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