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

   1 /*
   2  * H.26L/H.264/AVC/JVT/14496-10/... encoder/decoder
   3  * Copyright (c) 2003 Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
   4  *
   5  * This library is free software; you can redistribute it and/or
   6  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   7  * License as published by the Free Software Foundation; either
   8  * version 2 of the License, or (at your option) any later version.
   9  *
  10  * This library is distributed in the hope that it will be useful,
  11  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  12  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  13  * Lesser General Public License for more details.
  14  *
  15  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  16  * License along with this library; if not, write to the Free Software
  17  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  18  *
  19  */
  20
  21 /**
  22  * @file cabac.h
  23  * Context Adaptive Binary Arithmetic Coder.
  24  */
  25
  26
  27 #undef NDEBUG
  28 #include <assert.h>
  29
  30 #define CABAC_BITS 8
  31 #define CABAC_MASK ((1<<CABAC_BITS)-1)
  32
  33 typedef struct CABACContext{
  34     int low;
  35     int range;
  36     int outstanding_count;
  37 #ifdef STRICT_LIMITS
  38     int symCount;
  39 #endif
  40     uint8_t lps_range[2*65][4];   ///< rangeTabLPS
  41     uint8_t lps_state[2*64];      ///< transIdxLPS
  42     uint8_t mps_state[2*64];      ///< transIdxMPS
  43     const uint8_t *bytestream_start;
  44     const uint8_t *bytestream;
  45     const uint8_t *bytestream_end;
  46     PutBitContext pb;
  47 }CABACContext;
  48
  49 extern const uint8_t ff_h264_lps_range[64][4];
  50 extern const uint8_t ff_h264_mps_state[64];
  51 extern const uint8_t ff_h264_lps_state[64];
  52 extern const uint8_t ff_h264_norm_shift[256];
  53
  54
  55 void ff_init_cabac_encoder(CABACContext *c, uint8_t *buf, int buf_size);
  56 void ff_init_cabac_decoder(CABACContext *c, const uint8_t *buf, int buf_size);
  57 void ff_init_cabac_states(CABACContext *c, uint8_t const (*lps_range)[4],
  58                           uint8_t const *mps_state, uint8_t const *lps_state, int state_count);
  59
  60
  61 static inline void put_cabac_bit(CABACContext *c, int b){
  62     put_bits(&c->pb, 1, b);
  63     for(;c->outstanding_count; c->outstanding_count--){
  64         put_bits(&c->pb, 1, 1-b);
  65     }
  66 }
  67
  68 static inline void renorm_cabac_encoder(CABACContext *c){
  69     while(c->range < 0x100){
  70         //FIXME optimize
  71         if(c->low<0x100){
  72             put_cabac_bit(c, 0);
  73         }else if(c->low<0x200){
  74             c->outstanding_count++;
  75             c->low -= 0x100;
  76         }else{
  77             put_cabac_bit(c, 1);
  78             c->low -= 0x200;
  79         }
  80
  81         c->range+= c->range;
  82         c->low += c->low;
  83     }
  84 }
  85
  86 static inline void put_cabac(CABACContext *c, uint8_t * const state, int bit){
  87     int RangeLPS= c->lps_range[*state][c->range>>6];
  88
  89     if(bit == ((*state)&1)){
  90         c->range -= RangeLPS;
  91         *state= c->mps_state[*state];
  92     }else{
  93         c->low += c->range - RangeLPS;
  94         c->range = RangeLPS;
  95         *state= c->lps_state[*state];
  96     }
  97
  98     renorm_cabac_encoder(c);
  99
 100 #ifdef STRICT_LIMITS
 101     c->symCount++;
 102 #endif
 103 }
 104
 105 static inline void put_cabac_static(CABACContext *c, int RangeLPS, int bit){
 106     assert(c->range > RangeLPS);
 107
 108     if(!bit){
 109         c->range -= RangeLPS;
 110     }else{
 111         c->low += c->range - RangeLPS;
 112         c->range = RangeLPS;
 113     }
 114
 115     renorm_cabac_encoder(c);
 116
 117 #ifdef STRICT_LIMITS
 118     c->symCount++;
 119 #endif
 120 }
 121
 122 /**
 123  * @param bit 0 -> write zero bit, !=0 write one bit
 124  */
 125 static inline void put_cabac_bypass(CABACContext *c, int bit){
 126     c->low += c->low;
 127
 128     if(bit){
 129         c->low += c->range;
 130     }
 131 //FIXME optimize
 132     if(c->low<0x200){
 133         put_cabac_bit(c, 0);
 134     }else if(c->low<0x400){
 135         c->outstanding_count++;
 136         c->low -= 0x200;
 137     }else{
 138         put_cabac_bit(c, 1);
 139         c->low -= 0x400;
 140     }
 141
 142 #ifdef STRICT_LIMITS
 143     c->symCount++;
 144 #endif
 145 }
 146
 147 /**
 148  *
 149  * @return the number of bytes written
 150  */
 151 static inline int put_cabac_terminate(CABACContext *c, int bit){
 152     c->range -= 2;
 153
 154     if(!bit){
 155         renorm_cabac_encoder(c);
 156     }else{
 157         c->low += c->range;
 158         c->range= 2;
 159
 160         renorm_cabac_encoder(c);
 161
 162         assert(c->low <= 0x1FF);
 163         put_cabac_bit(c, c->low>>9);
 164         put_bits(&c->pb, 2, ((c->low>>7)&3)|1);
 165
 166         flush_put_bits(&c->pb); //FIXME FIXME FIXME XXX wrong
 167     }
 168
 169 #ifdef STRICT_LIMITS
 170     c->symCount++;
 171 #endif
 172
 173     return (put_bits_count(&c->pb)+7)>>3;
 174 }
 175
 176 /**
 177  * put (truncated) unary binarization.
 178  */
 179 static inline void put_cabac_u(CABACContext *c, uint8_t * state, int v, int max, int max_index, int truncated){
 180     int i;
 181
 182     assert(v <= max);
 183
 184 #if 1
 185     for(i=0; i<v; i++){
 186         put_cabac(c, state, 1);
 187         if(i < max_index) state++;
 188     }
 189     if(truncated==0 || v<max)
 190         put_cabac(c, state, 0);
 191 #else
 192     if(v <= max_index){
 193         for(i=0; i<v; i++){
 194             put_cabac(c, state+i, 1);
 195         }
 196         if(truncated==0 || v<max)
 197             put_cabac(c, state+i, 0);
 198     }else{
 199         for(i=0; i<=max_index; i++){
 200             put_cabac(c, state+i, 1);
 201         }
 202         for(; i<v; i++){
 203             put_cabac(c, state+max_index, 1);
 204         }
 205         if(truncated==0 || v<max)
 206             put_cabac(c, state+max_index, 0);
 207     }
 208 #endif
 209 }
 210
 211 /**
 212  * put unary exp golomb k-th order binarization.
 213  */
 214 static inline void put_cabac_ueg(CABACContext *c, uint8_t * state, int v, int max, int is_signed, int k, int max_index){
 215     int i;
 216
 217     if(v==0)
 218         put_cabac(c, state, 0);
 219     else{
 220         const int sign= v < 0;
 221
 222         if(is_signed) v= ABS(v);
 223
 224         if(v<max){
 225             for(i=0; i<v; i++){
 226                 put_cabac(c, state, 1);
 227                 if(i < max_index) state++;
 228             }
 229
 230             put_cabac(c, state, 0);
 231         }else{
 232             int m= 1<<k;
 233
 234             for(i=0; i<max; i++){
 235                 put_cabac(c, state, 1);
 236                 if(i < max_index) state++;
 237             }
 238
 239             v -= max;
 240             while(v >= m){ //FIXME optimize
 241                 put_cabac_bypass(c, 1);
 242                 v-= m;
 243                 m+= m;
 244             }
 245             put_cabac_bypass(c, 0);
 246             while(m>>=1){
 247                 put_cabac_bypass(c, v&m);
 248             }
 249         }
 250
 251         if(is_signed)
 252             put_cabac_bypass(c, sign);
 253     }
 254 }
 255
 256 static void refill(CABACContext *c){
 257     if(c->bytestream <= c->bytestream_end)
 258 #if CABAC_BITS == 16
 259         c->low+= ((c->bytestream[0]<<9) + (c->bytestream[1])<<1);
 260 #else
 261         c->low+= c->bytestream[0]<<1;
 262 #endif
 263     c->low -= CABAC_MASK;
 264     c->bytestream+= CABAC_BITS/8;
 265 }
 266
 267 #if 0 /* all use commented */
 268 static void refill2(CABACContext *c){
 269     int i, x;
 270
 271     x= c->low ^ (c->low-1);
 272     i= 8 - ff_h264_norm_shift[x>>(CABAC_BITS+1)];
 273
 274     x= -CABAC_MASK;
 275
 276     if(c->bytestream < c->bytestream_end)
 277 #if CABAC_BITS == 16
 278         x+= (c->bytestream[0]<<9) + (c->bytestream[1]<<1);
 279 #else
 280         x+= c->bytestream[0]<<1;
 281 #endif
 282
 283     c->low += x<<i;
 284     c->bytestream+= CABAC_BITS/8;
 285 }
 286 #endif
 287
 288 static inline void renorm_cabac_decoder(CABACContext *c){
 289     while(c->range < (0x200 << CABAC_BITS)){
 290         c->range+= c->range;
 291         c->low+= c->low;
 292         if(!(c->low & CABAC_MASK))
 293             refill(c);
 294     }
 295 }
 296
 297 static inline void renorm_cabac_decoder_once(CABACContext *c){
 298     int mask= (c->range - (0x200 << CABAC_BITS))>>31;
 299     c->range+= c->range&mask;
 300     c->low  += c->low  &mask;
 301     if(!(c->low & CABAC_MASK))
 302         refill(c);
 303 }
 304
 305 static inline int get_cabac(CABACContext *c, uint8_t * const state){
 306     int RangeLPS= c->lps_range[*state][c->range>>(CABAC_BITS+7)]<<(CABAC_BITS+1);
 307     int bit, lps_mask attribute_unused;
 308
 309     c->range -= RangeLPS;
 310 #if 1
 311     if(c->low < c->range){
 312         bit= (*state)&1;
 313         *state= c->mps_state[*state];
 314         renorm_cabac_decoder_once(c);
 315     }else{
 316 //        int shift= ff_h264_norm_shift[RangeLPS>>17];
 317         bit= ((*state)&1)^1;
 318         c->low -= c->range;
 319         *state= c->lps_state[*state];
 320         c->range = RangeLPS;
 321         renorm_cabac_decoder(c);
 322 /*        c->range = RangeLPS<<shift;
 323         c->low <<= shift;
 324         if(!(c->low & 0xFFFF)){
 325             refill2(c);
 326         }*/
 327     }
 328 #else
 329     lps_mask= (c->range - c->low)>>31;
 330
 331     c->low -= c->range & lps_mask;
 332     c->range += (RangeLPS - c->range) & lps_mask;
 333
 334     bit= ((*state)^lps_mask)&1;
 335     *state= c->mps_state[(*state) - (128&lps_mask)];
 336
 337     lps_mask= ff_h264_norm_shift[c->range>>(CABAC_BITS+2)];
 338     c->range<<= lps_mask;
 339     c->low  <<= lps_mask;
 340     if(!(c->low & CABAC_MASK))
 341         refill2(c);
 342 #endif
 343
 344     return bit;
 345 }
 346
 347 static inline int get_cabac_bypass(CABACContext *c){
 348     c->low += c->low;
 349
 350     if(!(c->low & CABAC_MASK))
 351         refill(c);
 352
 353     if(c->low < c->range){
 354         return 0;
 355     }else{
 356         c->low -= c->range;
 357         return 1;
 358     }
 359 }
 360
 361 /**
 362  *
 363  * @return the number of bytes read or 0 if no end
 364  */
 365 static inline int get_cabac_terminate(CABACContext *c){
 366     c->range -= 4<<CABAC_BITS;
 367     if(c->low < c->range){
 368         renorm_cabac_decoder_once(c);
 369         return 0;
 370     }else{
 371         return c->bytestream - c->bytestream_start;
 372     }
 373 }
 374
 375 /**
 376  * get (truncated) unnary binarization.
 377  */
 378 static inline int get_cabac_u(CABACContext *c, uint8_t * state, int max, int max_index, int truncated){
 379     int i;
 380
 381     for(i=0; i<max; i++){
 382         if(get_cabac(c, state)==0)
 383             return i;
 384
 385         if(i< max_index) state++;
 386     }
 387
 388     return truncated ? max : -1;
 389 }
 390
 391 /**
 392  * get unary exp golomb k-th order binarization.
 393  */
 394 static inline int get_cabac_ueg(CABACContext *c, uint8_t * state, int max, int is_signed, int k, int max_index){
 395     int i, v;
 396     int m= 1<<k;
 397
 398     if(get_cabac(c, state)==0)
 399         return 0;
 400
 401     if(0 < max_index) state++;
 402
 403     for(i=1; i<max; i++){
 404         if(get_cabac(c, state)==0){
 405             if(is_signed && get_cabac_bypass(c)){
 406                 return -i;
 407             }else
 408                 return i;
 409         }
 410
 411         if(i < max_index) state++;
 412     }
 413
 414     while(get_cabac_bypass(c)){
 415         i+= m;
 416         m+= m;
 417     }
 418
 419     v=0;
 420     while(m>>=1){
 421         v+= v + get_cabac_bypass(c);
 422     }
 423     i += v;
 424
 425     if(is_signed && get_cabac_bypass(c)){
 426         return -i;
 427     }else
 428         return i;
 429 }