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 file is part of FFmpeg.
   9  *
  10  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
  11  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
  12  * License as published by the Free Software Foundation; either
  13  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  14  *
  15  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  16  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  17  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  18  * Lesser General Public License for more details.
  19  *
  20  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  21  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  22  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  23  */
  24 #include <limits.h>
  25 #include "avcodec.h"
  26 #include "common.h"
  27 #include "bitstream.h"
  28
  29 /**
  30  * G.726 11bit float.
  31  * G.726 Standard uses rather odd 11bit floating point arithmentic for
  32  * numerous occasions. It's a mistery to me why they did it this way
  33  * instead of simply using 32bit integer arithmetic.
  34  */
  35 typedef struct Float11 {
  36         int sign;   /**< 1bit sign */
  37         int exp;    /**< 4bit exponent */
  38         int mant;   /**< 6bit mantissa */
  39 } Float11;
  40
  41 static inline Float11* i2f(int16_t i, Float11* f)
  42 {
  43         f->sign = (i < 0);
  44         if (f->sign)
  45                 i = -i;
  46         f->exp = av_log2_16bit(i) + !!i;
  47         f->mant = i? (i<<6) >> f->exp :
  48                          1<<5;
  49         return f;
  50 }
  51
  52 static inline int16_t mult(Float11* f1, Float11* f2)
  53 {
  54         int res, exp;
  55
  56         exp = f1->exp + f2->exp;
  57         res = (((f1->mant * f2->mant) + 0x30) >> 4) << 7;
  58         res = exp > 26 ? res << (exp - 26) : res >> (26 - exp);
  59         return (f1->sign ^ f2->sign) ? -res : res;
  60 }
  61
  62 static inline int sgn(int value)
  63 {
  64    return (value < 0) ? -1 : 1;
  65 }
  66
  67 typedef struct G726Tables {
  68         int  bits;            /**< bits per sample */
  69         int* quant;           /**< quantization table */
  70         int* iquant;          /**< inverse quantization table */
  71         int* W;               /**< special table #1 ;-) */
  72         int* F;               /**< special table #2 */
  73 } G726Tables;
  74
  75 typedef struct G726Context {
  76          G726Tables* tbls;    /**< static tables needed for computation */
  77
  78          Float11 sr[2];       /**< prev. reconstructed samples */
  79          Float11 dq[6];       /**< prev. difference */
  80          int a[2];            /**< second order predictor coeffs */
  81          int b[6];            /**< sixth order predictor coeffs */
  82          int pk[2];           /**< signs of prev. 2 sez + dq */
  83
  84          int ap;              /**< scale factor control */
  85          int yu;              /**< fast scale factor */
  86          int yl;              /**< slow scale factor */
  87          int dms;             /**< short average magnitude of F[i] */
  88          int dml;             /**< long average magnitude of F[i] */
  89          int td;              /**< tone detect */
  90
  91          int se;              /**< estimated signal for the next iteration */
  92          int sez;             /**< estimated second order prediction */
  93          int y;               /**< quantizer scaling factor for the next iteration */
  94 } G726Context;
  95
  96 static int quant_tbl16[] =                       /**< 16kbit/s 2bits per sample */
  97            { 260, INT_MAX };
  98 static int iquant_tbl16[] =
  99            { 116, 365, 365, 116 };
 100 static int W_tbl16[] =
 101            { -22, 439, 439, -22 };
 102 static int F_tbl16[] =
 103            { 0, 7, 7, 0 };
 104
 105 static int quant_tbl24[] =                       /**< 24kbit/s 3bits per sample */
 106            {  7, 217, 330, INT_MAX };
 107 static int iquant_tbl24[] =
 108            { INT_MIN, 135, 273, 373, 373, 273, 135, INT_MIN };
 109 static int W_tbl24[] =
 110            { -4,  30, 137, 582, 582, 137,  30, -4 };
 111 static int F_tbl24[] =
 112            { 0, 1, 2, 7, 7, 2, 1, 0 };
 113
 114 static int quant_tbl32[] =                       /**< 32kbit/s 4bits per sample */
 115            { -125,  79, 177, 245, 299, 348, 399, INT_MAX };
 116 static int iquant_tbl32[] =
 117            { INT_MIN,   4, 135, 213, 273, 323, 373, 425,
 118                  425, 373, 323, 273, 213, 135,   4, INT_MIN };
 119 static int W_tbl32[] =
 120            { -12,  18,  41,  64, 112, 198, 355, 1122,
 121             1122, 355, 198, 112,  64,  41,  18, -12};
 122 static int F_tbl32[] =
 123            { 0, 0, 0, 1, 1, 1, 3, 7, 7, 3, 1, 1, 1, 0, 0, 0 };
 124
 125 static int quant_tbl40[] =                      /**< 40kbit/s 5bits per sample */
 126            { -122, -16,  67, 138, 197, 249, 297, 338,
 127               377, 412, 444, 474, 501, 527, 552, INT_MAX };
 128 static int iquant_tbl40[] =
 129            { INT_MIN, -66,  28, 104, 169, 224, 274, 318,
 130                  358, 395, 429, 459, 488, 514, 539, 566,
 131                  566, 539, 514, 488, 459, 429, 395, 358,
 132                  318, 274, 224, 169, 104,  28, -66, INT_MIN };
 133 static int W_tbl40[] =
 134            {   14,  14,  24,  39,  40,  41,   58,  100,
 135               141, 179, 219, 280, 358, 440,  529,  696,
 136               696, 529, 440, 358, 280, 219,  179,  141,
 137               100,  58,  41,  40,  39,  24,   14,   14 };
 138 static int F_tbl40[] =
 139            { 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 6,
 140              6, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0 };
 141
 142 static G726Tables G726Tables_pool[] =
 143            {{ 2, quant_tbl16, iquant_tbl16, W_tbl16, F_tbl16 },
 144             { 3, quant_tbl24, iquant_tbl24, W_tbl24, F_tbl24 },
 145             { 4, quant_tbl32, iquant_tbl32, W_tbl32, F_tbl32 },
 146             { 5, quant_tbl40, iquant_tbl40, W_tbl40, F_tbl40 }};
 147
 148
 149 /**
 150  * Para 4.2.2 page 18: Adaptive quantizer.
 151  */
 152 static inline uint8_t quant(G726Context* c, int d)
 153 {
 154    int sign, exp, i, dln;
 155
 156    sign = i = 0;
 157    if (d < 0) {
 158        sign = 1;
 159        d = -d;
 160    }
 161    exp = av_log2_16bit(d);
 162    dln = ((exp<<7) + (((d<<7)>>exp)&0x7f)) - (c->y>>2);
 163
 164    while (c->tbls->quant[i] < INT_MAX && c->tbls->quant[i] < dln)
 165         ++i;
 166
 167    if (sign)
 168        i = ~i;
 169    if (c->tbls->bits != 2 && i == 0) /* I'm not sure this is a good idea */
 170        i = 0xff;
 171
 172    return i;
 173 }
 174
 175 /**
 176  * Para 4.2.3 page 22: Inverse adaptive quantizer.
 177  */
 178 static inline int16_t inverse_quant(G726Context* c, int i)
 179 {
 180     int dql, dex, dqt;
 181
 182     dql = c->tbls->iquant[i] + (c->y >> 2);
 183     dex = (dql>>7) & 0xf;        /* 4bit exponent */
 184     dqt = (1<<7) + (dql & 0x7f); /* log2 -> linear */
 185     return (dql < 0) ? 0 : ((dqt<<7) >> (14-dex));
 186 }
 187
 188 static inline int16_t g726_iterate(G726Context* c, int16_t I)
 189 {
 190     int dq, re_signal, pk0, fa1, i, tr, ylint, ylfrac, thr2, al, dq0;
 191     Float11 f;
 192
 193     dq = inverse_quant(c, I);
 194     if (I >> (c->tbls->bits - 1))  /* get the sign */
 195         dq = -dq;
 196     re_signal = c->se + dq;
 197
 198     /* Transition detect */
 199     ylint = (c->yl >> 15);
 200     ylfrac = (c->yl >> 10) & 0x1f;
 201     thr2 = (ylint > 9) ? 0x1f << 10 : (0x20 + ylfrac) << ylint;
 202     if (c->td == 1 && abs(dq) > ((thr2+(thr2>>1))>>1))
 203         tr = 1;
 204     else
 205         tr = 0;
 206
 207     /* Update second order predictor coefficient A2 and A1 */
 208     pk0 = (c->sez + dq) ? sgn(c->sez + dq) : 0;
 209     dq0 = dq ? sgn(dq) : 0;
 210     if (tr) {
 211         c->a[0] = 0;
 212         c->a[1] = 0;
 213         for (i=0; i<6; i++)
 214            c->b[i] = 0;
 215     } else {
 216         /* This is a bit crazy, but it really is +255 not +256 */
 217         fa1 = clip((-c->a[0]*c->pk[0]*pk0)>>5, -256, 255);
 218
 219         c->a[1] += 128*pk0*c->pk[1] + fa1 - (c->a[1]>>7);
 220         c->a[1] = clip(c->a[1], -12288, 12288);
 221         c->a[0] += 64*3*pk0*c->pk[0] - (c->a[0] >> 8);
 222         c->a[0] = clip(c->a[0], -(15360 - c->a[1]), 15360 - c->a[1]);
 223
 224         for (i=0; i<6; i++)
 225              c->b[i] += 128*dq0*sgn(-c->dq[i].sign) - (c->b[i]>>8);
 226     }
 227
 228     /* Update Dq and Sr and Pk */
 229     c->pk[1] = c->pk[0];
 230     c->pk[0] = pk0 ? pk0 : 1;
 231     c->sr[1] = c->sr[0];
 232     i2f(re_signal, &c->sr[0]);
 233     for (i=5; i>0; i--)
 234        c->dq[i] = c->dq[i-1];
 235     i2f(dq, &c->dq[0]);
 236     c->dq[0].sign = I >> (c->tbls->bits - 1); /* Isn't it crazy ?!?! */
 237
 238     /* Update tone detect [I'm not sure 'tr == 0' is really needed] */
 239     c->td = (tr == 0 && c->a[1] < -11776);
 240
 241     /* Update Ap */
 242     c->dms += ((c->tbls->F[I]<<9) - c->dms) >> 5;
 243     c->dml += ((c->tbls->F[I]<<11) - c->dml) >> 7;
 244     if (tr)
 245        c->ap = 256;
 246     else if (c->y > 1535 && !c->td && (abs((c->dms << 2) - c->dml) < (c->dml >> 3)))
 247        c->ap += (-c->ap) >> 4;
 248     else
 249        c->ap += (0x200 - c->ap) >> 4;
 250
 251     /* Update Yu and Yl */
 252     c->yu = clip(c->y + (((c->tbls->W[I] << 5) - c->y) >> 5), 544, 5120);
 253     c->yl += c->yu + ((-c->yl)>>6);
 254
 255     /* Next iteration for Y */
 256     al = (c->ap >= 256) ? 1<<6 : c->ap >> 2;
 257     c->y = (c->yl + (c->yu - (c->yl>>6))*al) >> 6;
 258
 259     /* Next iteration for SE and SEZ */
 260     c->se = 0;
 261     for (i=0; i<6; i++)
 262        c->se += mult(i2f(c->b[i] >> 2, &f), &c->dq[i]);
 263     c->sez = c->se >> 1;
 264     for (i=0; i<2; i++)
 265        c->se += mult(i2f(c->a[i] >> 2, &f), &c->sr[i]);
 266     c->se >>= 1;
 267
 268     return clip(re_signal << 2, -0xffff, 0xffff);
 269 }
 270
 271 static int g726_reset(G726Context* c, int bit_rate)
 272 {
 273     int i;
 274
 275     c->tbls = &G726Tables_pool[bit_rate/8000 - 2];
 276     for (i=0; i<2; i++) {
 277        i2f(0, &c->sr[i]);
 278        c->a[i] = 0;
 279        c->pk[i] = 1;
 280     }
 281     for (i=0; i<6; i++) {
 282        i2f(0, &c->dq[i]);
 283        c->b[i] = 0;
 284     }
 285     c->ap = 0;
 286     c->dms = 0;
 287     c->dml = 0;
 288     c->yu = 544;
 289     c->yl = 34816;
 290     c->td = 0;
 291
 292     c->se = 0;
 293     c->sez = 0;
 294     c->y = 544;
 295
 296     return 0;
 297 }
 298
 299 static int16_t g726_decode(G726Context* c, int16_t i)
 300 {
 301     return g726_iterate(c, i);
 302 }
 303
 304 #ifdef CONFIG_ENCODERS
 305 static int16_t g726_encode(G726Context* c, int16_t sig)
 306 {
 307    uint8_t i;
 308
 309    i = quant(c, sig/4 - c->se) & ((1<<c->tbls->bits) - 1);
 310    g726_iterate(c, i);
 311    return i;
 312 }
 313 #endif
 314
 315 /* Interfacing to the libavcodec */
 316
 317 typedef struct AVG726Context {
 318    G726Context c;
 319    int bits_left;
 320    int bit_buffer;
 321    int code_size;
 322 } AVG726Context;
 323
 324 static int g726_init(AVCodecContext * avctx)
 325 {
 326     AVG726Context* c = (AVG726Context*)avctx->priv_data;
 327
 328     if (avctx->channels != 1 ||
 329         (avctx->bit_rate != 16000 && avctx->bit_rate != 24000 &&
 330          avctx->bit_rate != 32000 && avctx->bit_rate != 40000)) {
 331         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "G726: unsupported audio format\n");
 332         return -1;
 333     }
 334     if (avctx->sample_rate != 8000 && avctx->strict_std_compliance>FF_COMPLIANCE_INOFFICIAL) {
 335         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "G726: unsupported audio format\n");
 336         return -1;
 337     }
 338     g726_reset(&c->c, avctx->bit_rate);
 339     c->code_size = c->c.tbls->bits;
 340     c->bit_buffer = 0;
 341     c->bits_left = 0;
 342
 343     avctx->coded_frame = avcodec_alloc_frame();
 344     if (!avctx->coded_frame)
 345         return -ENOMEM;
 346     avctx->coded_frame->key_frame = 1;
 347
 348     return 0;
 349 }
 350
 351 static int g726_close(AVCodecContext *avctx)
 352 {
 353     av_freep(&avctx->coded_frame);
 354     return 0;
 355 }
 356
 357 #ifdef CONFIG_ENCODERS
 358 static int g726_encode_frame(AVCodecContext *avctx,
 359                             uint8_t *dst, int buf_size, void *data)
 360 {
 361     AVG726Context *c = avctx->priv_data;
 362     short *samples = data;
 363     PutBitContext pb;
 364
 365     init_put_bits(&pb, dst, 1024*1024);
 366
 367     for (; buf_size; buf_size--)
 368        put_bits(&pb, c->code_size, g726_encode(&c->c, *samples++));
 369
 370     flush_put_bits(&pb);
 371
 372     return put_bits_count(&pb)>>3;
 373 }
 374 #endif
 375
 376 static int g726_decode_frame(AVCodecContext *avctx,
 377                              void *data, int *data_size,
 378                              uint8_t *buf, int buf_size)
 379 {
 380     AVG726Context *c = avctx->priv_data;
 381     short *samples = data;
 382     uint8_t code;
 383     uint8_t mask;
 384     GetBitContext gb;
 385
 386     if (!buf_size)
 387         goto out;
 388
 389     mask = (1<<c->code_size) - 1;
 390     init_get_bits(&gb, buf, buf_size * 8);
 391     if (c->bits_left) {
 392         int s = c->code_size - c->bits_left;;
 393         code = (c->bit_buffer << s) | get_bits(&gb, s);
 394         *samples++ = g726_decode(&c->c, code & mask);
 395     }
 396
 397     while (get_bits_count(&gb) + c->code_size <= buf_size*8)
 398         *samples++ = g726_decode(&c->c, get_bits(&gb, c->code_size) & mask);
 399
 400     c->bits_left = buf_size*8 - get_bits_count(&gb);
 401     c->bit_buffer = get_bits(&gb, c->bits_left);
 402
 403 out:
 404     *data_size = (uint8_t*)samples - (uint8_t*)data;
 405     return buf_size;
 406 }
 407
 408 #ifdef CONFIG_ENCODERS
 409 AVCodec adpcm_g726_encoder = {
 410     "g726",
 411     CODEC_TYPE_AUDIO,
 412     CODEC_ID_ADPCM_G726,
 413     sizeof(AVG726Context),
 414     g726_init,
 415     g726_encode_frame,
 416     g726_close,
 417     NULL,
 418 };
 419 #endif //CONFIG_ENCODERS
 420
 421 AVCodec adpcm_g726_decoder = {
 422     "g726",
 423     CODEC_TYPE_AUDIO,
 424     CODEC_ID_ADPCM_G726,
 425     sizeof(AVG726Context),
 426     g726_init,
 427     NULL,
 428     g726_close,
 429     g726_decode_frame,
 430 };