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 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 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 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 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 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 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 #ifdef ARCH_X86
 299     int temp;
 300 #if 0
 301     //P3:683
 302     asm(
 303         "lea -0x20000(%0), %2       \n\t"
 304         "shr $31, %2                \n\t"  //FIXME 31->63 for x86-64
 305         "shl %%cl, %0               \n\t"
 306         "shl %%cl, %1               \n\t"
 307         : "+r"(c->range), "+r"(c->low), "+c"(temp)
 308     );
 309 #elif 0
 310     //P3:680
 311     asm(
 312         "cmp $0x20000, %0           \n\t"
 313         "setb %%cl                  \n\t"  //FIXME 31->63 for x86-64
 314         "shl %%cl, %0               \n\t"
 315         "shl %%cl, %1               \n\t"
 316         : "+r"(c->range), "+r"(c->low), "+c"(temp)
 317     );
 318 #elif 1
 319     int temp2;
 320     //P3:665
 321     asm(
 322         "lea -0x20000(%0), %%eax    \n\t"
 323         "cdq                        \n\t"
 324         "mov %0, %%eax              \n\t"
 325         "and %%edx, %0              \n\t"
 326         "and %1, %%edx              \n\t"
 327         "add %%eax, %0              \n\t"
 328         "add %%edx, %1              \n\t"
 329         : "+r"(c->range), "+r"(c->low), "+a"(temp), "+d"(temp2)
 330     );
 331 #elif 0
 332     int temp2;
 333     //P3:673
 334     asm(
 335         "cmp $0x20000, %0           \n\t"
 336         "sbb %%edx, %%edx           \n\t"
 337         "mov %0, %%eax              \n\t"
 338         "and %%edx, %0              \n\t"
 339         "and %1, %%edx              \n\t"
 340         "add %%eax, %0              \n\t"
 341         "add %%edx, %1              \n\t"
 342         : "+r"(c->range), "+r"(c->low), "+a"(temp), "+d"(temp2)
 343     );
 344 #else
 345     int temp2;
 346     //P3:677
 347     asm(
 348         "cmp $0x20000, %0           \n\t"
 349         "lea (%0, %0), %%eax        \n\t"
 350         "lea (%1, %1), %%edx        \n\t"
 351         "cmovb %%eax, %0            \n\t"
 352         "cmovb %%edx, %1            \n\t"
 353         : "+r"(c->range), "+r"(c->low), "+a"(temp), "+d"(temp2)
 354     );
 355 #endif
 356 #else
 357     //P3:675
 358     int shift= (uint32_t)(c->range - (0x200 << CABAC_BITS))>>31;
 359     c->range<<= shift;
 360     c->low  <<= shift;
 361 #endif
 362     if(!(c->low & CABAC_MASK))
 363         refill(c);
 364 }
 365
 366 static int get_cabac(CABACContext *c, uint8_t * const state){
 367     //FIXME gcc generates duplicate load/stores for c->low and c->range
 368 START_TIMER
 369     int s = *state;
 370     int RangeLPS= c->lps_range[s][c->range>>(CABAC_BITS+7)]<<(CABAC_BITS+1);
 371     int bit, lps_mask attribute_unused;
 372
 373     c->range -= RangeLPS;
 374 #if 1
 375     if(c->low < c->range){
 376         bit= s&1;
 377         *state= c->mps_state[s];
 378         renorm_cabac_decoder_once(c);
 379     }else{
 380 //        int shift= ff_h264_norm_shift[RangeLPS>>17];
 381         bit= (s&1)^1;
 382         c->low -= c->range;
 383         *state= c->lps_state[s];
 384         c->range = RangeLPS;
 385         renorm_cabac_decoder(c);
 386 /*        c->range = RangeLPS<<shift;
 387         c->low <<= shift;
 388         if(!(c->low & 0xFFFF)){
 389             refill2(c);
 390         }*/
 391     }
 392 #else
 393     lps_mask= (c->range - c->low)>>31;
 394
 395     c->low -= c->range & lps_mask;
 396     c->range += (RangeLPS - c->range) & lps_mask;
 397
 398     bit= (s^lps_mask)&1;
 399     *state= c->mps_state[s - (128&lps_mask)];
 400
 401     lps_mask= ff_h264_norm_shift[c->range>>(CABAC_BITS+2)];
 402     c->range<<= lps_mask;
 403     c->low  <<= lps_mask;
 404     if(!(c->low & CABAC_MASK))
 405         refill2(c);
 406 #endif
 407 STOP_TIMER("get_cabac")
 408     return bit;
 409 }
 410
 411 static int get_cabac_bypass(CABACContext *c){
 412     c->low += c->low;
 413
 414     if(!(c->low & CABAC_MASK))
 415         refill(c);
 416
 417     if(c->low < c->range){
 418         return 0;
 419     }else{
 420         c->low -= c->range;
 421         return 1;
 422     }
 423 }
 424
 425 /**
 426  *
 427  * @return the number of bytes read or 0 if no end
 428  */
 429 static int get_cabac_terminate(CABACContext *c){
 430     c->range -= 4<<CABAC_BITS;
 431     if(c->low < c->range){
 432         renorm_cabac_decoder_once(c);
 433         return 0;
 434     }else{
 435         return c->bytestream - c->bytestream_start;
 436     }
 437 }
 438
 439 /**
 440  * get (truncated) unnary binarization.
 441  */
 442 static int get_cabac_u(CABACContext *c, uint8_t * state, int max, int max_index, int truncated){
 443     int i;
 444
 445     for(i=0; i<max; i++){
 446         if(get_cabac(c, state)==0)
 447             return i;
 448
 449         if(i< max_index) state++;
 450     }
 451
 452     return truncated ? max : -1;
 453 }
 454
 455 /**
 456  * get unary exp golomb k-th order binarization.
 457  */
 458 static int get_cabac_ueg(CABACContext *c, uint8_t * state, int max, int is_signed, int k, int max_index){
 459     int i, v;
 460     int m= 1<<k;
 461
 462     if(get_cabac(c, state)==0)
 463         return 0;
 464
 465     if(0 < max_index) state++;
 466
 467     for(i=1; i<max; i++){
 468         if(get_cabac(c, state)==0){
 469             if(is_signed && get_cabac_bypass(c)){
 470                 return -i;
 471             }else
 472                 return i;
 473         }
 474
 475         if(i < max_index) state++;
 476     }
 477
 478     while(get_cabac_bypass(c)){
 479         i+= m;
 480         m+= m;
 481     }
 482
 483     v=0;
 484     while(m>>=1){
 485         v+= v + get_cabac_bypass(c);
 486     }
 487     i += v;
 488
 489     if(is_signed && get_cabac_bypass(c)){
 490         return -i;
 491     }else
 492         return i;
 493 }