git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavcodec/g729dec.c

   1 /*
   2  * G.729 decoder
   3  * Copyright (c) 2008 Vladimir Voroshilov
   4  *
   5  * This file is part of FFmpeg.
   6  *
   7  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
   8  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   9  * License as published by the Free Software Foundation; either
  10  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  11  *
  12  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  13  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  14  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  15  * Lesser General Public License for more details.
  16  *
  17  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  18  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  19  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  20  */
  21 #include <stdlib.h>
  22 #include <inttypes.h>
  23 #include <limits.h>
  24 #include <stdio.h>
  25 #include <string.h>
  26 #include <math.h>
  27 #include <assert.h>
  28
  29 #include "avcodec.h"
  30 #include "libavutil/avutil.h"
  31 #include "get_bits.h"
  32
  33 #include "g729.h"
  34 #include "lsp.h"
  35 #include "celp_math.h"
  36 #include "acelp_filters.h"
  37 #include "acelp_pitch_delay.h"
  38 #include "acelp_vectors.h"
  39 #include "g729data.h"
  40
  41 /**
  42  * minimum quantized LSF value (3.2.4)
  43  * 0.005 in Q13
  44  */
  45 #define LSFQ_MIN                   40
  46
  47 /**
  48  * maximum quantized LSF value (3.2.4)
  49  * 3.135 in Q13
  50  */
  51 #define LSFQ_MAX                   25681
  52
  53 /**
  54  * minimum LSF distance (3.2.4)
  55  * 0.0391 in Q13
  56  */
  57 #define LSFQ_DIFF_MIN              321
  58
  59 /**
  60  * minimum gain pitch value (3.8, Equation 47)
  61  * 0.2 in (1.14)
  62  */
  63 #define SHARP_MIN                  3277
  64
  65 /**
  66  * maximum gain pitch value (3.8, Equation 47)
  67  * (EE) This does not comply with the specification.
  68  * Specification says about 0.8, which should be
  69  * 13107 in (1.14), but reference C code uses
  70  * 13017 (equals to 0.7945) instead of it.
  71  */
  72 #define SHARP_MAX                  13017
  73
  74 typedef enum {
  75     FORMAT_G729_8K = 0,
  76     FORMAT_G729D_6K4,
  77     FORMAT_COUNT,
  78 } G729Formats;
  79
  80 typedef struct {
  81     uint8_t ac_index_bits[2];   ///< adaptive codebook index for second subframe (size in bits)
  82     uint8_t parity_bit;         ///< parity bit for pitch delay
  83     uint8_t gc_1st_index_bits;  ///< gain codebook (first stage) index (size in bits)
  84     uint8_t gc_2nd_index_bits;  ///< gain codebook (second stage) index (size in bits)
  85     uint8_t fc_signs_bits;      ///< number of pulses in fixed-codebook vector
  86     uint8_t fc_indexes_bits;    ///< size (in bits) of fixed-codebook index entry
  87 } G729FormatDescription;
  88
  89 typedef struct {
  90     int pitch_delay_int_prev;   ///< integer part of previous subframe's pitch delay (4.1.3)
  91
  92     /// (2.13) LSP quantizer outputs
  93     int16_t  past_quantizer_output_buf[MA_NP + 1][10];
  94     int16_t* past_quantizer_outputs[MA_NP + 1];
  95
  96     int16_t lsfq[10];           ///< (2.13) quantized LSF coefficients from previous frame
  97     int16_t lsp_buf[2][10];     ///< (0.15) LSP coefficients (previous and current frames) (3.2.5)
  98     int16_t *lsp[2];            ///< pointers to lsp_buf
  99
 100     int ma_predictor_prev;      ///< switched MA predictor of LSP quantizer from last good frame
 101 }  G729Context;
 102
 103 static const G729FormatDescription format_g729_8k = {
 104     .ac_index_bits     = {8,5},
 105     .parity_bit        = 1,
 106     .gc_1st_index_bits = GC_1ST_IDX_BITS_8K,
 107     .gc_2nd_index_bits = GC_2ND_IDX_BITS_8K,
 108     .fc_signs_bits     = 4,
 109     .fc_indexes_bits   = 13,
 110 };
 111
 112 static const G729FormatDescription format_g729d_6k4 = {
 113     .ac_index_bits     = {8,4},
 114     .parity_bit        = 0,
 115     .gc_1st_index_bits = GC_1ST_IDX_BITS_6K4,
 116     .gc_2nd_index_bits = GC_2ND_IDX_BITS_6K4,
 117     .fc_signs_bits     = 2,
 118     .fc_indexes_bits   = 9,
 119 };
 120
 121 /**
 122  * @brief pseudo random number generator
 123  */
 124 static inline uint16_t g729_prng(uint16_t value)
 125 {
 126     return 31821 * value + 13849;
 127 }
 128
 129 /**
 130  * Get parity bit of bit 2..7
 131  */
 132 static inline int get_parity(uint8_t value)
 133 {
 134    return (0x6996966996696996ULL >> (value >> 2)) & 1;
 135 }
 136
 137 /*
 138  * Decodes LSF (Line Spectral Frequencies) from L0-L3 (3.2.4).
 139  * @param lsfq [out] (2.13) quantized LSF coefficients
 140  * @param past_quantizer_outputs [in/out] (2.13) quantizer outputs from previous frames
 141  * @param ma_predictor switched MA predictor of LSP quantizer
 142  * @param vq_1st first stage vector of quantizer
 143  * @param vq_2nd_low second stage lower vector of LSP quantizer
 144  * @param vq_2nd_high second stage higher vector of LSP quantizer
 145  */
 146 static void lsf_decode(int16_t* lsfq, int16_t* past_quantizer_outputs[MA_NP + 1],
 147                        int16_t ma_predictor,
 148                        int16_t vq_1st, int16_t vq_2nd_low, int16_t vq_2nd_high)
 149 {
 150     int i,j;
 151     static const uint8_t min_distance[2]={10, 5}; //(2.13)
 152     int16_t* quantizer_output = past_quantizer_outputs[MA_NP];
 153
 154     for (i = 0; i < 5; i++) {
 155         quantizer_output[i]     = cb_lsp_1st[vq_1st][i    ] + cb_lsp_2nd[vq_2nd_low ][i    ];
 156         quantizer_output[i + 5] = cb_lsp_1st[vq_1st][i + 5] + cb_lsp_2nd[vq_2nd_high][i + 5];
 157     }
 158
 159     for (j = 0; j < 2; j++) {
 160         for (i = 1; i < 10; i++) {
 161             int diff = (quantizer_output[i - 1] - quantizer_output[i] + min_distance[j]) >> 1;
 162             if (diff > 0) {
 163                 quantizer_output[i - 1] -= diff;
 164                 quantizer_output[i    ] += diff;
 165             }
 166         }
 167     }
 168
 169     for (i = 0; i < 10; i++) {
 170         int sum = quantizer_output[i] * cb_ma_predictor_sum[ma_predictor][i];
 171         for (j = 0; j < MA_NP; j++)
 172             sum += past_quantizer_outputs[j][i] * cb_ma_predictor[ma_predictor][j][i];
 173
 174         lsfq[i] = sum >> 15;
 175     }
 176
 177     ff_acelp_reorder_lsf(lsfq, LSFQ_DIFF_MIN, LSFQ_MIN, LSFQ_MAX, 10);
 178 }
 179
 180 /**
 181  * Restores past LSP quantizer output using LSF from previous frame
 182  * @param lsfq [in/out] (2.13) quantized LSF coefficients
 183  * @param past_quantizer_outputs [in/out] (2.13) quantizer outputs from previous frames
 184  * @param ma_predictor_prev MA predictor from previous frame
 185  * @param lsfq_prev (2.13) quantized LSF coefficients from previous frame
 186  */
 187 static void lsf_restore_from_previous(int16_t* lsfq,
 188                                       int16_t* past_quantizer_outputs[MA_NP + 1],
 189                                       int ma_predictor_prev)
 190 {
 191     int16_t* quantizer_output = past_quantizer_outputs[MA_NP];
 192     int i,k;
 193
 194     for (i = 0; i < 10; i++) {
 195         int tmp = lsfq[i] << 15;
 196
 197         for (k = 0; k < MA_NP; k++)
 198             tmp -= past_quantizer_outputs[k][i] * cb_ma_predictor[ma_predictor_prev][k][i];
 199
 200         quantizer_output[i] = ((tmp >> 15) * cb_ma_predictor_sum_inv[ma_predictor_prev][i]) >> 12;
 201     }
 202 }
 203
 204 static av_cold int decoder_init(AVCodecContext * avctx)
 205 {
 206     G729Context* ctx = avctx->priv_data;
 207     int i,k;
 208
 209     if (avctx->channels != 1) {
 210         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Only mono sound is supported (requested channels: %d).\n", avctx->channels);
 211         return AVERROR(EINVAL);
 212     }
 213
 214     /* Both 8kbit/s and 6.4kbit/s modes uses two subframes per frame. */
 215     avctx->frame_size = SUBFRAME_SIZE << 1;
 216
 217     for (k = 0; k < MA_NP + 1; k++) {
 218         ctx->past_quantizer_outputs[k] = ctx->past_quantizer_output_buf[k];
 219         for (i = 1; i < 11; i++)
 220             ctx->past_quantizer_outputs[k][i - 1] = (18717 * i) >> 3;
 221     }
 222
 223     ctx->lsp[0] = ctx->lsp_buf[0];
 224     ctx->lsp[1] = ctx->lsp_buf[1];
 225     memcpy(ctx->lsp[0], lsp_init, 10 * sizeof(int16_t));
 226
 227     return 0;
 228 }
 229
 230 static int decode_frame(AVCodecContext *avctx, void *data, int *data_size,
 231                         AVPacket *avpkt)
 232 {
 233     const uint8_t *buf = avpkt->data;
 234     int buf_size       = avpkt->size;
 235     int16_t *out_frame = data;
 236     GetBitContext gb;
 237     G729FormatDescription format;
 238     int frame_erasure = 0;    ///< frame erasure detected during decoding
 239     int bad_pitch = 0;        ///< parity check failed
 240     int i;
 241     int16_t *tmp;
 242     G729Formats packet_type;
 243     G729Context *ctx = avctx->priv_data;
 244     int16_t lp[2][11];           // (3.12)
 245     uint8_t ma_predictor;     ///< switched MA predictor of LSP quantizer
 246     uint8_t quantizer_1st;    ///< first stage vector of quantizer
 247     uint8_t quantizer_2nd_lo; ///< second stage lower vector of quantizer (size in bits)
 248     uint8_t quantizer_2nd_hi; ///< second stage higher vector of quantizer (size in bits)
 249
 250     int pitch_delay_int;         // pitch delay, integer part
 251     int pitch_delay_3x;          // pitch delay, multiplied by 3
 252
 253     if (*data_size < SUBFRAME_SIZE << 2) {
 254         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Error processing packet: output buffer too small\n");
 255         return AVERROR(EIO);
 256     }
 257
 258     if (buf_size == 10) {
 259         packet_type = FORMAT_G729_8K;
 260         format = format_g729_8k;
 261         av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "Packet type: %s\n", "G.729 @ 8kbit/s");
 262     } else if (buf_size == 8) {
 263         packet_type = FORMAT_G729D_6K4;
 264         format = format_g729d_6k4;
 265         av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "Packet type: %s\n", "G.729D @ 6.4kbit/s");
 266     } else {
 267         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Packet size %d is unknown.\n", buf_size);
 268         return AVERROR_INVALIDDATA;
 269     }
 270
 271     for (i=0; i < buf_size; i++)
 272         frame_erasure |= buf[i];
 273     frame_erasure = !frame_erasure;
 274
 275     init_get_bits(&gb, buf, buf_size);
 276
 277     ma_predictor     = get_bits(&gb, 1);
 278     quantizer_1st    = get_bits(&gb, VQ_1ST_BITS);
 279     quantizer_2nd_lo = get_bits(&gb, VQ_2ND_BITS);
 280     quantizer_2nd_hi = get_bits(&gb, VQ_2ND_BITS);
 281
 282     if(frame_erasure)
 283         lsf_restore_from_previous(ctx->lsfq, ctx->past_quantizer_outputs,
 284                                   ctx->ma_predictor_prev);
 285     else {
 286         lsf_decode(ctx->lsfq, ctx->past_quantizer_outputs,
 287                    ma_predictor,
 288                    quantizer_1st, quantizer_2nd_lo, quantizer_2nd_hi);
 289         ctx->ma_predictor_prev = ma_predictor;
 290     }
 291
 292     tmp = ctx->past_quantizer_outputs[MA_NP];
 293     memmove(ctx->past_quantizer_outputs + 1, ctx->past_quantizer_outputs,
 294             MA_NP * sizeof(int16_t*));
 295     ctx->past_quantizer_outputs[0] = tmp;
 296
 297     ff_acelp_lsf2lsp(ctx->lsp[1], ctx->lsfq, 10);
 298
 299     ff_acelp_lp_decode(&lp[0][0], &lp[1][0], ctx->lsp[1], ctx->lsp[0], 10);
 300
 301     FFSWAP(int16_t*, ctx->lsp[1], ctx->lsp[0]);
 302
 303     for (i = 0; i < 2; i++) {
 304         uint8_t ac_index;      ///< adaptive codebook index
 305         uint8_t pulses_signs;  ///< fixed-codebook vector pulse signs
 306         int fc_indexes;        ///< fixed-codebook indexes
 307         uint8_t gc_1st_index;  ///< gain codebook (first stage) index
 308         uint8_t gc_2nd_index;  ///< gain codebook (second stage) index
 309
 310         ac_index      = get_bits(&gb, format.ac_index_bits[i]);
 311         if(!i && format.parity_bit)
 312             bad_pitch = get_parity(ac_index) == get_bits1(&gb);
 313         fc_indexes    = get_bits(&gb, format.fc_indexes_bits);
 314         pulses_signs  = get_bits(&gb, format.fc_signs_bits);
 315         gc_1st_index  = get_bits(&gb, format.gc_1st_index_bits);
 316         gc_2nd_index  = get_bits(&gb, format.gc_2nd_index_bits);
 317
 318         if (frame_erasure)
 319             pitch_delay_3x   = 3 * ctx->pitch_delay_int_prev;
 320         else if(!i) {
 321             if (bad_pitch)
 322                 pitch_delay_3x   = 3 * ctx->pitch_delay_int_prev;
 323             else
 324                 pitch_delay_3x = ff_acelp_decode_8bit_to_1st_delay3(ac_index);
 325         } else {
 326             int pitch_delay_min = av_clip(ctx->pitch_delay_int_prev - 5,
 327                                           PITCH_DELAY_MIN, PITCH_DELAY_MAX - 9);
 328
 329             if(packet_type == FORMAT_G729D_6K4)
 330                 pitch_delay_3x = ff_acelp_decode_4bit_to_2nd_delay3(ac_index, pitch_delay_min);
 331             else
 332                 pitch_delay_3x = ff_acelp_decode_5_6_bit_to_2nd_delay3(ac_index, pitch_delay_min);
 333         }
 334
 335         /* Round pitch delay to nearest (used everywhere except ff_acelp_interpolate). */
 336         pitch_delay_int  = (pitch_delay_3x + 1) / 3;
 337
 338         ff_acelp_weighted_vector_sum(fc + pitch_delay_int,
 339                                      fc + pitch_delay_int,
 340                                      fc, 1 << 14,
 341                                      av_clip(ctx->gain_pitch, SHARP_MIN, SHARP_MAX),
 342                                      0, 14,
 343                                      SUBFRAME_SIZE - pitch_delay_int);
 344
 345         if (frame_erasure) {
 346             ctx->gain_pitch = (29491 * ctx->gain_pitch) >> 15; // 0.90 (0.15)
 347             ctx->gain_code  = ( 2007 * ctx->gain_code ) >> 11; // 0.98 (0.11)
 348
 349             gain_corr_factor = 0;
 350         } else {
 351             ctx->gain_pitch  = cb_gain_1st_8k[gc_1st_index][0] +
 352                                cb_gain_2nd_8k[gc_2nd_index][0];
 353             gain_corr_factor = cb_gain_1st_8k[gc_1st_index][1] +
 354                                cb_gain_2nd_8k[gc_2nd_index][1];
 355
 356         ff_acelp_weighted_vector_sum(ctx->exc + i * SUBFRAME_SIZE,
 357                                      ctx->exc + i * SUBFRAME_SIZE, fc,
 358                                      (!voicing && frame_erasure) ? 0 : ctx->gain_pitch,
 359                                      ( voicing && frame_erasure) ? 0 : ctx->gain_code,
 360                                      1 << 13, 14, SUBFRAME_SIZE);
 361
 362         if (frame_erasure)
 363             ctx->pitch_delay_int_prev = FFMIN(ctx->pitch_delay_int_prev + 1, PITCH_DELAY_MAX);
 364         else
 365             ctx->pitch_delay_int_prev = pitch_delay_int;
 366     }
 367
 368     *data_size = SUBFRAME_SIZE << 2;
 369     return buf_size;
 370 }
 371
 372 AVCodec ff_g729_decoder =
 373 {
 374     "g729",
 375     AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 376     CODEC_ID_G729,
 377     sizeof(G729Context),
 378     decoder_init,
 379     NULL,
 380     NULL,
 381     decode_frame,
 382     .long_name = NULL_IF_CONFIG_SMALL("G.729"),
 383 };