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

   1 /*
   2  * MagicYUV encoder
   3  * Copyright (c) 2017 Paul B Mahol
   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
  22 #include <stdlib.h>
  23 #include <string.h>
  24
  25 #include "libavutil/opt.h"
  26 #include "libavutil/pixdesc.h"
  27 #include "libavutil/qsort.h"
  28
  29 #include "avcodec.h"
  30 #include "bytestream.h"
  31 #include "put_bits.h"
  32 #include "internal.h"
  33 #include "thread.h"
  34 #include "lossless_videoencdsp.h"
  35
  36 typedef enum Prediction {
  37     LEFT = 1,
  38     GRADIENT,
  39     MEDIAN,
  40 } Prediction;
  41
  42 typedef struct HuffEntry {
  43     uint8_t  sym;
  44     uint8_t  len;
  45     uint32_t code;
  46 } HuffEntry;
  47
  48 typedef struct PTable {
  49     int     value;  ///< input value
  50     int64_t prob;   ///< number of occurences of this value in input
  51 } PTable;
  52
  53 typedef struct MagicYUVContext {
  54     const AVClass       *class;
  55     int                  frame_pred;
  56     PutBitContext        pb;
  57     int                  planes;
  58     uint8_t              format;
  59     AVFrame             *p;
  60     int                  max;
  61     int                  slice_height;
  62     int                  nb_slices;
  63     int                  correlate;
  64     int                  hshift[4];
  65     int                  vshift[4];
  66     uint8_t             *slices[4];
  67     unsigned             slice_pos[4];
  68     unsigned             tables_size;
  69     HuffEntry            he[4][256];
  70     LLVidEncDSPContext   llvidencdsp;
  71     void (*predict)(struct MagicYUVContext *s, uint8_t *src, uint8_t *dst,
  72                     ptrdiff_t stride, int width, int height);
  73 } MagicYUVContext;
  74
  75 static void left_predict(MagicYUVContext *s,
  76                          uint8_t *src, uint8_t *dst, ptrdiff_t stride,
  77                          int width, int height)
  78 {
  79     uint8_t prev = 0;
  80     int i, j;
  81
  82     for (i = 0; i < width; i++) {
  83         dst[i] = src[i] - prev;
  84         prev   = src[i];
  85     }
  86     dst += width;
  87     src += stride;
  88     for (j = 1; j < height; j++) {
  89         prev = src[-stride];
  90         for (i = 0; i < width; i++) {
  91             dst[i] = src[i] - prev;
  92             prev   = src[i];
  93         }
  94         dst += width;
  95         src += stride;
  96     }
  97 }
  98
  99 static void gradient_predict(MagicYUVContext *s,
 100                              uint8_t *src, uint8_t *dst, ptrdiff_t stride,
 101                              int width, int height)
 102 {
 103     int left = 0, top, lefttop;
 104     int i, j;
 105
 106     for (i = 0; i < width; i++) {
 107         dst[i] = src[i] - left;
 108         left   = src[i];
 109     }
 110     dst += width;
 111     src += stride;
 112     for (j = 1; j < height; j++) {
 113         top = src[-stride];
 114         left = src[0] - top;
 115         dst[0] = left;
 116         for (i = 1; i < width; i++) {
 117             top = src[i - stride];
 118             lefttop = src[i - (stride + 1)];
 119             left = src[i-1];
 120             dst[i] = (src[i] - top) - left + lefttop;
 121         }
 122         dst += width;
 123         src += stride;
 124     }
 125 }
 126
 127 static void median_predict(MagicYUVContext *s,
 128                            uint8_t *src, uint8_t *dst, ptrdiff_t stride,
 129                            int width, int height)
 130 {
 131     int left = 0, lefttop;
 132     int i, j;
 133
 134     for (i = 0; i < width; i++) {
 135         dst[i] = src[i] - left;
 136         left   = src[i];
 137     }
 138     dst += width;
 139     src += stride;
 140     for (j = 1; j < height; j++) {
 141         left = lefttop = src[-stride];
 142         s->llvidencdsp.sub_median_pred(dst, src - stride, src, width, &left, &lefttop);
 143         dst += width;
 144         src += stride;
 145     }
 146 }
 147
 148 static av_cold int magy_encode_init(AVCodecContext *avctx)
 149 {
 150     MagicYUVContext *s = avctx->priv_data;
 151     int i;
 152
 153     switch (avctx->pix_fmt) {
 154     case AV_PIX_FMT_GBRP:
 155         avctx->codec_tag = MKTAG('M', '8', 'R', 'G');
 156         s->correlate = 1;
 157         s->format = 0x65;
 158         break;
 159     case AV_PIX_FMT_GBRAP:
 160         avctx->codec_tag = MKTAG('M', '8', 'R', 'A');
 161         s->correlate = 1;
 162         s->format = 0x66;
 163         break;
 164     case AV_PIX_FMT_YUV420P:
 165         avctx->codec_tag = MKTAG('M', '8', 'Y', '0');
 166         s->hshift[1] =
 167         s->vshift[1] =
 168         s->hshift[2] =
 169         s->vshift[2] = 1;
 170         s->format = 0x69;
 171         break;
 172     case AV_PIX_FMT_YUV422P:
 173         avctx->codec_tag = MKTAG('M', '8', 'Y', '2');
 174         s->hshift[1] =
 175         s->hshift[2] = 1;
 176         s->format = 0x68;
 177         break;
 178     case AV_PIX_FMT_YUV444P:
 179         avctx->codec_tag = MKTAG('M', '8', 'Y', '4');
 180         s->format = 0x67;
 181         break;
 182     case AV_PIX_FMT_YUVA444P:
 183         avctx->codec_tag = MKTAG('M', '8', 'Y', 'A');
 184         s->format = 0x6a;
 185         break;
 186     case AV_PIX_FMT_GRAY8:
 187         avctx->codec_tag = MKTAG('M', '8', 'G', '0');
 188         s->format = 0x6b;
 189         break;
 190     default:
 191         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Unsupported pixel format: %d\n",
 192                avctx->pix_fmt);
 193         return AVERROR_INVALIDDATA;
 194     }
 195
 196     ff_llvidencdsp_init(&s->llvidencdsp);
 197
 198     s->planes = av_pix_fmt_count_planes(avctx->pix_fmt);
 199
 200     s->nb_slices = 1;
 201
 202     for (i = 0; i < s->planes; i++) {
 203         s->slices[i] = av_malloc(avctx->width * (avctx->height + 2) +
 204                                  AV_INPUT_BUFFER_PADDING_SIZE);
 205         if (!s->slices[i]) {
 206             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Cannot allocate temporary buffer.\n");
 207             return AVERROR(ENOMEM);
 208         }
 209     }
 210
 211     switch (s->frame_pred) {
 212     case LEFT:     s->predict = left_predict;     break;
 213     case GRADIENT: s->predict = gradient_predict; break;
 214     case MEDIAN:   s->predict = median_predict;   break;
 215     }
 216
 217     return 0;
 218 }
 219
 220 static int magy_huff_cmp_len(const void *a, const void *b)
 221 {
 222     const HuffEntry *aa = a, *bb = b;
 223     return (aa->len - bb->len) * 256 + aa->sym - bb->sym;
 224 }
 225
 226 static int huff_cmp_sym(const void *a, const void *b)
 227 {
 228     const HuffEntry *aa = a, *bb = b;
 229     return bb->sym - aa->sym;
 230 }
 231
 232 static void calculate_codes(HuffEntry *he)
 233 {
 234     uint32_t code;
 235     int i;
 236
 237     AV_QSORT(he, 256, HuffEntry, magy_huff_cmp_len);
 238
 239     code = 1;
 240     for (i = 255; i >= 0; i--) {
 241         he[i].code  = code >> (32 - he[i].len);
 242         code       += 0x80000000u >> (he[i].len - 1);
 243     }
 244
 245     AV_QSORT(he, 256, HuffEntry, huff_cmp_sym);
 246 }
 247
 248 static void count_usage(uint8_t *src, int width,
 249                         int height, PTable *counts)
 250 {
 251     int i, j;
 252
 253     for (j = 0; j < height; j++) {
 254         for (i = 0; i < width; i++) {
 255             counts[src[i]].prob++;
 256         }
 257         src += width;
 258     }
 259 }
 260
 261 typedef struct PackageMergerList {
 262     int nitems;             ///< number of items in the list and probability      ex. 4
 263     int item_idx[515];      ///< index range for each item in items                   0, 2, 5, 9, 13
 264     int probability[514];   ///< probability of each item                             3, 8, 18, 46
 265     int items[257 * 16];    ///< chain of all individual values that make up items    A, B, A, B, C, A, B, C, D, C, D, D, E
 266 } PackageMergerList;
 267
 268 static int compare_by_prob(const void *a, const void *b)
 269 {
 270     PTable a_val = *(PTable *)a;
 271     PTable b_val = *(PTable *)b;
 272     return a_val.prob - b_val.prob;
 273 }
 274
 275 static void magy_huffman_compute_bits(PTable *prob_table, HuffEntry *distincts,
 276                                       int size, int max_length)
 277 {
 278     PackageMergerList list_a, list_b, *to = &list_a, *from = &list_b, *temp;
 279     int times, i, j, k;
 280     int nbits[257] = {0};
 281     int min;
 282
 283     av_assert0(max_length > 0);
 284
 285     to->nitems = 0;
 286     from->nitems = 0;
 287     to->item_idx[0] = 0;
 288     from->item_idx[0] = 0;
 289     AV_QSORT(prob_table, size, PTable, compare_by_prob);
 290
 291     for (times = 0; times <= max_length; times++) {
 292         to->nitems = 0;
 293         to->item_idx[0] = 0;
 294
 295         j = 0;
 296         k = 0;
 297
 298         if (times < max_length) {
 299             i = 0;
 300         }
 301         while (i < size || j + 1 < from->nitems) {
 302             to->nitems++;
 303             to->item_idx[to->nitems] = to->item_idx[to->nitems - 1];
 304             if (i < size &&
 305                 (j + 1 >= from->nitems ||
 306                  prob_table[i].prob <
 307                      from->probability[j] + from->probability[j + 1])) {
 308                 to->items[to->item_idx[to->nitems]++] = prob_table[i].value;
 309                 to->probability[to->nitems - 1] = prob_table[i].prob;
 310                 i++;
 311             } else {
 312                 for (k = from->item_idx[j]; k < from->item_idx[j + 2]; k++) {
 313                     to->items[to->item_idx[to->nitems]++] = from->items[k];
 314                 }
 315                 to->probability[to->nitems - 1] =
 316                     from->probability[j] + from->probability[j + 1];
 317                 j += 2;
 318             }
 319         }
 320         temp = to;
 321         to = from;
 322         from = temp;
 323     }
 324
 325     min = (size - 1 < from->nitems) ? size - 1 : from->nitems;
 326     for (i = 0; i < from->item_idx[min]; i++) {
 327         nbits[from->items[i]]++;
 328     }
 329
 330     for (i = 0; i < size; i++) {
 331         distincts[i].sym = i;
 332         distincts[i].len = nbits[i];
 333     }
 334 }
 335
 336 static int encode_table(AVCodecContext *avctx, uint8_t *dst,
 337                         int width, int height,
 338                         PutBitContext *pb, HuffEntry *he)
 339 {
 340     PTable counts[256] = { {0} };
 341     int i;
 342
 343     count_usage(dst, width, height, counts);
 344
 345     for (i = 0; i < 256; i++) {
 346         counts[i].prob++;
 347         counts[i].value = 255 - i;
 348     }
 349
 350     magy_huffman_compute_bits(counts, he, 256, 16);
 351
 352     calculate_codes(he);
 353
 354     for (i = 0; i < 256; i++) {
 355         put_bits(pb, 1, 0);
 356         put_bits(pb, 7, he[i].len);
 357     }
 358
 359     return 0;
 360 }
 361
 362 static int encode_slice(uint8_t *src, uint8_t *dst, int dst_size,
 363                         int width, int height, HuffEntry *he, int prediction)
 364 {
 365     PutBitContext pb;
 366     int i, j;
 367     int count;
 368
 369     init_put_bits(&pb, dst, dst_size);
 370
 371     put_bits(&pb, 8, 0);
 372     put_bits(&pb, 8, prediction);
 373
 374     for (j = 0; j < height; j++) {
 375         for (i = 0; i < width; i++) {
 376             const int idx = src[i];
 377             put_bits(&pb, he[idx].len, he[idx].code);
 378         }
 379
 380         src += width;
 381     }
 382
 383     count = put_bits_count(&pb) & 0x1F;
 384
 385     if (count)
 386         put_bits(&pb, 32 - count, 0);
 387
 388     count = put_bits_count(&pb);
 389
 390     flush_put_bits(&pb);
 391
 392     return count >> 3;
 393 }
 394
 395 static int magy_encode_frame(AVCodecContext *avctx, AVPacket *pkt,
 396                              const AVFrame *frame, int *got_packet)
 397 {
 398     MagicYUVContext *s = avctx->priv_data;
 399     PutByteContext pb;
 400     const int width = avctx->width, height = avctx->height;
 401     int pos, slice, i, j, ret = 0;
 402
 403     ret = ff_alloc_packet2(avctx, pkt, (256 + 4 * s->nb_slices + width * height) *
 404                            s->planes + 256, 0);
 405     if (ret < 0)
 406         return ret;
 407
 408     bytestream2_init_writer(&pb, pkt->data, pkt->size);
 409     bytestream2_put_le32(&pb, MKTAG('M', 'A', 'G', 'Y'));
 410     bytestream2_put_le32(&pb, 32);
 411     bytestream2_put_byte(&pb, 7);
 412     bytestream2_put_byte(&pb, s->format);
 413     bytestream2_put_byte(&pb, 0);
 414     bytestream2_put_byte(&pb, 0);
 415     bytestream2_put_le32(&pb, 0);
 416
 417     bytestream2_put_le32(&pb, avctx->width);
 418     bytestream2_put_le32(&pb, avctx->height);
 419     bytestream2_put_le32(&pb, avctx->width);
 420     bytestream2_put_le32(&pb, avctx->height);
 421     bytestream2_put_le32(&pb, 0);
 422
 423     for (i = 0; i < s->planes; i++) {
 424         bytestream2_put_le32(&pb, 0);
 425         for (j = 1; j < s->nb_slices; j++) {
 426             bytestream2_put_le32(&pb, 0);
 427         }
 428     }
 429
 430     bytestream2_put_byte(&pb, s->planes);
 431
 432     for (i = 0; i < s->planes; i++) {
 433         for (slice = 0; slice < s->nb_slices; slice++) {
 434             bytestream2_put_byte(&pb, i);
 435         }
 436     }
 437
 438     if (s->correlate) {
 439         uint8_t *r, *g, *b;
 440         AVFrame *p = av_frame_clone(frame);
 441
 442         g = p->data[0];
 443         b = p->data[1];
 444         r = p->data[2];
 445
 446         for (i = 0; i < height; i++) {
 447             s->llvidencdsp.diff_bytes(b, b, g, width);
 448             s->llvidencdsp.diff_bytes(r, r, g, width);
 449             g += p->linesize[0];
 450             b += p->linesize[1];
 451             r += p->linesize[2];
 452         }
 453
 454         FFSWAP(uint8_t*, p->data[0], p->data[1]);
 455         FFSWAP(int, p->linesize[0], p->linesize[1]);
 456
 457         for (i = 0; i < s->planes; i++) {
 458             for (slice = 0; slice < s->nb_slices; slice++) {
 459                 s->predict(s, p->data[i], s->slices[i], p->linesize[i],
 460                                p->width, p->height);
 461             }
 462         }
 463
 464         av_frame_free(&p);
 465     } else {
 466         for (i = 0; i < s->planes; i++) {
 467             for (slice = 0; slice < s->nb_slices; slice++) {
 468                 s->predict(s, frame->data[i], s->slices[i], frame->linesize[i],
 469                            AV_CEIL_RSHIFT(frame->width, s->hshift[i]),
 470                            AV_CEIL_RSHIFT(frame->height, s->vshift[i]));
 471             }
 472         }
 473     }
 474
 475     init_put_bits(&s->pb, pkt->data + bytestream2_tell_p(&pb), bytestream2_get_bytes_left_p(&pb));
 476
 477     for (i = 0; i < s->planes; i++) {
 478         encode_table(avctx, s->slices[i],
 479                      AV_CEIL_RSHIFT(frame->width,  s->hshift[i]),
 480                      AV_CEIL_RSHIFT(frame->height, s->vshift[i]),
 481                      &s->pb, s->he[i]);
 482     }
 483     s->tables_size = (put_bits_count(&s->pb) + 7) >> 3;
 484     bytestream2_skip_p(&pb, s->tables_size);
 485
 486     for (i = 0; i < s->planes; i++) {
 487         unsigned slice_size;
 488
 489         s->slice_pos[i] = bytestream2_tell_p(&pb);
 490         slice_size = encode_slice(s->slices[i], pkt->data + bytestream2_tell_p(&pb),
 491                                   bytestream2_get_bytes_left_p(&pb),
 492                                   AV_CEIL_RSHIFT(frame->width,  s->hshift[i]),
 493                                   AV_CEIL_RSHIFT(frame->height, s->vshift[i]),
 494                                   s->he[i], s->frame_pred);
 495         bytestream2_skip_p(&pb, slice_size);
 496     }
 497
 498     pos = bytestream2_tell_p(&pb);
 499     bytestream2_seek_p(&pb, 32, SEEK_SET);
 500     bytestream2_put_le32(&pb, s->slice_pos[0] - 32);
 501     for (i = 0; i < s->planes; i++) {
 502         bytestream2_put_le32(&pb, s->slice_pos[i] - 32);
 503     }
 504     bytestream2_seek_p(&pb, pos, SEEK_SET);
 505
 506     pkt->size   = bytestream2_tell_p(&pb);
 507     pkt->flags |= AV_PKT_FLAG_KEY;
 508
 509     *got_packet = 1;
 510
 511     return 0;
 512 }
 513
 514 static av_cold int magy_encode_close(AVCodecContext *avctx)
 515 {
 516     MagicYUVContext *s = avctx->priv_data;
 517     int i;
 518
 519     for (i = 0; i < s->planes; i++)
 520         av_freep(&s->slices[i]);
 521
 522     return 0;
 523 }
 524
 525 #define OFFSET(x) offsetof(MagicYUVContext, x)
 526 #define VE AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM | AV_OPT_FLAG_ENCODING_PARAM
 527 static const AVOption options[] = {
 528     { "pred", "Prediction method", OFFSET(frame_pred), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=LEFT}, LEFT, MEDIAN, VE, "pred" },
 529     { "left",     NULL, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = LEFT },     0, 0, VE, "pred" },
 530     { "gradient", NULL, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = GRADIENT }, 0, 0, VE, "pred" },
 531     { "median",   NULL, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = MEDIAN },   0, 0, VE, "pred" },
 532     { NULL},
 533 };
 534
 535 static const AVClass magicyuv_class = {
 536     .class_name = "magicyuv",
 537     .item_name  = av_default_item_name,
 538     .option     = options,
 539     .version    = LIBAVUTIL_VERSION_INT,
 540 };
 541
 542 AVCodec ff_magicyuv_encoder = {
 543     .name             = "magicyuv",
 544     .long_name        = NULL_IF_CONFIG_SMALL("MagicYUV video"),
 545     .type             = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 546     .id               = AV_CODEC_ID_MAGICYUV,
 547     .priv_data_size   = sizeof(MagicYUVContext),
 548     .priv_class       = &magicyuv_class,
 549     .init             = magy_encode_init,
 550     .close            = magy_encode_close,
 551     .encode2          = magy_encode_frame,
 552     .capabilities     = AV_CODEC_CAP_FRAME_THREADS | AV_CODEC_CAP_INTRA_ONLY,
 553     .pix_fmts         = (const enum AVPixelFormat[]) {
 554                           AV_PIX_FMT_GBRP, AV_PIX_FMT_GBRAP, AV_PIX_FMT_YUV422P,
 555                           AV_PIX_FMT_YUV420P, AV_PIX_FMT_YUV444P, AV_PIX_FMT_YUVA444P, AV_PIX_FMT_GRAY8,
 556                           AV_PIX_FMT_NONE
 557                       },
 558 };