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
  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 #ifdef STRICT_LIMITS
 113     c->sym_count =0;
 114 #endif
 115
 116     c->pb.bit_left++; //avoids firstBitFlag
 117 }
 118
 119 /**
 120  *
 121  * @param buf_size size of buf in bits
 122  */
 123 void ff_init_cabac_decoder(CABACContext *c, const uint8_t *buf, int buf_size){
 124     c->bytestream_start=
 125     c->bytestream= buf;
 126     c->bytestream_end= buf + buf_size;
 127
 128 #if CABAC_BITS == 16
 129     c->low =  (*c->bytestream++)<<18;
 130     c->low+=  (*c->bytestream++)<<10;
 131 #else
 132     c->low =  (*c->bytestream++)<<10;
 133 #endif
 134     c->low+= ((*c->bytestream++)<<2) + 2;
 135     c->range= 0x1FE;
 136 }
 137
 138 void ff_init_cabac_states(CABACContext *c){
 139     int i, j;
 140
 141     for(i=0; i<64; i++){
 142         for(j=0; j<4; j++){ //FIXME check if this is worth the 1 shift we save
 143             ff_h264_lps_range[j*2*64+2*i+0]=
 144             ff_h264_lps_range[j*2*64+2*i+1]= lps_range[i][j];
 145         }
 146
 147         ff_h264_mlps_state[128+2*i+0]=
 148         ff_h264_mps_state[2*i+0]= 2*mps_state[i]+0;
 149         ff_h264_mlps_state[128+2*i+1]=
 150         ff_h264_mps_state[2*i+1]= 2*mps_state[i]+1;
 151
 152         if( i ){
 153             ff_h264_lps_state[2*i+0]=
 154             ff_h264_mlps_state[128-2*i-1]= 2*lps_state[i]+0;
 155             ff_h264_lps_state[2*i+1]=
 156             ff_h264_mlps_state[128-2*i-2]= 2*lps_state[i]+1;
 157         }else{
 158             ff_h264_lps_state[2*i+0]=
 159             ff_h264_mlps_state[128-2*i-1]= 1;
 160             ff_h264_lps_state[2*i+1]=
 161             ff_h264_mlps_state[128-2*i-2]= 0;
 162         }
 163     }
 164 }
 165
 166 #ifdef TEST
 167 #define SIZE 10240
 168
 169 #include "libavutil/lfg.h"
 170 #include "avcodec.h"
 171 #include "cabac.h"
 172
 173 static void put_cabac(CABACContext *c, uint8_t * const state, int bit){
 174     int RangeLPS= ff_h264_lps_range[2*(c->range&0xC0) + *state];
 175
 176     if(bit == ((*state)&1)){
 177         c->range -= RangeLPS;
 178         *state= ff_h264_mps_state[*state];
 179     }else{
 180         c->low += c->range - RangeLPS;
 181         c->range = RangeLPS;
 182         *state= ff_h264_lps_state[*state];
 183     }
 184
 185     renorm_cabac_encoder(c);
 186
 187 #ifdef STRICT_LIMITS
 188     c->symCount++;
 189 #endif
 190 }
 191
 192 /**
 193  * @param bit 0 -> write zero bit, !=0 write one bit
 194  */
 195 static void put_cabac_bypass(CABACContext *c, int bit){
 196     c->low += c->low;
 197
 198     if(bit){
 199         c->low += c->range;
 200     }
 201 //FIXME optimize
 202     if(c->low<0x200){
 203         put_cabac_bit(c, 0);
 204     }else if(c->low<0x400){
 205         c->outstanding_count++;
 206         c->low -= 0x200;
 207     }else{
 208         put_cabac_bit(c, 1);
 209         c->low -= 0x400;
 210     }
 211
 212 #ifdef STRICT_LIMITS
 213     c->symCount++;
 214 #endif
 215 }
 216
 217 /**
 218  *
 219  * @return the number of bytes written
 220  */
 221 static int put_cabac_terminate(CABACContext *c, int bit){
 222     c->range -= 2;
 223
 224     if(!bit){
 225         renorm_cabac_encoder(c);
 226     }else{
 227         c->low += c->range;
 228         c->range= 2;
 229
 230         renorm_cabac_encoder(c);
 231
 232         assert(c->low <= 0x1FF);
 233         put_cabac_bit(c, c->low>>9);
 234         put_bits(&c->pb, 2, ((c->low>>7)&3)|1);
 235
 236         flush_put_bits(&c->pb); //FIXME FIXME FIXME XXX wrong
 237     }
 238
 239 #ifdef STRICT_LIMITS
 240     c->symCount++;
 241 #endif
 242
 243     return (put_bits_count(&c->pb)+7)>>3;
 244 }
 245
 246 /**
 247  * put (truncated) unary binarization.
 248  */
 249 static void put_cabac_u(CABACContext *c, uint8_t * state, int v, int max, int max_index, int truncated){
 250     int i;
 251
 252     assert(v <= max);
 253
 254     for(i=0; i<v; i++){
 255         put_cabac(c, state, 1);
 256         if(i < max_index) state++;
 257     }
 258     if(truncated==0 || v<max)
 259         put_cabac(c, state, 0);
 260 }
 261
 262 /**
 263  * put unary exp golomb k-th order binarization.
 264  */
 265 static void put_cabac_ueg(CABACContext *c, uint8_t * state, int v, int max, int is_signed, int k, int max_index){
 266     int i;
 267
 268     if(v==0)
 269         put_cabac(c, state, 0);
 270     else{
 271         const int sign= v < 0;
 272
 273         if(is_signed) v= FFABS(v);
 274
 275         if(v<max){
 276             for(i=0; i<v; i++){
 277                 put_cabac(c, state, 1);
 278                 if(i < max_index) state++;
 279             }
 280
 281             put_cabac(c, state, 0);
 282         }else{
 283             int m= 1<<k;
 284
 285             for(i=0; i<max; i++){
 286                 put_cabac(c, state, 1);
 287                 if(i < max_index) state++;
 288             }
 289
 290             v -= max;
 291             while(v >= m){ //FIXME optimize
 292                 put_cabac_bypass(c, 1);
 293                 v-= m;
 294                 m+= m;
 295             }
 296             put_cabac_bypass(c, 0);
 297             while(m>>=1){
 298                 put_cabac_bypass(c, v&m);
 299             }
 300         }
 301
 302         if(is_signed)
 303             put_cabac_bypass(c, sign);
 304     }
 305 }
 306
 307 int main(void){
 308     CABACContext c;
 309     uint8_t b[9*SIZE];
 310     uint8_t r[9*SIZE];
 311     int i;
 312     uint8_t state[10]= {0};
 313     AVLFG prng;
 314
 315     av_lfg_init(&prng, 1);
 316     ff_init_cabac_encoder(&c, b, SIZE);
 317     ff_init_cabac_states(&c);
 318
 319     for(i=0; i<SIZE; i++){
 320         if(2*i<SIZE) r[i] = av_lfg_get(&prng) % 7;
 321         else         r[i] = (i>>8)&1;
 322     }
 323
 324     for(i=0; i<SIZE; i++){
 325 START_TIMER
 326         put_cabac_bypass(&c, r[i]&1);
 327 STOP_TIMER("put_cabac_bypass")
 328     }
 329
 330     for(i=0; i<SIZE; i++){
 331 START_TIMER
 332         put_cabac(&c, state, r[i]&1);
 333 STOP_TIMER("put_cabac")
 334     }
 335
 336 #if 0
 337     for(i=0; i<SIZE; i++){
 338 START_TIMER
 339         put_cabac_u(&c, state, r[i], 6, 3, i&1);
 340 STOP_TIMER("put_cabac_u")
 341     }
 342
 343     for(i=0; i<SIZE; i++){
 344 START_TIMER
 345         put_cabac_ueg(&c, state, r[i], 3, 0, 1, 2);
 346 STOP_TIMER("put_cabac_ueg")
 347     }
 348 #endif
 349     put_cabac_terminate(&c, 1);
 350
 351     ff_init_cabac_decoder(&c, b, SIZE);
 352
 353     memset(state, 0, sizeof(state));
 354
 355     for(i=0; i<SIZE; i++){
 356 START_TIMER
 357         if( (r[i]&1) != get_cabac_bypass(&c) )
 358             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC bypass failure at %d\n", i);
 359 STOP_TIMER("get_cabac_bypass")
 360     }
 361
 362     for(i=0; i<SIZE; i++){
 363 START_TIMER
 364         if( (r[i]&1) != get_cabac(&c, state) )
 365             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC failure at %d\n", i);
 366 STOP_TIMER("get_cabac")
 367     }
 368 #if 0
 369     for(i=0; i<SIZE; i++){
 370 START_TIMER
 371         if( r[i] != get_cabac_u(&c, state, (i&1) ? 6 : 7, 3, i&1) )
 372             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC unary (truncated) binarization failure at %d\n", i);
 373 STOP_TIMER("get_cabac_u")
 374     }
 375
 376     for(i=0; i<SIZE; i++){
 377 START_TIMER
 378         if( r[i] != get_cabac_ueg(&c, state, 3, 0, 1, 2))
 379             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC unary (truncated) binarization failure at %d\n", i);
 380 STOP_TIMER("get_cabac_ueg")
 381     }
 382 #endif
 383     if(!get_cabac_terminate(&c))
 384         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "where's the Terminator?\n");
 385
 386     return 0;
 387 }
 388
 389 #endif /* TEST */