, n4;
189
190     n  = 1 << nbits;
191     n4 = n >> 2;
192
193     fft_init(nbits - 2);
194
195     for (i = 0; i < n4; i++) {
196         float alpha = 2.0 * M_PI * (i + 1.0 / 8.0) / n;
197         xcos1[i] = FIX15(-cos(alpha));
198         xsin1[i] = FIX15(-sin(alpha));
199     }
200 }
201
202
203 /** Butterfly op */
204 #define BF(pre, pim, qre, qim, pre1, pim1, qre1, qim1)  \
205 {                                                       \
206   int ax, ay, bx, by;                                   \
207   bx  = pre1;                                           \
208   by  = pim1;                                           \
209   ax  = qre1;                                           \
210   ay  = qim1;                                           \
211   pre = (bx + ax) >> 1;                                 \
212   pim = (by + ay) >> 1;                                 \
213   qre = (bx - ax) >> 1;                                 \
214   qim = (by - ay) >> 1;                                 \
215 }
216
217
218 /** Complex multiply */
219 #define CMUL(pre, pim, are, aim, bre, bim)              \
220 {                                                       \
221    pre = (MUL16(are, bre) - MUL16(aim, bim)) >> 15;     \
222    pim = (MUL16(are, bim) + MUL16(bre, aim)) >> 15;     \
223 }
224
225
226 /**
227  * Calculate a 2^n point complex FFT on 2^ln points.
228  * @param z  complex input/output samples
229  * @param ln log2(FFT size)
230  */
231 static void fft(IComplex *z, int ln)
232 {
233     int j, l, np, np2;
234     int nblocks, nloops;
235     register IComplex *p,*q;
236     int tmp_re, tmp_im;
237
238     np = 1 << ln;
239
240     /* reverse */
241     for (j = 0; j < np; j++) {
242         int k = av_reverse[j] >> (8 - ln);
243         if (k < j)
244             FFSWAP(IComplex, z[k], z[j]);
245     }
246
247     /* pass 0 */
248
249     p = &z[0];
250     j = np >> 1;
251     do {
252         BF(p[0].re, p[0].im, p[1].re, p[1].im,
253            p[0].re, p[0].im, p[1].re, p[1].im);
254         p += 2;
255     } while (--j);
256
257     /* pass 1 */
258
259     p = &z[0];
260     j = np >> 2;
261     do {
262         BF(p[0].re, p[0].im, p[2].re,  p[2].im,
263            p[0].re, p[0].im, p[2].re,  p[2].im);
264         BF(p[1].re, p[1].im, p[3].re,  p[3].im,
265            p[1].re, p[1].im, p[3].im, -p[3].re);
266         p+=4;
267     } while (--j);
268
269     /* pass 2 .. ln-1 */
270
271     nblocks = np >> 3;
272     nloops  =  1 << 2;
273     np2     = np >> 1;
274     do {
275         p = z;
276         q = z + nloops;
277         for (j = 0; j < nblocks; j++) {
278             BF(p->re, p->im, q->re, q->im,
279                p->re, p->im, q->re, q->im);
280             p++;
281             q++;
282             for(l = nblocks; l < np2; l += nblocks) {
283                 CMUL(tmp_re, tmp_im, costab[l], -sintab[l], q->re, q->im);
284                 BF(p->re, p->im, q->re,  q->im,
285                    p->re, p->im, tmp_re, tmp_im);
286                 p++;
287                 q++;
288             }
289             p += nloops;
290             q += nloops;
291         }
292         nblocks = nblocks >> 1;
293         nloops  = nloops  << 1;
294     } while (nblocks);
295 }
296
297
298 /**
299  * Calculate a 512-point MDCT
300  * @param out 256 output frequency coefficients
301  * @param in  512 windowed input audio samples
302  */
303 static void mdct512(int32_t *out, int16_t *in)
304 {
305     int i, re, im, re1, im1;
306     int16_t rot[MDCT_SAMPLES];
307     IComplex x[MDCT_SAMPLES/4];
308
309     /* shift to simplify computations */
310     for (i = 0; i < MDCT_SAMPLES/4; i++)
311         rot[i] = -in[i + 3*MDCT_SAMPLES/4];
312     for (;i < MDCT_SAMPLES; i++)
313         rot[i] =  in[i -   MDCT_SAMPLES/4];
314
315     /* pre rotation */
316     for (i = 0; i < MDCT_SAMPLES/4; i++) {
317         re =  ((int)rot[               2*i] - (int)rot[MDCT_SAMPLES  -1-2*i]) >> 1;
318         im = -((int)rot[MDCT_SAMPLES/2+2*i] - (int)rot[MDCT_SAMPLES/2-1-2*i]) >> 1;
319         CMUL(x[i].re, x[i].im, re, im, -xcos1[i], xsin1[i]);
320     }
321
322     fft(x, MDCT_NBITS - 2);
323
324     /* post rotation */
325     for (i = 0; i < MDCT_SAMPLES/4; i++) {
326         re = x[i].re;
327         im = x[i].im;
328         CMUL(re1, im1, re, im, xsin1[i], xcos1[i]);
329         out[                 2*i] = im1;
330         out[MDCT_SAMPLES/2-1-2*i] = re1;
331     }
332 }
333
334
335 /**
336  * Apply KBD window to input samples prior to MDCT.
337  */
338 static void apply_window(int16_t *output, const int16_t *input,
339                          const int16_t *window, int n)
340 {
341     int i;
342     int n2 = n >> 1;
343
344     for (i = 0; i < n2; i++) {
345         output[i]     = MUL16(input[i],     window[i]) >> 15;
346         output[n-i-1] = MUL16(input[n-i-1], window[i]) >> 15;
347     }
348 }
349
350
351 /**
352  * Calculate the log2() of the maximum absolute value in an array.
353  * @param tab input array
354  * @param n   number of values in the array
355  * @return    log2(max(abs(tab[])))
356  */
357 static int log2_tab(int16_t *tab, int n)
358 {
359     int i, v;
360
361     v = 0;
362     for (i = 0; i < n; i++)
363         v |= abs(tab[i]);
364
365     return av_log2(v);
366 }
367
368
369 /**
370  * Left-shift each value in an array by a specified amount.
371  * @param tab    input array
372  * @param n      number of values in the array
373  * @param lshift left shift amount. a negative value means right shift.
374  */
375 static void lshift_tab(int16_t *tab, int n, int lshift)
376 {
377     int i;
378
379     if (lshift > 0) {
380         for(i = 0; i < n; i++)
381             tab[i] <<= lshift;
382     } else if (lshift < 0) {
383         lshift = -lshift;
384         for (i = 0; i < n; i++)
385             tab[i] >>= lshift;
386     }
387 }
388
389
390 /**
391  * Normalize the input samples to use the maximum available precision.
392  * This assumes signed 16-bit input samples. Exponents are reduced by 9 to
393  * match the 24-bit internal precision for MDCT coefficients.
394  *
395  * @return exponent shift
396  */
397 static int normalize_samples(AC3EncodeContext *s,
398                              int16_t windowed_samples[AC3_WINDOW_SIZE])
399 {
400     int v = 14 - log2_tab(windowed_samples, AC3_WINDOW_SIZE);
401     v = FFMAX(0, v);
402     lshift_tab(windowed_samples, AC3_WINDOW_SIZE, v);
403     return v - 9;
404 }
405
406
407 /**
408  * Apply the MDCT to input samples to generate frequency coefficients.
409  * This applies the KBD window and normalizes the input to reduce precision
410  * loss due to fixed-point calculations.
411  */
412 static void apply_mdct(AC3EncodeContext *s,
413                        int16_t planar_samples[AC3_MAX_CHANNELS][AC3_BLOCK_SIZE+AC3_FRAME_SIZE],
414                        int8_t exp_shift[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
415                        int32_t mdct_coef[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS])
416 {
417     int blk, ch;
418     int16_t windowed_samples[AC3_WINDOW_SIZE];
419
420     for (ch = 0; ch < s->channels; ch++) {
421         for (blk = 0; blk < AC3_MAX_BLOCKS; blk++) {
422             const int16_t *input_samples = &planar_samples[ch][blk * AC3_BLOCK_SIZE];
423
424             apply_window(windowed_samples, input_samples, ff_ac3_window, AC3_WINDOW_SIZE);
425
426             exp_shift[blk][ch] = normalize_samples(s, windowed_samples);
427
428             mdct512(mdct_coef[blk][ch], windowed_samples);
429         }
430     }
431 }
432
433
434 /**
435  * Extract exponents from the MDCT coefficients.
436  * This takes into account the normalization that was done to the input samples
437  * by adjusting the exponents by the exponent shift values.
438  */
439 static void extract_exponents(AC3EncodeContext *s,
440                               int32_t mdct_coef[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
441                               int8_t exp_shift[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
442                               uint8_t exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS])
443 {
444     int blk, ch, i;
445
446     /* extract exponents */
447     for (ch = 0; ch < s->channels; ch++) {
448         for (blk = 0; blk < AC3_MAX_BLOCKS; blk++) {
449             /* compute "exponents". We take into account the normalization there */
450             for (i = 0; i < AC3_MAX_COEFS; i++) {
451                 int e;
452                 int v = abs(mdct_coef[blk][ch][i]);
453                 if (v == 0)
454                     e = 24;
455                 else {
456                     e = 23 - av_log2(v) + exp_shift[blk][ch];
457                     if (e >= 24) {
458                         e = 24;
459                         mdct_coef[blk][ch][i] = 0;
460                     }
461                 }
462                 exp[blk][ch][i] = e;
463             }
464         }
465     }
466 }
467
468
469 /**
470  * Calculate the sum of absolute differences (SAD) between 2 sets of exponents.
471  */
472 static int calc_exp_diff(uint8_t *exp1, uint8_t *exp2, int n)
473 {
474     int sum, i;
475     sum = 0;
476     for (i = 0; i < n; i++)
477         sum += abs(exp1[i] - exp2[i]);
478     return sum;
479 }
480
481
482 /**
483  * Exponent Difference Threshold.
484  * New exponents are sent if their SAD exceed this number.
485  */
486 #define EXP_DIFF_THRESHOLD 1000
487
488
489 /**
490  * Calculate exponent strategies for all blocks in a single channel.
491  */
492 static void compute_exp_strategy_ch(uint8_t *exp_strategy, uint8_t **exp)
493 {
494     int blk, blk1;
495     int exp_diff;
496
497     /* estimate if the exponent variation & decide if they should be
498        reused in the next frame */
499     exp_strategy[0] = EXP_NEW;
500     for (blk = 1; blk < AC3_MAX_BLOCKS; blk++) {
501         exp_diff = calc_exp_diff(exp[blk], exp[blk-1], AC3_MAX_COEFS);
502         if (exp_diff > EXP_DIFF_THRESHOLD)
503             exp_strategy[blk] = EXP_NEW;
504         else
505             exp_strategy[blk] = EXP_REUSE;
506     }
507
508     /* now select the encoding strategy type : if exponents are often
509        recoded, we use a coarse encoding */
510     blk = 0;
511     while (blk < AC3_MAX_BLOCKS) {
512         blk1 = blk + 1;
513         while (blk1 < AC3_MAX_BLOCKS && exp_strategy[blk1] == EXP_REUSE)
514             blk1++;
515         switch (blk1 - blk) {
516         case 1:  exp_strategy[blk] = EXP_D45; break;
517         case 2:
518         case 3:  exp_strategy[blk] = EXP_D25; break;
519         default: exp_strategy[blk] = EXP_D15; break;
520         }
521         blk = blk1;
522     }
523 }
524
525
526 /**
527  * Calculate exponent strategies for all channels.
528  * Array arrangement is reversed to simplify the per-channel calculation.
529  */
530 static void compute_exp_strategy(AC3EncodeContext *s,
531                                  uint8_t exp_strategy[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
532                                  uint8_t exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS])
533 {
534     uint8_t *exp1[AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_BLOCKS];
535     uint8_t exp_str1[AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_BLOCKS];
536     int ch, blk;
537
538     for (ch = 0; ch < s->fbw_channels; ch++) {
539         for (blk = 0; blk < AC3_MAX_BLOCKS; blk++) {
540             exp1[ch][blk]     = exp[blk][ch];
541             exp_str1[ch][blk] = exp_strategy[blk][ch];
542         }
543
544         compute_exp_strategy_ch(exp_str1[ch], exp1[ch]);
545
546         for (blk = 0; blk < AC3_MAX_BLOCKS; blk++)
547             exp_strategy[blk][ch] = exp_str1[ch][blk];
548     }
549     if (s->lfe_on) {
550         ch = s->lfe_channel;
551         exp_strategy[0][ch] = EXP_D15;
552         for (blk = 1; blk < 5; blk++)
553             exp_strategy[blk][ch] = EXP_REUSE;
554     }
555 }
556
557
558 /**
559  * Set each encoded exponent in a block to the minimum of itself and the
560  * exponent in the same frequency bin of a following block.
561  * exp[i] = min(exp[i], exp1[i]
562  */
563 static void exponent_min(uint8_t exp[AC3_MAX_COEFS], uint8_t exp1[AC3_MAX_COEFS], int n)
564 {
565     int i;
566     for (i = 0; i < n; i++) {
567         if (exp1[i] < exp[i])
568             exp[i] = exp1[i];
569     }
570 }
571
572
573 /**
574  * Update the exponents so that they are the ones the decoder will decode.
575  */
576 static void encode_exponents_blk_ch(uint8_t encoded_exp[AC3_MAX_COEFS],
577                                     uint8_t exp[AC3_MAX_COEFS],
578                                     int nb_exps, int exp_strategy,
579                                     uint8_t *num_exp_groups)
580 {
581     int group_size, nb_groups, i, j, k, exp_min;
582     uint8_t exp1[AC3_MAX_COEFS];
583
584     group_size = exp_strategy + (exp_strategy == EXP_D45);
585     *num_exp_groups = (nb_exps + (group_size * 3) - 4) / (3 * group_size);
586     nb_groups = *num_exp_groups * 3;
587
588     /* for each group, compute the minimum exponent */
589     exp1[0] = exp[0]; /* DC exponent is handled separately */
590     k = 1;
591     for (i = 1; i <= nb_groups; i++) {
592         exp_min = exp[k];
593         assert(exp_min >= 0 && exp_min <= 24);
594         for (j = 1; j < group_size; j++) {
595             if (exp[k+j] < exp_min)
596                 exp_min = exp[k+j];
597         }
598         exp1[i] = exp_min;
599         k += group_size;
600     }
601
602     /* constraint for DC exponent */
603     if (exp1[0] > 15)
604         exp1[0] = 15;
605
606     /* decrease the delta between each groups to within 2 so that they can be
607        differentially encoded */
608     for (i = 1; i <= nb_groups; i++)
609         exp1[i] = FFMIN(exp1[i], exp1[i-1] + 2);
610     for (i = nb_groups-1; i >= 0; i--)
611         exp1[i] = FFMIN(exp1[i], exp1[i+1] + 2);
612
613     /* now we have the exponent values the decoder will see */
614     encoded_exp[0] = exp1[0];
615     k = 1;
616     for (i = 1; i <= nb_groups; i++) {
617         for (j = 0; j < group_size; j++)
618             encoded_exp[k+j] = exp1[i];
619         k += group_size;
620     }
621 }
622
623
624 /**
625  * Encode exponents from original extracted form to what the decoder will see.
626  * This copies and groups exponents based on exponent strategy and reduces
627  * deltas between adjacent exponent groups so that they can be differentially
628  * encoded.
629  */
630 static void encode_exponents(AC3EncodeContext *s,
631                              uint8_t exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
632                              uint8_t exp_strategy[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
633                              uint8_t num_exp_groups[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
634                              uint8_t encoded_exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS])
635 {
636     int blk, blk1, blk2, ch;
637
638     for (ch = 0; ch < s->channels; ch++) {
639         /* for the EXP_REUSE case we select the min of the exponents */
640         blk = 0;
641         while (blk < AC3_MAX_BLOCKS) {
642             blk1 = blk + 1;
643             while (blk1 < AC3_MAX_BLOCKS && exp_strategy[blk1][ch] == EXP_REUSE) {
644                 exponent_min(exp[blk][ch], exp[blk1][ch], s->nb_coefs[ch]);
645                 blk1++;
646             }
647             encode_exponents_blk_ch(encoded_exp[blk][ch],
648                                     exp[blk][ch], s->nb_coefs[ch],
649                                     exp_strategy[blk][ch],
650                                     &num_exp_groups[blk][ch]);
651             /* copy encoded exponents for reuse case */
652             for (blk2 = blk+1; blk2 < blk1; blk2++) {
653                 memcpy(encoded_exp[blk2][ch], encoded_exp[blk][ch],
654                        s->nb_coefs[ch] * sizeof(uint8_t));
655             }
656             blk = blk1;
657         }
658     }
659 }
660
661
662 /**
663  * Group exponents.
664  * 3 delta-encoded exponents are in each 7-bit group. The number of groups
665  * varies depending on exponent strategy and bandwidth.
666  * @return bits needed to encode the exponents
667  */
668 static int group_exponents(AC3EncodeContext *s,
669                            uint8_t encoded_exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
670                            uint8_t exp_strategy[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
671                            uint8_t num_exp_groups[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
672                            uint8_t grouped_exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_EXP_GROUPS])
673 {
674     int blk, ch, i;
675     int group_size, bit_count;
676     uint8_t *p;
677     int delta0, delta1, delta2;
678     int exp0, exp1;
679
680     bit_count = 0;
681     for (blk = 0; blk < AC3_MAX_BLOCKS; blk++) {
682         for (ch = 0; ch < s->channels; ch++) {
683             if (exp_strategy[blk][ch] == EXP_REUSE) {
684                 num_exp_groups[blk][ch] = 0;
685                 continue;
686             }
687             group_size = exp_strategy[blk][ch] + (exp_strategy[blk][ch] == EXP_D45);
688             bit_count += 4 + (num_exp_groups[blk][ch] * 7);
689             p = encoded_exp[blk][ch];
690
691             /* DC exponent */
692             exp1 = *p++;
693             grouped_exp[blk][ch][0] = exp1;
694
695             /* remaining exponents are delta encoded */
696             for (i = 1; i <= num_exp_groups[blk][ch]; i++) {
697                 /* merge three delta in one code */
698                 exp0   = exp1;
699                 exp1   = p[0];
700                 p     += group_size;
701                 delta0 = exp1 - exp0 + 2;
702
703                 exp0   = exp1;
704                 exp1   = p[0];
705                 p     += group_size;
706                 delta1 = exp1 - exp0 + 2;
707
708                 exp0   = exp1;
709                 exp1   = p[0];
710                 p     += group_size;
711                 delta2 = exp1 - exp0 + 2;
712
713                 grouped_exp[blk][ch][i] = ((delta0 * 5 + delta1) * 5) + delta2;
714             }
715         }
716     }
717
718     return bit_count;
719 }
720
721
722 /**
723  * Calculate final exponents from the supplied MDCT coefficients and exponent shift.
724  * Extract exponents from MDCT coefficients, calculate exponent strategies,
725  * and encode final exponents.
726  * @return bits needed to encode the exponents
727  */
728 static int process_exponents(AC3EncodeContext *s,
729                              int32_t mdct_coef[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
730                              int8_t exp_shift[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
731                              uint8_t exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
732                              uint8_t exp_strategy[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
733                              uint8_t encoded_exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
734                              uint8_t num_exp_groups[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
735                              uint8_t grouped_exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_EXP_GROUPS])
736 {
737     extract_exponents(s, mdct_coef, exp_shift, exp);
738
739     compute_exp_strategy(s, exp_strategy, exp);
740
741     encode_exponents(s, exp, exp_strategy, num_exp_groups, encoded_exp);
742
743     return group_exponents(s, encoded_exp, exp_strategy, num_exp_groups, grouped_exp);
744 }
745
746
747 /**
748  * Initialize bit allocation.
749  * Set default parameter codes and calculate parameter values.
750  */
751 static void bit_alloc_init(AC3EncodeContext *s)
752 {
753     int ch;
754
755     /* init default parameters */
756     s->slow_decay_code = 2;
757     s->fast_decay_code = 1;
758     s->slow_gain_code  = 1;
759     s->db_per_bit_code = 2;
760     s->floor_code      = 4;
761     for (ch = 0; ch < s->channels; ch++)
762         s->fast_gain_code[ch] = 4;
763
764     /* initial snr offset */
765     s->coarse_snr_offset = 40;
766
767     /* compute real values */
768     /* currently none of these values change during encoding, so we can just
769        set them once at initialization */
770     s->bit_alloc.slow_decay = ff_ac3_slow_decay_tab[s->slow_decay_code] >> s->bit_alloc.sr_shift;
771     s->bit_alloc.fast_decay = ff_ac3_fast_decay_tab[s->fast_decay_code] >> s->bit_alloc.sr_shift;
772     s->bit_alloc.slow_gain  = ff_ac3_slow_gain_tab[s->slow_gain_code];
773     s->bit_alloc.db_per_bit = ff_ac3_db_per_bit_tab[s->db_per_bit_code];
774     s->bit_alloc.floor      = ff_ac3_floor_tab[s->floor_code];
775 }
776
777
778 /**
779  * Count the bits used to encode the frame, minus exponents and mantissas.
780  * @return bit count
781  */
782 static int count_frame_bits(AC3EncodeContext *s,
783                             uint8_t exp_strategy[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS])
784 {
785     static const int frame_bits_inc[8] = { 0, 0, 2, 2, 2, 4, 2, 4 };
786     int blk, ch;
787     int frame_bits;
788
789     /* header size */
790     frame_bits = 65;
791     frame_bits += frame_bits_inc[s->channel_mode];
792
793     /* audio blocks */
794     for (blk = 0; blk < AC3_MAX_BLOCKS; blk++) {
795         frame_bits += s->fbw_channels * 2 + 2; /* blksw * c, dithflag * c, dynrnge, cplstre */
796         if (s->channel_mode == AC3_CHMODE_STEREO) {
797             frame_bits++; /* rematstr */
798             if (!blk)
799                 frame_bits += 4;
800         }
801         frame_bits += 2 * s->fbw_channels; /* chexpstr[2] * c */
802         if (s->lfe_on)
803             frame_bits++; /* lfeexpstr */
804         for (ch = 0; ch < s->fbw_channels; ch++) {
805             if (exp_strategy[blk][ch] != EXP_REUSE)
806                 frame_bits += 6 + 2; /* chbwcod[6], gainrng[2] */
807         }
808         frame_bits++; /* baie */
809         frame_bits++; /* snr */
810         frame_bits += 2; /* delta / skip */
811     }
812     frame_bits++; /* cplinu for block 0 */
813     /* bit alloc info */
814     /* sdcycod[2], fdcycod[2], sgaincod[2], dbpbcod[2], floorcod[3] */
815     /* csnroffset[6] */
816     /* (fsnoffset[4] + fgaincod[4]) * c */
817     frame_bits += 2*4 + 3 + 6 + s->channels * (4 + 3);
818
819     /* auxdatae, crcrsv */
820     frame_bits += 2;
821
822     /* CRC */
823     frame_bits += 16;
824
825     return frame_bits;
826 }
827
828
829 /**
830  * Calculate the number of bits needed to encode a set of mantissas.
831  */
832 static int compute_mantissa_size(AC3EncodeContext *s, uint8_t *m, int nb_coefs)
833 {
834     int bits, mant, i;
835
836     bits = 0;
837     for (i = 0; i < nb_coefs; i++) {
838         mant = m[i];
839         switch (mant) {
840         case 0:
841             /* nothing */
842             break;
843         case 1:
844             /* 3 mantissa in 5 bits */
845             if (s->mant1_cnt == 0)
846                 bits += 5;
847             if (++s->mant1_cnt == 3)
848                 s->mant1_cnt = 0;
849             break;
850         case 2:
851             /* 3 mantissa in 7 bits */
852             if (s->mant2_cnt == 0)
853                 bits += 7;
854             if (++s->mant2_cnt == 3)
855                 s->mant2_cnt = 0;
856             break;
857         case 3:
858             bits += 3;
859             break;
860         case 4:
861             /* 2 mantissa in 7 bits */
862             if (s->mant4_cnt == 0)
863                 bits += 7;
864             if (++s->mant4_cnt == 2)
865                 s->mant4_cnt = 0;
866             break;
867         case 14:
868             bits += 14;
869             break;
870         case 15:
871             bits += 16;
872             break;
873         default:
874             bits += mant - 1;
875             break;
876         }
877     }
878     return bits;
879 }
880
881
882 /**
883  * Calculate masking curve based on the final exponents.
884  * Also calculate the power spectral densities to use in future calculations.
885  */
886 static void bit_alloc_masking(AC3EncodeContext *s,
887                               uint8_t encoded_exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
888                               uint8_t exp_strategy[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
889                               int16_t psd[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
890                               int16_t mask[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_CRITICAL_BANDS])
891 {
892     int blk, ch;
893     int16_t band_psd[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_CRITICAL_BANDS];
894
895     for (blk = 0; blk < AC3_MAX_BLOCKS; blk++) {
896         for (ch = 0; ch < s->channels; ch++) {
897             if(exp_strategy[blk][ch] == EXP_REUSE) {
898                 memcpy(psd[blk][ch],  psd[blk-1][ch],  AC3_MAX_COEFS*sizeof(psd[0][0][0]));
899                 memcpy(mask[blk][ch], mask[blk-1][ch], AC3_CRITICAL_BANDS*sizeof(mask[0][0][0]));
900             } else {
901                 ff_ac3_bit_alloc_calc_psd(encoded_exp[blk][ch], 0,
902                                           s->nb_coefs[ch],
903                                           psd[blk][ch], band_psd[blk][ch]);
904                 ff_ac3_bit_alloc_calc_mask(&s->bit_alloc, band_psd[blk][ch],
905                                            0, s->nb_coefs[ch],
906                                            ff_ac3_fast_gain_tab[s->fast_gain_code[ch]],
907                                            ch == s->lfe_channel,
908                                            DBA_NONE, 0, NULL, NULL, NULL,
909                                            mask[blk][ch]);
910             }
911         }
912     }
913 }
914
915
916 /**
917  * Run the bit allocation with a given SNR offset.
918  * This calculates the bit allocation pointers that will be used to determine
919  * the quantization of each mantissa.
920  * @return the number of remaining bits (positive or negative) if the given
921  *         SNR offset is used to quantize the mantissas.
922  */
923 static int bit_alloc(AC3EncodeContext *s,
924                      int16_t mask[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_CRITICAL_BANDS],
925                      int16_t psd[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
926                      uint8_t bap[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
927                      int frame_bits, int coarse_snr_offset, int fine_snr_offset)
928 {
929     int blk, ch;
930     int snr_offset;
931
932     snr_offset = (((coarse_snr_offset - 15) << 4) + fine_snr_offset) << 2;
933
934     for (blk = 0; blk < AC3_MAX_BLOCKS; blk++) {
935         s->mant1_cnt = 0;
936         s->mant2_cnt = 0;
937         s->mant4_cnt = 0;
938         for (ch = 0; ch < s->channels; ch++) {
939             ff_ac3_bit_alloc_calc_bap(mask[blk][ch], psd[blk][ch], 0,
940                                       s->nb_coefs[ch], snr_offset,
941                                       s->bit_alloc.floor, ff_ac3_bap_tab,
942                                       bap[blk][ch]);
943             frame_bits += compute_mantissa_size(s, bap[blk][ch], s->nb_coefs[ch]);
944         }
945     }
946     return 8 * s->frame_size - frame_bits;
947 }
948
949
950 #define SNR_INC1 4
951
952 /**
953  * Perform bit allocation search.
954  * Finds the SNR offset value that maximizes quality and fits in the specified
955  * frame size.  Output is the SNR offset and a set of bit allocation pointers
956  * used to quantize the mantissas.
957  */
958 static int compute_bit_allocation(AC3EncodeContext *s,
959                                   uint8_t bap[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
960                                   uint8_t encoded_exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
961                                   uint8_t exp_strategy[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
962                                   int frame_bits)
963 {
964     int ch;
965     int coarse_snr_offset, fine_snr_offset;
966     uint8_t bap1[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS];
967     int16_t psd[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS];
968     int16_t mask[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_CRITICAL_BANDS];
969
970     /* count frame bits other than exponents and mantissas */
971     frame_bits += count_frame_bits(s, exp_strategy);
972
973     /* calculate psd and masking curve before doing bit allocation */
974     bit_alloc_masking(s, encoded_exp, exp_strategy, psd, mask);
975
976     /* now the big work begins : do the bit allocation. Modify the snr
977        offset until we can pack everything in the requested frame size */
978
979     coarse_snr_offset = s->coarse_snr_offset;
980     while (coarse_snr_offset >= 0 &&
981            bit_alloc(s, mask, psd, bap, frame_bits, coarse_snr_offset, 0) < 0)
982         coarse_snr_offset -= SNR_INC1;
983     if (coarse_snr_offset < 0) {
984         return AVERROR(EINVAL);
985     }
986     while (coarse_snr_offset + SNR_INC1 <= 63 &&
987            bit_alloc(s, mask, psd, bap1, frame_bits,
988                      coarse_snr_offset + SNR_INC1, 0) >= 0) {
989         coarse_snr_offset += SNR_INC1;
990         memcpy(bap, bap1, sizeof(bap1));
991     }
992     while (coarse_snr_offset + 1 <= 63 &&
993            bit_alloc(s, mask, psd, bap1, frame_bits, coarse_snr_offset + 1, 0) >= 0) {
994         coarse_snr_offset++;
995         memcpy(bap, bap1, sizeof(bap1));
996     }
997
998     fine_snr_offset = 0;
999     while (fine_snr_offset + SNR_INC1 <= 15 &&
1000            bit_alloc(s, mask, psd, bap1, frame_bits,
1001                      coarse_snr_offset, fine_snr_offset + SNR_INC1) >= 0) {
1002         fine_snr_offset += SNR_INC1;
1003         memcpy(bap, bap1, sizeof(bap1));
1004     }
1005     while (fine_snr_offset + 1 <= 15 &&
1006            bit_alloc(s, mask, psd, bap1, frame_bits,
1007                      coarse_snr_offset, fine_snr_offset + 1) >= 0) {
1008         fine_snr_offset++;
1009         memcpy(bap, bap1, sizeof(bap1));
1010     }
1011
1012     s->coarse_snr_offset = coarse_snr_offset;
1013     for (ch = 0; ch < s->channels; ch++)
1014         s->fine_snr_offset[ch] = fine_snr_offset;
1015
1016     return 0;
1017 }
1018
1019
1020 /**
1021  * Symmetric quantization on 'levels' levels.
1022  */
1023 static inline int sym_quant(int c, int e, int levels)
1024 {
1025     int v;
1026
1027     if (c >= 0) {
1028         v = (levels * (c << e)) >> 24;
1029         v = (v + 1) >> 1;
1030         v = (levels >> 1) + v;
1031     } else {
1032         v = (levels * ((-c) << e)) >> 24;
1033         v = (v + 1) >> 1;
1034         v = (levels >> 1) - v;
1035     }
1036     assert (v >= 0 && v < levels);
1037     return v;
1038 }
1039
1040
1041 /**
1042  * Asymmetric quantization on 2^qbits levels.
1043  */
1044 static inline int asym_quant(int c, int e, int qbits)
1045 {
1046     int lshift, m, v;
1047
1048     lshift = e + qbits - 24;
1049     if (lshift >= 0)
1050         v = c << lshift;
1051     else
1052         v = c >> (-lshift);
1053     /* rounding */
1054     v = (v + 1) >> 1;
1055     m = (1 << (qbits-1));
1056     if (v >= m)
1057         v = m - 1;
1058     assert(v >= -m);
1059     return v & ((1 << qbits)-1);
1060 }
1061
1062
1063 /**
1064  * Quantize a set of mantissas for a single channel in a single block.
1065  */
1066 static void quantize_mantissas_blk_ch(AC3EncodeContext *s,
1067                                       int32_t *mdct_coef, int8_t exp_shift,
1068                                       uint8_t *encoded_exp, uint8_t *bap,
1069                                       uint16_t *qmant, int n)
1070 {
1071     int i;
1072
1073     for (i = 0; i < n; i++) {
1074         int v;
1075         int c = mdct_coef[i];
1076         int e = encoded_exp[i] - exp_shift;
1077         int b = bap[i];
1078         switch (b) {
1079         case 0:
1080             v = 0;
1081             break;
1082         case 1:
1083             v = sym_quant(c, e, 3);
1084             switch (s->mant1_cnt) {
1085             case 0:
1086                 s->qmant1_ptr = &qmant[i];
1087                 v = 9 * v;
1088                 s->mant1_cnt = 1;
1089                 break;
1090             case 1:
1091                 *s->qmant1_ptr += 3 * v;
1092                 s->mant1_cnt = 2;
1093                 v = 128;
1094                 break;
1095             default:
1096                 *s->qmant1_ptr += v;
1097                 s->mant1_cnt = 0;
1098                 v = 128;
1099                 break;
1100             }
1101             break;
1102         case 2:
1103             v = sym_quant(c, e, 5);
1104             switch (s->mant2_cnt) {
1105             case 0:
1106                 s->qmant2_ptr = &qmant[i];
1107                 v = 25 * v;
1108                 s->mant2_cnt = 1;
1109                 break;
1110             case 1:
1111                 *s->qmant2_ptr += 5 * v;
1112                 s->mant2_cnt = 2;
1113                 v = 128;
1114                 break;
1115             default:
1116                 *s->qmant2_ptr += v;
1117                 s->mant2_cnt = 0;
1118                 v = 128;
1119                 break;
1120             }
1121             break;
1122         case 3:
1123             v = sym_quant(c, e, 7);
1124             break;
1125         case 4:
1126             v = sym_quant(c, e, 11);
1127             switch (s->mant4_cnt) {
1128             case 0:
1129                 s->qmant4_ptr = &qmant[i];
1130                 v = 11 * v;
1131                 s->mant4_cnt = 1;
1132                 break;
1133             default:
1134                 *s->qmant4_ptr += v;
1135                 s->mant4_cnt = 0;
1136                 v = 128;
1137                 break;
1138             }
1139             break;
1140         case 5:
1141             v = sym_quant(c, e, 15);
1142             break;
1143         case 14:
1144             v = asym_quant(c, e, 14);
1145             break;
1146         case 15:
1147             v = asym_quant(c, e, 16);
1148             break;
1149         default:
1150             v = asym_quant(c, e, b - 1);
1151             break;
1152         }
1153         qmant[i] = v;
1154     }
1155 }
1156
1157
1158 /**
1159  * Quantize mantissas using coefficients, exponents, and bit allocation pointers.
1160  */
1161 static void quantize_mantissas(AC3EncodeContext *s,
1162                                int32_t mdct_coef[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
1163                                int8_t exp_shift[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
1164                                uint8_t encoded_exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
1165                                uint8_t bap[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
1166                                uint16_t qmant[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS])
1167 {
1168     int blk, ch;
1169
1170
1171     for (blk = 0; blk < AC3_MAX_BLOCKS; blk++) {
1172         s->mant1_cnt  = s->mant2_cnt  = s->mant4_cnt  = 0;
1173         s->qmant1_ptr = s->qmant2_ptr = s->qmant4_ptr = NULL;
1174
1175         for (ch = 0; ch < s->channels; ch++) {
1176             quantize_mantissas_blk_ch(s, mdct_coef[blk][ch], exp_shift[blk][ch],
1177                                       encoded_exp[blk][ch], bap[blk][ch],
1178                                       qmant[blk][ch], s->nb_coefs[ch]);
1179         }
1180     }
1181 }
1182
1183
1184 /**
1185  * Write the AC-3 frame header to the output bitstream.
1186  */
1187 static void output_frame_header(AC3EncodeContext *s)
1188 {
1189     put_bits(&s->pb, 16, 0x0b77);   /* frame header */
1190     put_bits(&s->pb, 16, 0);        /* crc1: will be filled later */
1191     put_bits(&s->pb, 2,  s->bit_alloc.sr_code);
1192     put_bits(&s->pb, 6,  s->frame_size_code + (s->frame_size - s->frame_size_min) / 2);
1193     put_bits(&s->pb, 5,  s->bitstream_id);
1194     put_bits(&s->pb, 3,  s->bitstream_mode);
1195     put_bits(&s->pb, 3,  s->channel_mode);
1196     if ((s->channel_mode & 0x01) && s->channel_mode != AC3_CHMODE_MONO)
1197         put_bits(&s->pb, 2, 1);     /* XXX -4.5 dB */
1198     if (s->channel_mode & 0x04)
1199         put_bits(&s->pb, 2, 1);     /* XXX -6 dB */
1200     if (s->channel_mode == AC3_CHMODE_STEREO)
1201         put_bits(&s->pb, 2, 0);     /* surround not indicated */
1202     put_bits(&s->pb, 1, s->lfe_on); /* LFE */
1203     put_bits(&s->pb, 5, 31);        /* dialog norm: -31 db */
1204     put_bits(&s->pb, 1, 0);         /* no compression control word */
1205     put_bits(&s->pb, 1, 0);         /* no lang code */
1206     put_bits(&s->pb, 1, 0);         /* no audio production info */
1207     put_bits(&s->pb, 1, 0);         /* no copyright */
1208     put_bits(&s->pb, 1, 1);         /* original bitstream */
1209     put_bits(&s->pb, 1, 0);         /* no time code 1 */
1210     put_bits(&s->pb, 1, 0);         /* no time code 2 */
1211     put_bits(&s->pb, 1, 0);         /* no additional bit stream info */
1212 }
1213
1214
1215 /**
1216  * Write one audio block to the output bitstream.
1217  */
1218 static void output_audio_block(AC3EncodeContext *s,
1219                                uint8_t exp_strategy[AC3_MAX_CHANNELS],
1220                                uint8_t num_exp_groups[AC3_MAX_CHANNELS],
1221                                uint8_t grouped_exp[AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_EXP_GROUPS],
1222                                uint8_t bap[AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
1223                                uint16_t qmant[AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
1224                                int block_num)
1225 {
1226     int ch, i, baie, rbnd;
1227
1228     for (ch = 0; ch < s->fbw_channels; ch++)
1229         put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no block switching */
1230     for (ch = 0; ch < s->fbw_channels; ch++)
1231         put_bits(&s->pb, 1, 1); /* no dither */
1232     put_bits(&s->pb, 1, 0);     /* no dynamic range */
1233     if (!block_num) {
1234         put_bits(&s->pb, 1, 1); /* coupling strategy present */
1235         put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no coupling strategy */
1236     } else {
1237         put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no new coupling strategy */
1238     }
1239
1240     if (s->channel_mode == AC3_CHMODE_STEREO) {
1241         if (!block_num) {
1242             /* first block must define rematrixing (rematstr) */
1243             put_bits(&s->pb, 1, 1);
1244
1245             /* dummy rematrixing rematflg(1:4)=0 */
1246             for (rbnd = 0; rbnd < 4; rbnd++)
1247                 put_bits(&s->pb, 1, 0);
1248         } else {
1249             /* no matrixing (but should be used in the future) */
1250             put_bits(&s->pb, 1, 0);
1251         }
1252     }
1253
1254     /* exponent strategy */
1255     for (ch = 0; ch < s->fbw_channels; ch++)
1256         put_bits(&s->pb, 2, exp_strategy[ch]);
1257
1258     if (s->lfe_on)
1259         put_bits(&s->pb, 1, exp_strategy[s->lfe_channel]);
1260
1261     /* bandwidth */
1262     for (ch = 0; ch < s->fbw_channels; ch++) {
1263         if (exp_strategy[ch] != EXP_REUSE)
1264             put_bits(&s->pb, 6, s->bandwidth_code[ch]);
1265     }
1266
1267     /* exponents */
1268     for (ch = 0; ch < s->channels; ch++) {
1269         if (exp_strategy[ch] == EXP_REUSE)
1270             continue;
1271
1272         /* first exponent */
1273         put_bits(&s->pb, 4, grouped_exp[ch][0]);
1274
1275         /* next ones are delta-encoded and grouped */
1276         for (i = 1; i <= num_exp_groups[ch]; i++)
1277             put_bits(&s->pb, 7, grouped_exp[ch][i]);
1278
1279         if (ch != s->lfe_channel)
1280             put_bits(&s->pb, 2, 0); /* no gain range info */
1281     }
1282
1283     /* bit allocation info */
1284     baie = (block_num == 0);
1285     put_bits(&s->pb, 1, baie);
1286     if (baie) {
1287         put_bits(&s->pb, 2, s->slow_decay_code);
1288         put_bits(&s->pb, 2, s->fast_decay_code);
1289         put_bits(&s->pb, 2, s->slow_gain_code);
1290         put_bits(&s->pb, 2, s->db_per_bit_code);
1291         put_bits(&s->pb, 3, s->floor_code);
1292     }
1293
1294     /* snr offset */
1295     put_bits(&s->pb, 1, baie);
1296     if (baie) {
1297         put_bits(&s->pb, 6, s->coarse_snr_offset);
1298         for (ch = 0; ch < s->channels; ch++) {
1299             put_bits(&s->pb, 4, s->fine_snr_offset[ch]);
1300             put_bits(&s->pb, 3, s->fast_gain_code[ch]);
1301         }
1302     }
1303
1304     put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no delta bit allocation */
1305     put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no data to skip */
1306
1307     /* mantissa encoding */
1308     for (ch = 0; ch < s->channels; ch++) {
1309         int b, q;
1310
1311         for (i = 0; i < s->nb_coefs[ch]; i++) {
1312             q = qmant[ch][i];
1313             b = bap[ch][i];
1314             switch (b) {
1315             case 0:                                         break;
1316             case 1: if (q != 128) put_bits(&s->pb,   5, q); break;
1317             case 2: if (q != 128) put_bits(&s->pb,   7, q); break;
1318             case 3:               put_bits(&s->pb,   3, q); break;
1319             case 4: if (q != 128) put_bits(&s->pb,   7, q); break;
1320             case 14:              put_bits(&s->pb,  14, q); break;
1321             case 15:              put_bits(&s->pb,  16, q); break;
1322             default:              put_bits(&s->pb, b-1, q); break;
1323             }
1324         }
1325     }
1326 }
1327
1328
1329 /** CRC-16 Polynomial */
1330 #define CRC16_POLY ((1 << 0) | (1 << 2) | (1 << 15) | (1 << 16))
1331
1332
1333 static unsigned int mul_poly(unsigned int a, unsigned int b, unsigned int poly)
1334 {
1335     unsigned int c;
1336
1337     c = 0;
1338     while (a) {
1339         if (a & 1)
1340             c ^= b;
1341         a = a >> 1;
1342         b = b << 1;
1343         if (b & (1 << 16))
1344             b ^= poly;
1345     }
1346     return c;
1347 }
1348
1349
1350 static unsigned int pow_poly(unsigned int a, unsigned int n, unsigned int poly)
1351 {
1352     unsigned int r;
1353     r = 1;
1354     while (n) {
1355         if (n & 1)
1356             r = mul_poly(r, a, poly);
1357         a = mul_poly(a, a, poly);
1358         n >>= 1;
1359     }
1360     return r;
1361 }
1362
1363
1364 /**
1365  * Fill the end of the frame with 0's and compute the two CRCs.
1366  */
1367 static void output_frame_end(AC3EncodeContext *s)
1368 {
1369     int frame_size, frame_size_58, pad_bytes, crc1, crc2, crc_inv;
1370     uint8_t *frame;
1371
1372     frame_size = s->frame_size; /* frame size in words */
1373     /* align to 8 bits */
1374     flush_put_bits(&s->pb);
1375     /* add zero bytes to reach the frame size */
1376     frame = s->pb.buf;
1377     pad_bytes = s->frame_size - (put_bits_ptr(&s->pb) - frame) - 2;
1378     assert(pad_bytes >= 0);
1379     if (pad_bytes > 0)
1380         memset(put_bits_ptr(&s->pb), 0, pad_bytes);
1381
1382     /* Now we must compute both crcs : this is not so easy for crc1
1383        because it is at the beginning of the data... */
1384     frame_size_58 = ((frame_size >> 2) + (frame_size >> 4)) << 1;
1385
1386     crc1 = av_bswap16(av_crc(av_crc_get_table(AV_CRC_16_ANSI), 0,
1387                              frame + 4, frame_size_58 - 4));
1388
1389     /* XXX: could precompute crc_inv */
1390     crc_inv = pow_poly((CRC16_POLY >> 1), (8 * frame_size_58) - 16, CRC16_POLY);
1391     crc1    = mul_poly(crc_inv, crc1, CRC16_POLY);
1392     AV_WB16(frame + 2, crc1);
1393
1394     crc2 = av_bswap16(av_crc(av_crc_get_table(AV_CRC_16_ANSI), 0,
1395                              frame + frame_size_58,
1396                              frame_size - frame_size_58 - 2));
1397     AV_WB16(frame + frame_size - 2, crc2);
1398 }
1399
1400
1401 /**
1402  * Write the frame to the output bitstream.
1403  */
1404 static void output_frame(AC3EncodeContext *s,
1405                          unsigned char *frame,
1406                          uint8_t exp_strategy[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
1407                          uint8_t num_exp_groups[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
1408                          uint8_t grouped_exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_EXP_GROUPS],
1409                          uint8_t bap[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS],
1410                          uint16_t qmant[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS])
1411 {
1412     int blk;
1413
1414     init_put_bits(&s->pb, frame, AC3_MAX_CODED_FRAME_SIZE);
1415
1416     output_frame_header(s);
1417
1418     for (blk = 0; blk < AC3_MAX_BLOCKS; blk++) {
1419         output_audio_block(s, exp_strategy[blk], num_exp_groups[blk],
1420                            grouped_exp[blk], bap[blk], qmant[blk], blk);
1421     }
1422
1423     output_frame_end(s);
1424 }
1425
1426
1427 /**
1428  * Encode a single AC-3 frame.
1429  */
1430 static int ac3_encode_frame(AVCodecContext *avctx,
1431                             unsigned char *frame, int buf_size, void *data)
1432 {
1433     AC3EncodeContext *s = avctx->priv_data;
1434     const int16_t *samples = data;
1435     int16_t planar_samples[AC3_MAX_CHANNELS][AC3_BLOCK_SIZE+AC3_FRAME_SIZE];
1436     int32_t mdct_coef[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS];
1437     uint8_t exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS];
1438     uint8_t exp_strategy[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS];
1439     uint8_t encoded_exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS];
1440     uint8_t num_exp_groups[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS];
1441     uint8_t grouped_exp[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_EXP_GROUPS];
1442     uint8_t bap[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS];
1443     int8_t exp_shift[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS];
1444     uint16_t qmant[AC3_MAX_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][AC3_MAX_COEFS];
1445     int frame_bits;
1446     int ret;
1447
1448     if (s->bit_alloc.sr_code == 1)
1449         adjust_frame_size(s);
1450
1451     deinterleave_input_samples(s, samples, planar_samples);
1452
1453     apply_mdct(s, planar_samples, exp_shift, mdct_coef);
1454
1455     frame_bits = process_exponents(s, mdct_coef, exp_shift, exp, exp_strategy,
1456                                    encoded_exp, num_exp_groups, grouped_exp);
1457
1458     ret = compute_bit_allocation(s, bap, encoded_exp, exp_strategy, frame_bits);
1459     if (ret) {
1460         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Bit allocation failed. Try increasing the bitrate.\n");
1461         return ret;
1462     }
1463
1464     quantize_mantissas(s, mdct_coef, exp_shift, encoded_exp, bap, qmant);
1465
1466     output_frame(s, frame, exp_strategy, num_exp_groups, grouped_exp, bap, qmant);
1467
1468     return s->frame_size;
1469 }
1470
1471
1472 /**
1473  * Finalize encoding and free any memory allocated by the encoder.
1474  */
1475 static av_cold int ac3_encode_close(AVCodecContext *avctx)
1476 {
1477     av_freep(&avctx->coded_frame);
1478     return 0;
1479 }
1480
1481
1482 /**
1483  * Set channel information during initialization.
1484  */
1485 static av_cold int set_channel_info(AC3EncodeContext *s, int channels,
1486                                     int64_t *channel_layout)
1487 {
1488     int ch_layout;
1489
1490     if (channels < 1 || channels > AC3_MAX_CHANNELS)
1491         return AVERROR(EINVAL);
1492     if ((uint64_t)*channel_layout > 0x7FF)
1493         return AVERROR(EINVAL);
1494     ch_layout = *channel_layout;
1495     if (!ch_layout)
1496         ch_layout = avcodec_guess_channel_layout(channels, CODEC_ID_AC3, NULL);
1497     if (av_get_channel_layout_nb_channels(ch_layout) != channels)
1498         return AVERROR(EINVAL);
1499
1500     s->lfe_on       = !!(ch_layout & AV_CH_LOW_FREQUENCY);
1501     s->channels     = channels;
1502     s->fbw_channels = channels - s->lfe_on;
1503     s->lfe_channel  = s->lfe_on ? s->fbw_channels : -1;
1504     if (s->lfe_on)
1505         ch_layout -= AV_CH_LOW_FREQUENCY;
1506
1507     switch (ch_layout) {
1508     case AV_CH_LAYOUT_MONO:           s->channel_mode = AC3_CHMODE_MONO;   break;
1509     case AV_CH_LAYOUT_STEREO:         s->channel_mode = AC3_CHMODE_STEREO; break;
1510     case AV_CH_LAYOUT_SURROUND:       s->channel_mode = AC3_CHMODE_3F;     break;
1511     case AV_CH_LAYOUT_2_1:            s->channel_mode = AC3_CHMODE_2F1R;   break;
1512     case AV_CH_LAYOUT_4POINT0:        s->channel_mode = AC3_CHMODE_3F1R;   break;
1513     case AV_CH_LAYOUT_QUAD:
1514     case AV_CH_LAYOUT_2_2:            s->channel_mode = AC3_CHMODE_2F2R;   break;
1515     case AV_CH_LAYOUT_5POINT0:
1516     case AV_CH_LAYOUT_5POINT0_BACK:   s->channel_mode = AC3_CHMODE_3F2R;   break;
1517     default:
1518         return AVERROR(EINVAL);
1519     }
1520
1521     s->channel_map  = ff_ac3_enc_channel_map[s->channel_mode][s->lfe_on];
1522     *channel_layout = ch_layout;
1523     if (s->lfe_on)
1524         *channel_layout |= AV_CH_LOW_FREQUENCY;
1525
1526     return 0;
1527 }
1528
1529
1530 static av_cold int validate_options(AVCodecContext *avctx, AC3EncodeContext *s)
1531 {
1532     int i, ret;
1533
1534     /* validate channel layout */
1535     if (!avctx->channel_layout) {
1536         av_log(avctx, AV_LOG_WARNING, "No channel layout specified. The "
1537                                       "encoder will guess the layout, but it "
1538                                       "might be incorrect.\n");
1539     }
1540     ret = set_channel_info(s, avctx->channels, &avctx->channel_layout);
1541     if (ret) {
1542         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid channel layout\n");
1543         return ret;
1544     }
1545
1546     /* validate sample rate */
1547     for (i = 0; i < 9; i++) {
1548         if ((ff_ac3_sample_rate_tab[i / 3] >> (i % 3)) == avctx->sample_rate)
1549             break;
1550     }
1551     if (i == 9) {
1552         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid sample rate\n");
1553         return AVERROR(EINVAL);
1554     }
1555     s->sample_rate        = avctx->sample_rate;
1556     s->bit_alloc.sr_shift = i % 3;
1557     s->bit_alloc.sr_code  = i / 3;
1558
1559     /* validate bit rate */
1560     for (i = 0; i < 19; i++) {
1561         if ((ff_ac3_bitrate_tab[i] >> s->bit_alloc.sr_shift)*1000 == avctx->bit_rate)
1562             break;
1563     }
1564     if (i == 19) {
1565         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid bit rate\n");
1566         return AVERROR(EINVAL);
1567     }
1568     s->bit_rate        = avctx->bit_rate;
1569     s->frame_size_code = i << 1;
1570
1571     return 0;
1572 }
1573
1574
1575 /**
1576  * Set bandwidth for all channels.
1577  * The user can optionally supply a cutoff frequency. Otherwise an appropriate
1578  * default value will be used.
1579  */
1580 static av_cold void set_bandwidth(AC3EncodeContext *s, int cutoff)
1581 {
1582     int ch, bw_code;
1583
1584     if (cutoff) {
1585         /* calculate bandwidth based on user-specified cutoff frequency */
1586         int fbw_coeffs;
1587         cutoff         = av_clip(cutoff, 1, s->sample_rate >> 1);
1588         fbw_coeffs     = cutoff * 2 * AC3_MAX_COEFS / s->sample_rate;
1589         bw_code        = av_clip((fbw_coeffs - 73) / 3, 0, 60);
1590     } else {
1591         /* use default bandwidth setting */
1592         /* XXX: should compute the bandwidth according to the frame
1593            size, so that we avoid annoying high frequency artifacts */
1594         bw_code = 50;
1595     }
1596
1597     /* set number of coefficients for each channel */
1598     for (ch = 0; ch < s->fbw_channels; ch++) {
1599         s->bandwidth_code[ch] = bw_code;
1600         s->nb_coefs[ch]       = bw_code * 3 + 73;
1601     }
1602     if (s->lfe_on)
1603         s->nb_coefs[s->lfe_channel] = 7; /* LFE channel always has 7 coefs */
1604 }
1605
1606
1607 /**
1608  * Initialize the encoder.
1609  */
1610 static av_cold int ac3_encode_init(AVCodecContext *avctx)
1611 {
1612     AC3EncodeContext *s = avctx->priv_data;
1613     int ret;
1614
1615     avctx->frame_size = AC3_FRAME_SIZE;
1616
1617     ac3_common_init();
1618
1619     ret = validate_options(avctx, s);
1620     if (ret)
1621         return ret;
1622
1623     s->bitstream_id   = 8 + s->bit_alloc.sr_shift;
1624     s->bitstream_mode = 0; /* complete main audio service */
1625
1626     s->frame_size_min  = 2 * ff_ac3_frame_size_tab[s->frame_size_code][s->bit_alloc.sr_code];
1627     s->bits_written    = 0;
1628     s->samples_written = 0;
1629     s->frame_size      = s->frame_size_min;
1630
1631     set_bandwidth(s, avctx->cutoff);
1632
1633     bit_alloc_init(s);
1634
1635     mdct_init(9);
1636
1637     avctx->coded_frame= avcodec_alloc_frame();
1638     avctx->coded_frame->key_frame= 1;
1639
1640     return 0;
1641 }
1642
1643
1644 #ifdef TEST
1645 /*************************************************************************/
1646 /* TEST */
1647
1648 #include "libavutil/lfg.h"
1649
1650 #define FN (MDCT_SAMPLES/4)
1651
1652
1653 static void fft_test(AVLFG *lfg)
1654 {
1655     IComplex in[FN], in1[FN];
1656     int k, n, i;
1657     float sum_re, sum_im, a;
1658
1659     for (i = 0; i < FN; i++) {
1660         in[i].re = av_lfg_get(lfg) % 65535 - 32767;
1661         in[i].im = av_lfg_get(lfg) % 65535 - 32767;
1662         in1[i]   = in[i];
1663     }
1664     fft(in, 7);
1665
1666     /* do it by hand */
1667     for (k = 0; k < FN; k++) {
1668         sum_re = 0;
1669         sum_im = 0;
1670         for (n = 0; n < FN; n++) {
1671             a = -2 * M_PI * (n * k) / FN;
1672             sum_re += in1[n].re * cos(a) - in1[n].im * sin(a);
1673             sum_im += in1[n].re * sin(a) + in1[n].im * cos(a);
1674         }
1675         av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "%3d: %6d,%6d %6.0f,%6.0f\n",
1676                k, in[k].re, in[k].im, sum_re / FN, sum_im / FN);
1677     }
1678 }
1679
1680
1681 static void mdct_test(AVLFG *lfg)
1682 {
1683     int16_t input[MDCT_SAMPLES];
1684     int32_t output[AC3_MAX_COEFS];
1685     float input1[MDCT_SAMPLES];
1686     float output1[AC3_MAX_COEFS];
1687     float s, a, err, e, emax;
1688     int i, k, n;
1689
1690     for (i = 0; i < MDCT_SAMPLES; i++) {
1691         input[i]  = (av_lfg_get(lfg) % 65535 - 32767) * 9 / 10;
1692         input1[i] = input[i];
1693     }
1694
1695     mdct512(output, input);
1696
1697     /* do it by hand */
1698     for (k = 0; k < AC3_MAX_COEFS; k++) {
1699         s = 0;
1700         for (n = 0; n < MDCT_SAMPLES; n++) {
1701             a = (2*M_PI*(2*n+1+MDCT_SAMPLES/2)*(2*k+1) / (4 * MDCT_SAMPLES));
1702             s += input1[n] * cos(a);
1703         }
1704         output1[k] = -2 * s / MDCT_SAMPLES;
1705     }
1706
1707     err  = 0;
1708     emax = 0;
1709     for (i = 0; i < AC3_MAX_COEFS; i++) {
1710         av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "%3d: %7d %7.0f\n", i, output[i], output1[i]);
1711         e = output[i] - output1[i];
1712         if (e > emax)
1713             emax = e;
1714         err += e * e;
1715     }
1716     av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "err2=%f emax=%f\n", err / AC3_MAX_COEFS, emax);
1717 }
1718
1719
1720 int main(void)
1721 {
1722     AVLFG lfg;
1723
1724     av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
1725     mdct_init(9);
1726
1727     fft_test(&lfg);
1728     mdct_test(&lfg);
1729
1730     return 0;
1731 }
1732 #endif /* TEST */
1733
1734
1735 AVCodec ac3_encoder = {
1736     "ac3",
1737     AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
1738     CODEC_ID_AC3,
1739     sizeof(AC3EncodeContext),
1740     ac3_encode_init,
1741     ac3_encode_frame,
1742     ac3_encode_close,
1743     NULL,
1744     .sample_fmts = (const enum AVSampleFormat[]){AV_SAMPLE_FMT_S16,AV_SAMPLE_FMT_NONE},
1745     .long_name = NULL_IF_CONFIG_SMALL("ATSC A/52A (AC-3)"),
1746     .channel_layouts = (const int64_t[]){
1747         AV_CH_LAYOUT_MONO,
1748         AV_CH_LAYOUT_STEREO,
1749         AV_CH_LAYOUT_2_1,
1750         AV_CH_LAYOUT_SURROUND,
1751         AV_CH_LAYOUT_2_2,
1752         AV_CH_LAYOUT_QUAD,
1753         AV_CH_LAYOUT_4POINT0,
1754         AV_CH_LAYOUT_5POINT0,
1755         AV_CH_LAYOUT_5POINT0_BACK,
1756        (AV_CH_LAYOUT_MONO     | AV_CH_LOW_FREQUENCY),
1757        (AV_CH_LAYOUT_STEREO   | AV_CH_LOW_FREQUENCY),
1758        (AV_CH_LAYOUT_2_1      | AV_CH_LOW_FREQUENCY),
1759        (AV_CH_LAYOUT_SURROUND | AV_CH_LOW_FREQUENCY),
1760        (AV_CH_LAYOUT_2_2      | AV_CH_LOW_FREQUENCY),
1761        (AV_CH_LAYOUT_QUAD     | AV_CH_LOW_FREQUENCY),
1762        (AV_CH_LAYOUT_4POINT0  | AV_CH_LOW_FREQUENCY),
1763         AV_CH_LAYOUT_5POINT1,
1764         AV_CH_LAYOUT_5POINT1_BACK,
1765         0 },
1766 };