git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavcodec/g726.c

   1 /*
   2  * G.726 ADPCM audio codec
   3  * Copyright (c) 2004 Roman Shaposhnik.
   4  *
   5  * This is a very straightforward rendition of the G.726
   6  * Section 4 "Computational Details".
   7  *
   8  * This library is free software; you can redistribute it and/or
   9  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
  10  * License as published by the Free Software Foundation; either
  11  * version 2 of the License, or (at your option) any later version.
  12  *
  13  * This library is distributed in the hope that it will be useful,
  14  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  15  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  16  * Lesser General Public License for more details.
  17  *
  18  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  19  * License along with this library; if not, write to the Free Software
  20  * Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
  21  */
  22 #include <limits.h>
  23 #include "avcodec.h"
  24 #include "common.h"
  25
  26 /*
  27  * G.726 Standard uses rather odd 11bit floating point arithmentic for
  28  * numerous occasions. It's a mistery to me why they did it this way
  29  * instead of simply using 32bit integer arithmetic.
  30  */
  31 typedef struct Float11 {
  32         int sign;   /* 1bit sign */
  33         int exp;    /* 4bit exponent */
  34         int mant;   /* 6bit mantissa */
  35 } Float11;
  36
  37 static inline Float11* i2f(int16_t i, Float11* f)
  38 {
  39         f->sign = (i < 0);
  40         if (f->sign)
  41                 i = -i;
  42         f->exp = av_log2_16bit(i) + !!i;
  43         f->mant = i? (i<<6) >> f->exp :
  44                          1<<5;
  45         return f;
  46 }
  47
  48 static inline int16_t mult(Float11* f1, Float11* f2)
  49 {
  50         int res, exp;
  51
  52         exp = f1->exp + f2->exp;
  53         res = (((f1->mant * f2->mant) + 0x30) >> 4) << 7;
  54         res = exp > 26 ? res << (exp - 26) : res >> (26 - exp);
  55         return (f1->sign ^ f2->sign) ? -res : res;
  56 }
  57
  58 static inline int sgn(int value)
  59 {
  60    return (value < 0) ? -1 : 1;
  61 }
  62
  63 typedef struct G726Tables {
  64         int  bits;            /* bits per sample */
  65         int* quant;           /* quantization table */
  66         int* iquant;          /* inverse quantization table */
  67         int* W;               /* special table #1 ;-) */
  68         int* F;               /* special table #2 */
  69 } G726Tables;
  70
  71 typedef struct G726Context {
  72          G726Tables* tbls;    /* static tables needed for computation */
  73
  74          Float11 sr[2];       /* prev. reconstructed samples */
  75          Float11 dq[6];       /* prev. difference */
  76          int a[2];            /* second order predictor coeffs */
  77          int b[6];            /* sixth order predictor coeffs */
  78          int pk[2];           /* signs of prev. 2 sez + dq */
  79
  80          int ap;              /* scale factor control */
  81          int yu;              /* fast scale factor */
  82          int yl;              /* slow scale factor */
  83          int dms;             /* short average magnitude of F[i] */
  84          int dml;             /* long average magnitude of F[i] */
  85          int td;              /* tone detect */
  86
  87          int se;              /* estimated signal for the next iteration */
  88          int sez;             /* estimated second order prediction */
  89          int y;               /* quantizer scaling factor for the next iteration */
  90 } G726Context;
  91
  92 static int quant_tbl16[] =                       /* 16kbit/s 2bits per sample */
  93            { 260, INT_MAX };
  94 static int iquant_tbl16[] =
  95            { 116, 365, 365, 116 };
  96 static int W_tbl16[] =
  97            { -22, 439, 439, -22 };
  98 static int F_tbl16[] =
  99            { 0, 7, 7, 0 };
 100
 101 static int quant_tbl24[] =                       /* 24kbit/s 3bits per sample */
 102            {  7, 217, 330, INT_MAX };
 103 static int iquant_tbl24[] =
 104            { INT_MIN, 135, 273, 373, 373, 273, 135, INT_MIN };
 105 static int W_tbl24[] =
 106            { -4,  30, 137, 582, 582, 137,  30, -4 };
 107 static int F_tbl24[] =
 108            { 0, 1, 2, 7, 7, 2, 1, 0 };
 109
 110 static int quant_tbl32[] =                       /* 32kbit/s 4bits per sample */
 111            { -125,  79, 177, 245, 299, 348, 399, INT_MAX };
 112 static int iquant_tbl32[] =
 113            { INT_MIN,   4, 135, 213, 273, 323, 373, 425,
 114                  425, 373, 323, 273, 213, 135,   4, INT_MIN };
 115 static int W_tbl32[] =
 116            { -12,  18,  41,  64, 112, 198, 355, 1122,
 117             1122, 355, 198, 112,  64,  41,  18, -12};
 118 static int F_tbl32[] =
 119            { 0, 0, 0, 1, 1, 1, 3, 7, 7, 3, 1, 1, 1, 0, 0, 0 };
 120
 121 static int quant_tbl40[] =                      /* 40kbit/s 5bits per sample */
 122            { -122, -16,  67, 138, 197, 249, 297, 338,
 123               377, 412, 444, 474, 501, 527, 552, INT_MAX };
 124 static int iquant_tbl40[] =
 125            { INT_MIN, -66,  28, 104, 169, 224, 274, 318,
 126                  358, 395, 429, 459, 488, 514, 539, 566,
 127                  566, 539, 514, 488, 459, 429, 395, 358,
 128                  318, 274, 224, 169, 104,  28, -66, INT_MIN };
 129 static int W_tbl40[] =
 130            {   14,  14,  24,  39,  40,  41,   58,  100,
 131               141, 179, 219, 280, 358, 440,  529,  696,
 132               696, 529, 440, 358, 280, 219,  179,  141,
 133               100,  58,  41,  40,  39,  24,   14,   14 };
 134 static int F_tbl40[] =
 135            { 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 6,
 136              6, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0 };
 137
 138 static G726Tables G726Tables_pool[] =
 139            {{ 2, quant_tbl16, iquant_tbl16, W_tbl16, F_tbl16 },
 140             { 3, quant_tbl24, iquant_tbl24, W_tbl24, F_tbl24 },
 141             { 4, quant_tbl32, iquant_tbl32, W_tbl32, F_tbl32 },
 142             { 5, quant_tbl40, iquant_tbl40, W_tbl40, F_tbl40 }};
 143
 144
 145 /*
 146  * Para 4.2.2 page 18: Adaptive quantizer.
 147  */
 148 static inline uint8_t quant(G726Context* c, int d)
 149 {
 150    int sign, exp, i, dln;
 151
 152    sign = i = 0;
 153    if (d < 0) {
 154        sign = 1;
 155        d = -d;
 156    }
 157    exp = av_log2_16bit(d);
 158    dln = ((exp<<7) + (((d<<7)>>exp)&0x7f)) - (c->y>>2);
 159
 160    while (c->tbls->quant[i] < INT_MAX && c->tbls->quant[i] < dln)
 161         ++i;
 162
 163    if (sign)
 164        i = ~i;
 165    if (c->tbls->bits != 2 && i == 0) /* I'm not sure this is a good idea */
 166        i = 0xff;
 167
 168    return i;
 169 }
 170
 171 /*
 172  * Para 4.2.3 page 22: Inverse adaptive quantizer.
 173  */
 174 static inline int16_t inverse_quant(G726Context* c, int i)
 175 {
 176     int dql, dex, dqt;
 177
 178     dql = c->tbls->iquant[i] + (c->y >> 2);
 179     dex = (dql>>7) & 0xf;        /* 4bit exponent */
 180     dqt = (1<<7) + (dql & 0x7f); /* log2 -> linear */
 181     return (dql < 0) ? 0 : ((dqt<<7) >> (14-dex));
 182 }
 183
 184 static inline int16_t g726_iterate(G726Context* c, int16_t I)
 185 {
 186     int dq, re_signal, pk0, fa1, i, tr, ylint, ylfrac, thr2, al, dq0;
 187     Float11 f;
 188
 189     dq = inverse_quant(c, I);
 190     if (I >> (c->tbls->bits - 1))  /* get the sign */
 191         dq = -dq;
 192     re_signal = c->se + dq;
 193
 194     /* Transition detect */
 195     ylint = (c->yl >> 15);
 196     ylfrac = (c->yl >> 10) & 0x1f;
 197     thr2 = (ylint > 9) ? 0x1f << 10 : (0x20 + ylfrac) << ylint;
 198     if (c->td == 1 && abs(dq) > ((thr2+(thr2>>1))>>1))
 199         tr = 1;
 200     else
 201         tr = 0;
 202
 203     /* Update second order predictor coefficient A2 and A1 */
 204     pk0 = (c->sez + dq) ? sgn(c->sez + dq) : 0;
 205     dq0 = dq ? sgn(dq) : 0;
 206     if (tr) {
 207         c->a[0] = 0;
 208         c->a[1] = 0;
 209         for (i=0; i<6; i++)
 210            c->b[i] = 0;
 211     } else {
 212         /* This is a bit crazy, but it really is +255 not +256 */
 213         fa1 = clip((-c->a[0]*c->pk[0]*pk0)>>5, -256, 255);
 214
 215         c->a[1] += 128*pk0*c->pk[1] + fa1 - (c->a[1]>>7);
 216         c->a[1] = clip(c->a[1], -12288, 12288);
 217         c->a[0] += 64*3*pk0*c->pk[0] - (c->a[0] >> 8);
 218         c->a[0] = clip(c->a[0], -(15360 - c->a[1]), 15360 - c->a[1]);
 219
 220         for (i=0; i<6; i++)
 221              c->b[i] += 128*dq0*sgn(-c->dq[i].sign) - (c->b[i]>>8);
 222     }
 223
 224     /* Update Dq and Sr and Pk */
 225     c->pk[1] = c->pk[0];
 226     c->pk[0] = pk0 ? pk0 : 1;
 227     c->sr[1] = c->sr[0];
 228     i2f(re_signal, &c->sr[0]);
 229     for (i=5; i>0; i--)
 230        c->dq[i] = c->dq[i-1];
 231     i2f(dq, &c->dq[0]);
 232     c->dq[0].sign = I >> (c->tbls->bits - 1); /* Isn't it crazy ?!?! */
 233
 234     /* Update tone detect [I'm not sure 'tr == 0' is really needed] */
 235     c->td = (tr == 0 && c->a[1] < -11776);
 236
 237     /* Update Ap */
 238     c->dms += ((c->tbls->F[I]<<9) - c->dms) >> 5;
 239     c->dml += ((c->tbls->F[I]<<11) - c->dml) >> 7;
 240     if (tr)
 241        c->ap = 256;
 242     else if (c->y > 1535 && !c->td && (abs((c->dms << 2) - c->dml) < (c->dml >> 3)))
 243        c->ap += (-c->ap) >> 4;
 244     else
 245        c->ap += (0x200 - c->ap) >> 4;
 246
 247     /* Update Yu and Yl */
 248     c->yu = clip(c->y + (((c->tbls->W[I] << 5) - c->y) >> 5), 544, 5120);
 249     c->yl += c->yu + ((-c->yl)>>6);
 250
 251     /* Next iteration for Y */
 252     al = (c->ap >= 256) ? 1<<6 : c->ap >> 2;
 253     c->y = (c->yl + (c->yu - (c->yl>>6))*al) >> 6;
 254
 255     /* Next iteration for SE and SEZ */
 256     c->se = 0;
 257     for (i=0; i<6; i++)
 258        c->se += mult(i2f(c->b[i] >> 2, &f), &c->dq[i]);
 259     c->sez = c->se >> 1;
 260     for (i=0; i<2; i++)
 261        c->se += mult(i2f(c->a[i] >> 2, &f), &c->sr[i]);
 262     c->se >>= 1;
 263
 264     return clip(re_signal << 2, -0xffff, 0xffff);
 265 }
 266
 267 static int g726_reset(G726Context* c, int bit_rate)
 268 {
 269     int i;
 270
 271     c->tbls = &G726Tables_pool[bit_rate/8000 - 2];
 272     for (i=0; i<2; i++) {
 273        i2f(0, &c->sr[i]);
 274        c->a[i] = 0;
 275        c->pk[i] = 1;
 276     }
 277     for (i=0; i<6; i++) {
 278        i2f(0, &c->dq[i]);
 279        c->b[i] = 0;
 280     }
 281     c->ap = 0;
 282     c->dms = 0;
 283     c->dml = 0;
 284     c->yu = 544;
 285     c->yl = 34816;
 286     c->td = 0;
 287
 288     c->se = 0;
 289     c->sez = 0;
 290     c->y = 544;
 291
 292     return 0;
 293 }
 294
 295 static int16_t g726_decode(G726Context* c, int16_t i)
 296 {
 297     return g726_iterate(c, i);
 298 }
 299
 300 static int16_t g726_encode(G726Context* c, int16_t sig)
 301 {
 302    uint8_t i;
 303
 304    i = quant(c, sig/4 - c->se) & ((1<<c->tbls->bits) - 1);
 305    g726_iterate(c, i);
 306    return i;
 307 }
 308
 309 /* Interfacing to the libavcodec */
 310
 311 typedef struct AVG726Context {
 312    G726Context c;
 313    int bits_left;
 314    int bit_buffer;
 315    int code_size;
 316 } AVG726Context;
 317
 318 static int g726_init(AVCodecContext * avctx)
 319 {
 320     AVG726Context* c = (AVG726Context*)avctx->priv_data;
 321
 322     if (avctx->channels != 1 ||
 323         (avctx->bit_rate != 16000 && avctx->bit_rate != 24000 &&
 324          avctx->bit_rate != 32000 && avctx->bit_rate != 40000)) {
 325         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "G726: unsupported audio format\n");
 326         return -1;
 327     }
 328     if (avctx->sample_rate != 8000 && avctx->strict_std_compliance>=0) {
 329         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "G726: unsupported audio format\n");
 330         return -1;
 331     }
 332     g726_reset(&c->c, avctx->bit_rate);
 333     c->code_size = c->c.tbls->bits;
 334     c->bit_buffer = 0;
 335     c->bits_left = 0;
 336
 337     return 0;
 338 }
 339
 340 static int g726_encode_frame(AVCodecContext *avctx,
 341                             uint8_t *dst, int buf_size, void *data)
 342 {
 343     AVG726Context *c = avctx->priv_data;
 344     short *samples = data;
 345     PutBitContext pb;
 346
 347     init_put_bits(&pb, dst, 1024*1024);
 348
 349     for (; buf_size; buf_size--)
 350        put_bits(&pb, c->code_size, g726_encode(&c->c, *samples++));
 351
 352     flush_put_bits(&pb);
 353
 354     return put_bits_count(&pb)>>3;
 355 }
 356
 357 static int g726_decode_frame(AVCodecContext *avctx,
 358                              void *data, int *data_size,
 359                              uint8_t *buf, int buf_size)
 360 {
 361     AVG726Context *c = avctx->priv_data;
 362     short *samples = data;
 363     uint8_t code;
 364     uint8_t mask;
 365     GetBitContext gb;
 366
 367     if (!buf_size)
 368         goto out;
 369
 370     mask = (1<<c->code_size) - 1;
 371     init_get_bits(&gb, buf, buf_size * 8);
 372     if (c->bits_left) {
 373         int s = c->code_size - c->bits_left;;
 374         code = (c->bit_buffer << s) | get_bits(&gb, s);
 375         *samples++ = g726_decode(&c->c, code & mask);
 376     }
 377
 378     while (get_bits_count(&gb) + c->code_size <= buf_size*8)
 379         *samples++ = g726_decode(&c->c, get_bits(&gb, c->code_size) & mask);
 380
 381     c->bits_left = buf_size*8 - get_bits_count(&gb);
 382     c->bit_buffer = get_bits(&gb, c->bits_left);
 383
 384 out:
 385     *data_size = (uint8_t*)samples - (uint8_t*)data;
 386     return buf_size;
 387 }
 388
 389 #ifdef CONFIG_ENCODERS
 390 AVCodec adpcm_g726_encoder = {
 391     "g726",
 392     CODEC_TYPE_AUDIO,
 393     CODEC_ID_ADPCM_G726,
 394     sizeof(AVG726Context),
 395     g726_init,
 396     g726_encode_frame,
 397     NULL,
 398     NULL,
 399 };
 400 #endif //CONFIG_ENCODERS
 401
 402 AVCodec adpcm_g726_decoder = {
 403     "g726",
 404     CODEC_TYPE_AUDIO,
 405     CODEC_ID_ADPCM_G726,
 406     sizeof(AVG726Context),
 407     g726_init,
 408     NULL,
 409     NULL,
 410     g726_decode_frame,
 411 };