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

   1 /*
   2  * Opus encoder using libopus
   3  * Copyright (c) 2012 Nathan Caldwell
   4  *
   5  * This file is part of libav.
   6  *
   7  * libav 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  * libav 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 libav; if not, write to the Free Software
  19  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  20  */
  21
  22 #include <opus.h>
  23 #include <opus_multistream.h>
  24
  25 #include "libavutil/opt.h"
  26 #include "avcodec.h"
  27 #include "bytestream.h"
  28 #include "internal.h"
  29 #include "libopus.h"
  30 #include "vorbis.h"
  31 #include "audio_frame_queue.h"
  32
  33 typedef struct LibopusEncOpts {
  34     int vbr;
  35     int application;
  36     int packet_loss;
  37     int complexity;
  38     float frame_duration;
  39     int packet_size;
  40     int max_bandwidth;
  41 } LibopusEncOpts;
  42
  43 typedef struct LibopusEncContext {
  44     AVClass *class;
  45     OpusMSEncoder *enc;
  46     int stream_count;
  47     uint8_t *samples;
  48     LibopusEncOpts opts;
  49     AudioFrameQueue afq;
  50 } LibopusEncContext;
  51
  52 static const uint8_t opus_coupled_streams[8] = {
  53     0, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 3
  54 };
  55
  56 /* Opus internal to Vorbis channel order mapping written in the header */
  57 static const uint8_t opus_vorbis_channel_map[8][8] = {
  58     { 0 },
  59     { 0, 1 },
  60     { 0, 2, 1 },
  61     { 0, 1, 2, 3 },
  62     { 0, 4, 1, 2, 3 },
  63     { 0, 4, 1, 2, 3, 5 },
  64     { 0, 4, 1, 2, 3, 5, 6 },
  65     { 0, 6, 1, 2, 3, 4, 5, 7 },
  66 };
  67
  68 /* libav to libopus channel order mapping, passed to libopus */
  69 static const uint8_t libav_libopus_channel_map[8][8] = {
  70     { 0 },
  71     { 0, 1 },
  72     { 0, 1, 2 },
  73     { 0, 1, 2, 3 },
  74     { 0, 1, 3, 4, 2 },
  75     { 0, 1, 4, 5, 2, 3 },
  76     { 0, 1, 5, 6, 2, 4, 3 },
  77     { 0, 1, 6, 7, 4, 5, 2, 3 },
  78 };
  79
  80 static void libopus_write_header(AVCodecContext *avctx, int stream_count,
  81                                  int coupled_stream_count,
  82                                  const uint8_t *channel_mapping)
  83 {
  84     uint8_t *p   = avctx->extradata;
  85     int channels = avctx->channels;
  86
  87     bytestream_put_buffer(&p, "OpusHead", 8);
  88     bytestream_put_byte(&p, 1); /* Version */
  89     bytestream_put_byte(&p, channels);
  90     bytestream_put_le16(&p, avctx->delay); /* Lookahead samples at 48kHz */
  91     bytestream_put_le32(&p, avctx->sample_rate); /* Original sample rate */
  92     bytestream_put_le16(&p, 0); /* Gain of 0dB is recommended. */
  93
  94     /* Channel mapping */
  95     if (channels > 2) {
  96         bytestream_put_byte(&p, channels <= 8 ? 1 : 255);
  97         bytestream_put_byte(&p, stream_count);
  98         bytestream_put_byte(&p, coupled_stream_count);
  99         bytestream_put_buffer(&p, channel_mapping, channels);
 100     } else {
 101         bytestream_put_byte(&p, 0);
 102     }
 103 }
 104
 105 static int libopus_configure_encoder(AVCodecContext *avctx, OpusMSEncoder *enc,
 106                                      LibopusEncOpts *opts)
 107 {
 108     int ret;
 109
 110     ret = opus_multistream_encoder_ctl(enc, OPUS_SET_BITRATE(avctx->bit_rate));
 111     if (ret != OPUS_OK) {
 112         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR,
 113                "Failed to set bitrate: %s\n", opus_strerror(ret));
 114         return ret;
 115     }
 116
 117     ret = opus_multistream_encoder_ctl(enc,
 118                                        OPUS_SET_COMPLEXITY(opts->complexity));
 119     if (ret != OPUS_OK)
 120         av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
 121                "Unable to set complexity: %s\n", opus_strerror(ret));
 122
 123     ret = opus_multistream_encoder_ctl(enc, OPUS_SET_VBR(!!opts->vbr));
 124     if (ret != OPUS_OK)
 125         av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
 126                "Unable to set VBR: %s\n", opus_strerror(ret));
 127
 128     ret = opus_multistream_encoder_ctl(enc,
 129                                        OPUS_SET_VBR_CONSTRAINT(opts->vbr == 2));
 130     if (ret != OPUS_OK)
 131         av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
 132                "Unable to set constrained VBR: %s\n", opus_strerror(ret));
 133
 134     ret = opus_multistream_encoder_ctl(enc,
 135                                        OPUS_SET_PACKET_LOSS_PERC(opts->packet_loss));
 136     if (ret != OPUS_OK)
 137         av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
 138                "Unable to set expected packet loss percentage: %s\n",
 139                opus_strerror(ret));
 140
 141     if (avctx->cutoff) {
 142         ret = opus_multistream_encoder_ctl(enc,
 143                                            OPUS_SET_MAX_BANDWIDTH(opts->max_bandwidth));
 144         if (ret != OPUS_OK)
 145             av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
 146                    "Unable to set maximum bandwidth: %s\n", opus_strerror(ret));
 147     }
 148
 149     return OPUS_OK;
 150 }
 151
 152 static int av_cold libopus_encode_init(AVCodecContext *avctx)
 153 {
 154     LibopusEncContext *opus = avctx->priv_data;
 155     const uint8_t *channel_mapping;
 156     OpusMSEncoder *enc;
 157     int ret = OPUS_OK;
 158     int coupled_stream_count, header_size, frame_size;
 159
 160     coupled_stream_count = opus_coupled_streams[avctx->channels - 1];
 161     opus->stream_count   = avctx->channels - coupled_stream_count;
 162     channel_mapping      = libav_libopus_channel_map[avctx->channels - 1];
 163
 164     /* FIXME: Opus can handle up to 255 channels. However, the mapping for
 165      * anything greater than 8 is undefined. */
 166     if (avctx->channels > 8)
 167         av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
 168                "Channel layout undefined for %d channels.\n", avctx->channels);
 169
 170     if (!avctx->bit_rate) {
 171         /* Sane default copied from opusenc */
 172         avctx->bit_rate = 64000 * opus->stream_count +
 173                           32000 * coupled_stream_count;
 174         av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
 175                "No bit rate set. Defaulting to %d bps.\n", avctx->bit_rate);
 176     }
 177
 178     if (avctx->bit_rate < 500 || avctx->bit_rate > 256000 * avctx->channels) {
 179         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "The bit rate %d bps is unsupported. "
 180                "Please choose a value between 500 and %d.\n", avctx->bit_rate,
 181                256000 * avctx->channels);
 182         return AVERROR(EINVAL);
 183     }
 184
 185     frame_size = opus->opts.frame_duration * 48000 / 1000;
 186     switch (frame_size) {
 187     case 120:
 188     case 240:
 189         if (opus->opts.application != OPUS_APPLICATION_RESTRICTED_LOWDELAY)
 190             av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
 191                    "LPC mode cannot be used with a frame duration of less "
 192                    "than 10ms. Enabling restricted low-delay mode.\n"
 193                    "Use a longer frame duration if this is not what you want.\n");
 194         /* Frame sizes less than 10 ms can only use MDCT mode, so switching to
 195          * RESTRICTED_LOWDELAY avoids an unnecessary extra 2.5ms lookahead. */
 196         opus->opts.application = OPUS_APPLICATION_RESTRICTED_LOWDELAY;
 197     case 480:
 198     case 960:
 199     case 1920:
 200     case 2880:
 201         opus->opts.packet_size =
 202         avctx->frame_size      = frame_size * avctx->sample_rate / 48000;
 203         break;
 204     default:
 205         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Invalid frame duration: %g.\n"
 206                "Frame duration must be exactly one of: 2.5, 5, 10, 20, 40 or 60.\n",
 207                opus->opts.frame_duration);
 208         return AVERROR(EINVAL);
 209     }
 210
 211     if (avctx->compression_level < 0 || avctx->compression_level > 10) {
 212         av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
 213                "Compression level must be in the range 0 to 10. "
 214                "Defaulting to 10.\n");
 215         opus->opts.complexity = 10;
 216     } else {
 217         opus->opts.complexity = avctx->compression_level;
 218     }
 219
 220     if (avctx->cutoff) {
 221         switch (avctx->cutoff) {
 222         case  4000:
 223             opus->opts.max_bandwidth = OPUS_BANDWIDTH_NARROWBAND;
 224             break;
 225         case  6000:
 226             opus->opts.max_bandwidth = OPUS_BANDWIDTH_MEDIUMBAND;
 227             break;
 228         case  8000:
 229             opus->opts.max_bandwidth = OPUS_BANDWIDTH_WIDEBAND;
 230             break;
 231         case 12000:
 232             opus->opts.max_bandwidth = OPUS_BANDWIDTH_SUPERWIDEBAND;
 233             break;
 234         case 20000:
 235             opus->opts.max_bandwidth = OPUS_BANDWIDTH_FULLBAND;
 236             break;
 237         default:
 238             av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
 239                    "Invalid frequency cutoff: %d. Using default maximum bandwidth.\n"
 240                    "Cutoff frequency must be exactly one of: 4000, 6000, 8000, 12000 or 20000.\n",
 241                    avctx->cutoff);
 242             avctx->cutoff = 0;
 243         }
 244     }
 245
 246     enc = opus_multistream_encoder_create(avctx->sample_rate, avctx->channels,
 247                                           opus->stream_count,
 248                                           coupled_stream_count,
 249                                           channel_mapping,
 250                                           opus->opts.application, &ret);
 251     if (ret != OPUS_OK) {
 252         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR,
 253                "Failed to create encoder: %s\n", opus_strerror(ret));
 254         return ff_opus_error_to_averror(ret);
 255     }
 256
 257     ret = libopus_configure_encoder(avctx, enc, &opus->opts);
 258     if (ret != OPUS_OK) {
 259         ret = ff_opus_error_to_averror(ret);
 260         goto fail;
 261     }
 262
 263     header_size = 19 + (avctx->channels > 2 ? 2 + avctx->channels : 0);
 264     avctx->extradata = av_malloc(header_size + FF_INPUT_BUFFER_PADDING_SIZE);
 265     if (!avctx->extradata) {
 266         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Failed to allocate extradata.\n");
 267         ret = AVERROR(ENOMEM);
 268         goto fail;
 269     }
 270     avctx->extradata_size = header_size;
 271
 272     opus->samples = av_mallocz(frame_size * avctx->channels *
 273                                av_get_bytes_per_sample(avctx->sample_fmt));
 274     if (!opus->samples) {
 275         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Failed to allocate samples buffer.\n");
 276         ret = AVERROR(ENOMEM);
 277         goto fail;
 278     }
 279
 280     ret = opus_multistream_encoder_ctl(enc, OPUS_GET_LOOKAHEAD(&avctx->delay));
 281     if (ret != OPUS_OK)
 282         av_log(avctx, AV_LOG_WARNING,
 283                "Unable to get number of lookahead samples: %s\n",
 284                opus_strerror(ret));
 285
 286     libopus_write_header(avctx, opus->stream_count, coupled_stream_count,
 287                          opus_vorbis_channel_map[avctx->channels - 1]);
 288
 289     ff_af_queue_init(avctx, &opus->afq);
 290
 291     opus->enc = enc;
 292
 293     return 0;
 294
 295 fail:
 296     opus_multistream_encoder_destroy(enc);
 297     av_freep(&avctx->extradata);
 298     return ret;
 299 }
 300
 301 static int libopus_encode(AVCodecContext *avctx, AVPacket *avpkt,
 302                           const AVFrame *frame, int *got_packet_ptr)
 303 {
 304     LibopusEncContext *opus = avctx->priv_data;
 305     const int sample_size   = avctx->channels *
 306                               av_get_bytes_per_sample(avctx->sample_fmt);
 307     uint8_t *audio;
 308     int ret;
 309
 310     if (frame) {
 311         ff_af_queue_add(&opus->afq, frame);
 312         if (frame->nb_samples < opus->opts.packet_size) {
 313             audio = opus->samples;
 314             memcpy(audio, frame->data[0], frame->nb_samples * sample_size);
 315         } else
 316             audio = frame->data[0];
 317     } else {
 318         if (!opus->afq.remaining_samples)
 319             return 0;
 320         audio = opus->samples;
 321         memset(audio, 0, opus->opts.packet_size * sample_size);
 322     }
 323
 324     /* Maximum packet size taken from opusenc in opus-tools. 60ms packets
 325      * consist of 3 frames in one packet. The maximum frame size is 1275
 326      * bytes along with the largest possible packet header of 7 bytes. */
 327     if (ret = ff_alloc_packet(avpkt, (1275 * 3 + 7) * opus->stream_count)) {
 328         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Error getting output packet\n");
 329         return ret;
 330     }
 331
 332     if (avctx->sample_fmt == AV_SAMPLE_FMT_FLT)
 333         ret = opus_multistream_encode_float(opus->enc, (float *)audio,
 334                                             opus->opts.packet_size,
 335                                             avpkt->data, avpkt->size);
 336     else
 337         ret = opus_multistream_encode(opus->enc, (opus_int16 *)audio,
 338                                       opus->opts.packet_size,
 339                                       avpkt->data, avpkt->size);
 340
 341     if (ret < 0) {
 342         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR,
 343                "Error encoding frame: %s\n", opus_strerror(ret));
 344         return ff_opus_error_to_averror(ret);
 345     }
 346
 347     av_shrink_packet(avpkt, ret);
 348
 349     ff_af_queue_remove(&opus->afq, opus->opts.packet_size,
 350                        &avpkt->pts, &avpkt->duration);
 351
 352     *got_packet_ptr = 1;
 353
 354     return 0;
 355 }
 356
 357 static int av_cold libopus_encode_close(AVCodecContext *avctx)
 358 {
 359     LibopusEncContext *opus = avctx->priv_data;
 360
 361     opus_multistream_encoder_destroy(opus->enc);
 362
 363     ff_af_queue_close(&opus->afq);
 364
 365     av_freep(&opus->samples);
 366     av_freep(&avctx->extradata);
 367
 368     return 0;
 369 }
 370
 371 #define OFFSET(x) offsetof(LibopusEncContext, opts.x)
 372 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM | AV_OPT_FLAG_ENCODING_PARAM
 373 static const AVOption libopus_options[] = {
 374     { "application",    "Intended application type",           OFFSET(application),    AV_OPT_TYPE_INT,   { .i64 = OPUS_APPLICATION_AUDIO }, OPUS_APPLICATION_VOIP, OPUS_APPLICATION_RESTRICTED_LOWDELAY, FLAGS, "application" },
 375         { "voip",           "Favor improved speech intelligibility",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = OPUS_APPLICATION_VOIP },                0, 0, FLAGS, "application" },
 376         { "audio",          "Favor faithfulness to the input",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = OPUS_APPLICATION_AUDIO },               0, 0, FLAGS, "application" },
 377         { "lowdelay",       "Restrict to only the lowest delay modes", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = OPUS_APPLICATION_RESTRICTED_LOWDELAY }, 0, 0, FLAGS, "application" },
 378     { "frame_duration", "Duration of a frame in milliseconds", OFFSET(frame_duration), AV_OPT_TYPE_FLOAT, { .dbl = 10.0 }, 2.5, 60.0, FLAGS },
 379     { "packet_loss",    "Expected packet loss percentage",     OFFSET(packet_loss),    AV_OPT_TYPE_INT,   { .i64 = 0 },    0,   100,  FLAGS },
 380     { "vbr",            "Variable bit rate mode",              OFFSET(vbr),            AV_OPT_TYPE_INT,   { .i64 = 1 },    0,   2,    FLAGS, "vbr" },
 381         { "off",            "Use constant bit rate", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = 0 }, 0, 0, FLAGS, "vbr" },
 382         { "on",             "Use variable bit rate", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = 1 }, 0, 0, FLAGS, "vbr" },
 383         { "constrained",    "Use constrained VBR",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = 2 }, 0, 0, FLAGS, "vbr" },
 384     { NULL },
 385 };
 386
 387 static const AVClass libopus_class = {
 388     .class_name = "libopus",
 389     .item_name  = av_default_item_name,
 390     .option     = libopus_options,
 391     .version    = LIBAVUTIL_VERSION_INT,
 392 };
 393
 394 static const AVCodecDefault libopus_defaults[] = {
 395     { "b",                 "0" },
 396     { "compression_level", "10" },
 397     { NULL },
 398 };
 399
 400 static const int libopus_sample_rates[] = {
 401     48000, 24000, 16000, 12000, 8000, 0,
 402 };
 403
 404 AVCodec ff_libopus_encoder = {
 405     .name            = "libopus",
 406     .type            = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 407     .id              = AV_CODEC_ID_OPUS,
 408     .priv_data_size  = sizeof(LibopusEncContext),
 409     .init            = libopus_encode_init,
 410     .encode2         = libopus_encode,
 411     .close           = libopus_encode_close,
 412     .capabilities    = CODEC_CAP_DELAY | CODEC_CAP_SMALL_LAST_FRAME,
 413     .sample_fmts     = (const enum AVSampleFormat[]){ AV_SAMPLE_FMT_S16,
 414                                                       AV_SAMPLE_FMT_FLT,
 415                                                       AV_SAMPLE_FMT_NONE },
 416     .channel_layouts = ff_vorbis_channel_layouts,
 417     .supported_samplerates = libopus_sample_rates,
 418     .long_name       = NULL_IF_CONFIG_SMALL("libopus Opus"),
 419     .priv_class      = &libopus_class,
 420     .defaults        = libopus_defaults,
 421 };