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