git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavcodec/cabac.c

   1 /*
   2  * H.26L/H.264/AVC/JVT/14496-10/... encoder/decoder
   3  * Copyright (c) 2003 Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
   4  *
   5  * This file is part of Libav.
   6  *
   7  * Libav 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  * Libav 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 Libav; 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  * Context Adaptive Binary Arithmetic Coder.
  25  */
  26
  27 #include <string.h>
  28
  29 #include "libavutil/common.h"
  30 #include "get_bits.h"
  31 #include "cabac.h"
  32
  33 static const uint8_t lps_range[64][4]= {
  34 {128,176,208,240}, {128,167,197,227}, {128,158,187,216}, {123,150,178,205},
  35 {116,142,169,195}, {111,135,160,185}, {105,128,152,175}, {100,122,144,166},
  36 { 95,116,137,158}, { 90,110,130,150}, { 85,104,123,142}, { 81, 99,117,135},
  37 { 77, 94,111,128}, { 73, 89,105,122}, { 69, 85,100,116}, { 66, 80, 95,110},
  38 { 62, 76, 90,104}, { 59, 72, 86, 99}, { 56, 69, 81, 94}, { 53, 65, 77, 89},
  39 { 51, 62, 73, 85}, { 48, 59, 69, 80}, { 46, 56, 66, 76}, { 43, 53, 63, 72},
  40 { 41, 50, 59, 69}, { 39, 48, 56, 65}, { 37, 45, 54, 62}, { 35, 43, 51, 59},
  41 { 33, 41, 48, 56}, { 32, 39, 46, 53}, { 30, 37, 43, 50}, { 29, 35, 41, 48},
  42 { 27, 33, 39, 45}, { 26, 31, 37, 43}, { 24, 30, 35, 41}, { 23, 28, 33, 39},
  43 { 22, 27, 32, 37}, { 21, 26, 30, 35}, { 20, 24, 29, 33}, { 19, 23, 27, 31},
  44 { 18, 22, 26, 30}, { 17, 21, 25, 28}, { 16, 20, 23, 27}, { 15, 19, 22, 25},
  45 { 14, 18, 21, 24}, { 14, 17, 20, 23}, { 13, 16, 19, 22}, { 12, 15, 18, 21},
  46 { 12, 14, 17, 20}, { 11, 14, 16, 19}, { 11, 13, 15, 18}, { 10, 12, 15, 17},
  47 { 10, 12, 14, 16}, {  9, 11, 13, 15}, {  9, 11, 12, 14}, {  8, 10, 12, 14},
  48 {  8,  9, 11, 13}, {  7,  9, 11, 12}, {  7,  9, 10, 12}, {  7,  8, 10, 11},
  49 {  6,  8,  9, 11}, {  6,  7,  9, 10}, {  6,  7,  8,  9}, {  2,  2,  2,  2},
  50 };
  51
  52 uint8_t ff_h264_mlps_state[4*64];
  53 uint8_t ff_h264_lps_range[4*2*64];
  54 uint8_t ff_h264_lps_state[2*64];
  55 uint8_t ff_h264_mps_state[2*64];
  56
  57 static const uint8_t mps_state[64]= {
  58   1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,
  59   9,10,11,12,13,14,15,16,
  60  17,18,19,20,21,22,23,24,
  61  25,26,27,28,29,30,31,32,
  62  33,34,35,36,37,38,39,40,
  63  41,42,43,44,45,46,47,48,
  64  49,50,51,52,53,54,55,56,
  65  57,58,59,60,61,62,62,63,
  66 };
  67
  68 static const uint8_t lps_state[64]= {
  69   0, 0, 1, 2, 2, 4, 4, 5,
  70   6, 7, 8, 9, 9,11,11,12,
  71  13,13,15,15,16,16,18,18,
  72  19,19,21,21,22,22,23,24,
  73  24,25,26,26,27,27,28,29,
  74  29,30,30,30,31,32,32,33,
  75  33,33,34,34,35,35,35,36,
  76  36,36,37,37,37,38,38,63,
  77 };
  78
  79 const uint8_t ff_h264_norm_shift[512]= {
  80  9,8,7,7,6,6,6,6,5,5,5,5,5,5,5,5,
  81  4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,
  82  3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,
  83  3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,
  84  2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,
  85  2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,
  86  2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,
  87  2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,
  88  1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
  89  1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
  90  1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
  91  1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
  92  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  93  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  94  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  95  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  96  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  97  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  98  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  99  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
 100 };
 101
 102 /**
 103  *
 104  * @param buf_size size of buf in bits
 105  */
 106 void ff_init_cabac_encoder(CABACContext *c, uint8_t *buf, int buf_size){
 107     init_put_bits(&c->pb, buf, buf_size);
 108
 109     c->low= 0;
 110     c->range= 0x1FE;
 111     c->outstanding_count= 0;
 112     c->pb.bit_left++; //avoids firstBitFlag
 113 }
 114
 115 /**
 116  *
 117  * @param buf_size size of buf in bits
 118  */
 119 void ff_init_cabac_decoder(CABACContext *c, const uint8_t *buf, int buf_size){
 120     c->bytestream_start=
 121     c->bytestream= buf;
 122     c->bytestream_end= buf + buf_size;
 123
 124 #if CABAC_BITS == 16
 125     c->low =  (*c->bytestream++)<<18;
 126     c->low+=  (*c->bytestream++)<<10;
 127 #else
 128     c->low =  (*c->bytestream++)<<10;
 129 #endif
 130     c->low+= ((*c->bytestream++)<<2) + 2;
 131     c->range= 0x1FE;
 132 }
 133
 134 void ff_init_cabac_states(CABACContext *c){
 135     int i, j;
 136
 137     for(i=0; i<64; i++){
 138         for(j=0; j<4; j++){ //FIXME check if this is worth the 1 shift we save
 139             ff_h264_lps_range[j*2*64+2*i+0]=
 140             ff_h264_lps_range[j*2*64+2*i+1]= lps_range[i][j];
 141         }
 142
 143         ff_h264_mlps_state[128+2*i+0]=
 144         ff_h264_mps_state[2*i+0]= 2*mps_state[i]+0;
 145         ff_h264_mlps_state[128+2*i+1]=
 146         ff_h264_mps_state[2*i+1]= 2*mps_state[i]+1;
 147
 148         if( i ){
 149             ff_h264_mlps_state[128-2*i-1]= 2*lps_state[i]+0;
 150             ff_h264_mlps_state[128-2*i-2]= 2*lps_state[i]+1;
 151         }else{
 152             ff_h264_mlps_state[128-2*i-1]= 1;
 153             ff_h264_mlps_state[128-2*i-2]= 0;
 154         }
 155     }
 156 }
 157
 158 #ifdef TEST
 159 #define SIZE 10240
 160
 161 #include "libavutil/lfg.h"
 162 #include "avcodec.h"
 163 #include "cabac.h"
 164
 165 static inline void put_cabac_bit(CABACContext *c, int b){
 166     put_bits(&c->pb, 1, b);
 167     for(;c->outstanding_count; c->outstanding_count--){
 168         put_bits(&c->pb, 1, 1-b);
 169     }
 170 }
 171
 172 static inline void renorm_cabac_encoder(CABACContext *c){
 173     while(c->range < 0x100){
 174         //FIXME optimize
 175         if(c->low<0x100){
 176             put_cabac_bit(c, 0);
 177         }else if(c->low<0x200){
 178             c->outstanding_count++;
 179             c->low -= 0x100;
 180         }else{
 181             put_cabac_bit(c, 1);
 182             c->low -= 0x200;
 183         }
 184
 185         c->range+= c->range;
 186         c->low += c->low;
 187     }
 188 }
 189
 190 static void put_cabac(CABACContext *c, uint8_t * const state, int bit){
 191     int RangeLPS= ff_h264_lps_range[2*(c->range&0xC0) + *state];
 192
 193     if(bit == ((*state)&1)){
 194         c->range -= RangeLPS;
 195         *state= ff_h264_mps_state[*state];
 196     }else{
 197         c->low += c->range - RangeLPS;
 198         c->range = RangeLPS;
 199         *state= ff_h264_lps_state[*state];
 200     }
 201
 202     renorm_cabac_encoder(c);
 203 }
 204
 205 /**
 206  * @param bit 0 -> write zero bit, !=0 write one bit
 207  */
 208 static void put_cabac_bypass(CABACContext *c, int bit){
 209     c->low += c->low;
 210
 211     if(bit){
 212         c->low += c->range;
 213     }
 214 //FIXME optimize
 215     if(c->low<0x200){
 216         put_cabac_bit(c, 0);
 217     }else if(c->low<0x400){
 218         c->outstanding_count++;
 219         c->low -= 0x200;
 220     }else{
 221         put_cabac_bit(c, 1);
 222         c->low -= 0x400;
 223     }
 224 }
 225
 226 /**
 227  *
 228  * @return the number of bytes written
 229  */
 230 static int put_cabac_terminate(CABACContext *c, int bit){
 231     c->range -= 2;
 232
 233     if(!bit){
 234         renorm_cabac_encoder(c);
 235     }else{
 236         c->low += c->range;
 237         c->range= 2;
 238
 239         renorm_cabac_encoder(c);
 240
 241         assert(c->low <= 0x1FF);
 242         put_cabac_bit(c, c->low>>9);
 243         put_bits(&c->pb, 2, ((c->low>>7)&3)|1);
 244
 245         flush_put_bits(&c->pb); //FIXME FIXME FIXME XXX wrong
 246     }
 247
 248     return (put_bits_count(&c->pb)+7)>>3;
 249 }
 250
 251 /**
 252  * put (truncated) unary binarization.
 253  */
 254 static void put_cabac_u(CABACContext *c, uint8_t * state, int v, int max, int max_index, int truncated){
 255     int i;
 256
 257     assert(v <= max);
 258
 259     for(i=0; i<v; i++){
 260         put_cabac(c, state, 1);
 261         if(i < max_index) state++;
 262     }
 263     if(truncated==0 || v<max)
 264         put_cabac(c, state, 0);
 265 }
 266
 267 /**
 268  * put unary exp golomb k-th order binarization.
 269  */
 270 static void put_cabac_ueg(CABACContext *c, uint8_t * state, int v, int max, int is_signed, int k, int max_index){
 271     int i;
 272
 273     if(v==0)
 274         put_cabac(c, state, 0);
 275     else{
 276         const int sign= v < 0;
 277
 278         if(is_signed) v= FFABS(v);
 279
 280         if(v<max){
 281             for(i=0; i<v; i++){
 282                 put_cabac(c, state, 1);
 283                 if(i < max_index) state++;
 284             }
 285
 286             put_cabac(c, state, 0);
 287         }else{
 288             int m= 1<<k;
 289
 290             for(i=0; i<max; i++){
 291                 put_cabac(c, state, 1);
 292                 if(i < max_index) state++;
 293             }
 294
 295             v -= max;
 296             while(v >= m){ //FIXME optimize
 297                 put_cabac_bypass(c, 1);
 298                 v-= m;
 299                 m+= m;
 300             }
 301             put_cabac_bypass(c, 0);
 302             while(m>>=1){
 303                 put_cabac_bypass(c, v&m);
 304             }
 305         }
 306
 307         if(is_signed)
 308             put_cabac_bypass(c, sign);
 309     }
 310 }
 311
 312 int main(void){
 313     CABACContext c;
 314     uint8_t b[9*SIZE];
 315     uint8_t r[9*SIZE];
 316     int i;
 317     uint8_t state[10]= {0};
 318     AVLFG prng;
 319
 320     av_lfg_init(&prng, 1);
 321     ff_init_cabac_encoder(&c, b, SIZE);
 322     ff_init_cabac_states(&c);
 323
 324     for(i=0; i<SIZE; i++){
 325         r[i] = av_lfg_get(&prng) % 7;
 326     }
 327
 328     for(i=0; i<SIZE; i++){
 329 START_TIMER
 330         put_cabac_bypass(&c, r[i]&1);
 331 STOP_TIMER("put_cabac_bypass")
 332     }
 333
 334     for(i=0; i<SIZE; i++){
 335 START_TIMER
 336         put_cabac(&c, state, r[i]&1);
 337 STOP_TIMER("put_cabac")
 338     }
 339
 340     for(i=0; i<SIZE; i++){
 341 START_TIMER
 342         put_cabac_u(&c, state, r[i], 6, 3, i&1);
 343 STOP_TIMER("put_cabac_u")
 344     }
 345
 346     for(i=0; i<SIZE; i++){
 347 START_TIMER
 348         put_cabac_ueg(&c, state, r[i], 3, 0, 1, 2);
 349 STOP_TIMER("put_cabac_ueg")
 350     }
 351
 352     put_cabac_terminate(&c, 1);
 353
 354     ff_init_cabac_decoder(&c, b, SIZE);
 355
 356     memset(state, 0, sizeof(state));
 357
 358     for(i=0; i<SIZE; i++){
 359 START_TIMER
 360         if( (r[i]&1) != get_cabac_bypass(&c) )
 361             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC bypass failure at %d\n", i);
 362 STOP_TIMER("get_cabac_bypass")
 363     }
 364
 365     for(i=0; i<SIZE; i++){
 366 START_TIMER
 367         if( (r[i]&1) != get_cabac(&c, state) )
 368             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC failure at %d\n", i);
 369 STOP_TIMER("get_cabac")
 370     }
 371     if(!get_cabac_terminate(&c))
 372         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "where's the Terminator?\n");
 373
 374     return 0;
 375 }
 376
 377 #endif /* TEST */