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 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  * 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 #include "cabac_functions.h"
  33
  34 static const uint8_t lps_range[64][4]= {
  35 {128,176,208,240}, {128,167,197,227}, {128,158,187,216}, {123,150,178,205},
  36 {116,142,169,195}, {111,135,160,185}, {105,128,152,175}, {100,122,144,166},
  37 { 95,116,137,158}, { 90,110,130,150}, { 85,104,123,142}, { 81, 99,117,135},
  38 { 77, 94,111,128}, { 73, 89,105,122}, { 69, 85,100,116}, { 66, 80, 95,110},
  39 { 62, 76, 90,104}, { 59, 72, 86, 99}, { 56, 69, 81, 94}, { 53, 65, 77, 89},
  40 { 51, 62, 73, 85}, { 48, 59, 69, 80}, { 46, 56, 66, 76}, { 43, 53, 63, 72},
  41 { 41, 50, 59, 69}, { 39, 48, 56, 65}, { 37, 45, 54, 62}, { 35, 43, 51, 59},
  42 { 33, 41, 48, 56}, { 32, 39, 46, 53}, { 30, 37, 43, 50}, { 29, 35, 41, 48},
  43 { 27, 33, 39, 45}, { 26, 31, 37, 43}, { 24, 30, 35, 41}, { 23, 28, 33, 39},
  44 { 22, 27, 32, 37}, { 21, 26, 30, 35}, { 20, 24, 29, 33}, { 19, 23, 27, 31},
  45 { 18, 22, 26, 30}, { 17, 21, 25, 28}, { 16, 20, 23, 27}, { 15, 19, 22, 25},
  46 { 14, 18, 21, 24}, { 14, 17, 20, 23}, { 13, 16, 19, 22}, { 12, 15, 18, 21},
  47 { 12, 14, 17, 20}, { 11, 14, 16, 19}, { 11, 13, 15, 18}, { 10, 12, 15, 17},
  48 { 10, 12, 14, 16}, {  9, 11, 13, 15}, {  9, 11, 12, 14}, {  8, 10, 12, 14},
  49 {  8,  9, 11, 13}, {  7,  9, 11, 12}, {  7,  9, 10, 12}, {  7,  8, 10, 11},
  50 {  6,  8,  9, 11}, {  6,  7,  9, 10}, {  6,  7,  8,  9}, {  2,  2,  2,  2},
  51 };
  52
  53 uint8_t ff_h264_mlps_state[4*64];
  54 uint8_t ff_h264_lps_range[4*2*64];
  55 uint8_t ff_h264_lps_state[2*64];
  56 static uint8_t h264_mps_state[2 * 64];
  57
  58 static const uint8_t mps_state[64]= {
  59   1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,
  60   9,10,11,12,13,14,15,16,
  61  17,18,19,20,21,22,23,24,
  62  25,26,27,28,29,30,31,32,
  63  33,34,35,36,37,38,39,40,
  64  41,42,43,44,45,46,47,48,
  65  49,50,51,52,53,54,55,56,
  66  57,58,59,60,61,62,62,63,
  67 };
  68
  69 static const uint8_t lps_state[64]= {
  70   0, 0, 1, 2, 2, 4, 4, 5,
  71   6, 7, 8, 9, 9,11,11,12,
  72  13,13,15,15,16,16,18,18,
  73  19,19,21,21,22,22,23,24,
  74  24,25,26,26,27,27,28,29,
  75  29,30,30,30,31,32,32,33,
  76  33,33,34,34,35,35,35,36,
  77  36,36,37,37,37,38,38,63,
  78 };
  79
  80 const uint8_t ff_h264_norm_shift[512]= {
  81  9,8,7,7,6,6,6,6,5,5,5,5,5,5,5,5,
  82  4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,
  83  3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,
  84  3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,
  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  2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,
  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  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,
  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  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,
 101 };
 102
 103 /**
 104  *
 105  * @param buf_size size of buf in bits
 106  */
 107 void ff_init_cabac_encoder(CABACContext *c, uint8_t *buf, int buf_size){
 108     init_put_bits(&c->pb, buf, buf_size);
 109
 110     c->low= 0;
 111     c->range= 0x1FE;
 112     c->outstanding_count= 0;
 113     c->pb.bit_left++; //avoids firstBitFlag
 114 }
 115
 116 /**
 117  *
 118  * @param buf_size size of buf in bits
 119  */
 120 void ff_init_cabac_decoder(CABACContext *c, const uint8_t *buf, int buf_size){
 121     c->bytestream_start=
 122     c->bytestream= buf;
 123     c->bytestream_end= buf + buf_size;
 124
 125 #if CABAC_BITS == 16
 126     c->low =  (*c->bytestream++)<<18;
 127     c->low+=  (*c->bytestream++)<<10;
 128 #else
 129     c->low =  (*c->bytestream++)<<10;
 130 #endif
 131     c->low+= ((*c->bytestream++)<<2) + 2;
 132     c->range= 0x1FE;
 133 }
 134
 135 void ff_init_cabac_states(CABACContext *c){
 136     int i, j;
 137
 138     for(i=0; i<64; i++){
 139         for(j=0; j<4; j++){ //FIXME check if this is worth the 1 shift we save
 140             ff_h264_lps_range[j*2*64+2*i+0]=
 141             ff_h264_lps_range[j*2*64+2*i+1]= lps_range[i][j];
 142         }
 143
 144         ff_h264_mlps_state[128+2*i+0]=
 145         h264_mps_state[2 * i + 0] = 2 * mps_state[i] + 0;
 146         ff_h264_mlps_state[128+2*i+1]=
 147         h264_mps_state[2 * i + 1] = 2 * mps_state[i] + 1;
 148
 149         if( i ){
 150             ff_h264_lps_state[2*i+0]=
 151             ff_h264_mlps_state[128-2*i-1]= 2*lps_state[i]+0;
 152             ff_h264_lps_state[2*i+1]=
 153             ff_h264_mlps_state[128-2*i-2]= 2*lps_state[i]+1;
 154         }else{
 155             ff_h264_lps_state[2*i+0]=
 156             ff_h264_mlps_state[128-2*i-1]= 1;
 157             ff_h264_lps_state[2*i+1]=
 158             ff_h264_mlps_state[128-2*i-2]= 0;
 159         }
 160     }
 161 }
 162
 163 #ifdef TEST
 164 #define SIZE 10240
 165
 166 #include "libavutil/lfg.h"
 167 #include "avcodec.h"
 168 #include "cabac.h"
 169
 170 static inline void put_cabac_bit(CABACContext *c, int b){
 171     put_bits(&c->pb, 1, b);
 172     for(;c->outstanding_count; c->outstanding_count--){
 173         put_bits(&c->pb, 1, 1-b);
 174     }
 175 }
 176
 177 static inline void renorm_cabac_encoder(CABACContext *c){
 178     while(c->range < 0x100){
 179         //FIXME optimize
 180         if(c->low<0x100){
 181             put_cabac_bit(c, 0);
 182         }else if(c->low<0x200){
 183             c->outstanding_count++;
 184             c->low -= 0x100;
 185         }else{
 186             put_cabac_bit(c, 1);
 187             c->low -= 0x200;
 188         }
 189
 190         c->range+= c->range;
 191         c->low += c->low;
 192     }
 193 }
 194
 195 static void put_cabac(CABACContext *c, uint8_t * const state, int bit){
 196     int RangeLPS= ff_h264_lps_range[2*(c->range&0xC0) + *state];
 197
 198     if(bit == ((*state)&1)){
 199         c->range -= RangeLPS;
 200         *state    = h264_mps_state[*state];
 201     }else{
 202         c->low += c->range - RangeLPS;
 203         c->range = RangeLPS;
 204         *state= ff_h264_lps_state[*state];
 205     }
 206
 207     renorm_cabac_encoder(c);
 208 }
 209
 210 /**
 211  * @param bit 0 -> write zero bit, !=0 write one bit
 212  */
 213 static void put_cabac_bypass(CABACContext *c, int bit){
 214     c->low += c->low;
 215
 216     if(bit){
 217         c->low += c->range;
 218     }
 219 //FIXME optimize
 220     if(c->low<0x200){
 221         put_cabac_bit(c, 0);
 222     }else if(c->low<0x400){
 223         c->outstanding_count++;
 224         c->low -= 0x200;
 225     }else{
 226         put_cabac_bit(c, 1);
 227         c->low -= 0x400;
 228     }
 229 }
 230
 231 /**
 232  *
 233  * @return the number of bytes written
 234  */
 235 static int put_cabac_terminate(CABACContext *c, int bit){
 236     c->range -= 2;
 237
 238     if(!bit){
 239         renorm_cabac_encoder(c);
 240     }else{
 241         c->low += c->range;
 242         c->range= 2;
 243
 244         renorm_cabac_encoder(c);
 245
 246         assert(c->low <= 0x1FF);
 247         put_cabac_bit(c, c->low>>9);
 248         put_bits(&c->pb, 2, ((c->low>>7)&3)|1);
 249
 250         flush_put_bits(&c->pb); //FIXME FIXME FIXME XXX wrong
 251     }
 252
 253     return (put_bits_count(&c->pb)+7)>>3;
 254 }
 255
 256 int main(void){
 257     CABACContext c;
 258     uint8_t b[9*SIZE];
 259     uint8_t r[9*SIZE];
 260     int i;
 261     uint8_t state[10]= {0};
 262     AVLFG prng;
 263
 264     av_lfg_init(&prng, 1);
 265     ff_init_cabac_encoder(&c, b, SIZE);
 266     ff_init_cabac_states(&c);
 267
 268     for(i=0; i<SIZE; i++){
 269         if(2*i<SIZE) r[i] = av_lfg_get(&prng) % 7;
 270         else         r[i] = (i>>8)&1;
 271     }
 272
 273     for(i=0; i<SIZE; i++){
 274 START_TIMER
 275         put_cabac_bypass(&c, r[i]&1);
 276 STOP_TIMER("put_cabac_bypass")
 277     }
 278
 279     for(i=0; i<SIZE; i++){
 280 START_TIMER
 281         put_cabac(&c, state, r[i]&1);
 282 STOP_TIMER("put_cabac")
 283     }
 284
 285     put_cabac_terminate(&c, 1);
 286
 287     ff_init_cabac_decoder(&c, b, SIZE);
 288
 289     memset(state, 0, sizeof(state));
 290
 291     for(i=0; i<SIZE; i++){
 292 START_TIMER
 293         if( (r[i]&1) != get_cabac_bypass(&c) )
 294             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC bypass failure at %d\n", i);
 295 STOP_TIMER("get_cabac_bypass")
 296     }
 297
 298     for(i=0; i<SIZE; i++){
 299 START_TIMER
 300         if( (r[i]&1) != get_cabac(&c, state) )
 301             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC failure at %d\n", i);
 302 STOP_TIMER("get_cabac")
 303     }
 304     if(!get_cabac_terminate(&c))
 305         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "where's the Terminator?\n");
 306
 307     return 0;
 308 }
 309
 310 #endif /* TEST */