git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavfilter/vf_bm3d.c

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2015-2016 mawen1250
   3  * Copyright (c) 2018 Paul B Mahol
   4  *
   5  * This file is part of FFmpeg.
   6  *
   7  * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy
   8  * of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal
   9  * in the Software without restriction, including without limitation the rights
  10  * to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell
  11  * copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is
  12  * furnished to do so, subject to the following conditions:
  13  *
  14  * The above copyright notice and this permission notice shall be included in all
  15  * copies or substantial portions of the Software.
  16  *
  17  * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR
  18  * IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,
  19  * FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE
  20  * AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER
  21  * LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM,
  22  * OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE
  23  * SOFTWARE.
  24  */
  25
  26 /**
  27  * @todo
  28  * - non-power of 2 DCT
  29  * - opponent color space
  30  * - temporal support
  31  */
  32
  33 #include <float.h>
  34
  35 #include "libavutil/avassert.h"
  36 #include "libavutil/imgutils.h"
  37 #include "libavutil/opt.h"
  38 #include "libavutil/pixdesc.h"
  39 #include "libavcodec/avfft.h"
  40 #include "avfilter.h"
  41 #include "filters.h"
  42 #include "formats.h"
  43 #include "framesync.h"
  44 #include "internal.h"
  45 #include "video.h"
  46
  47 #define MAX_NB_THREADS 32
  48
  49 enum FilterModes {
  50     BASIC,
  51     FINAL,
  52     NB_MODES,
  53 };
  54
  55 typedef struct ThreadData {
  56     const uint8_t *src;
  57     int src_linesize;
  58     const uint8_t *ref;
  59     int ref_linesize;
  60     int plane;
  61 } ThreadData;
  62
  63 typedef struct PosCode {
  64     int x, y;
  65 } PosCode;
  66
  67 typedef struct PosPairCode {
  68     double score;
  69     int x, y;
  70 } PosPairCode;
  71
  72 typedef struct SliceContext {
  73     DCTContext *gdctf, *gdcti;
  74     DCTContext *dctf, *dcti;
  75     FFTSample *bufferh;
  76     FFTSample *bufferv;
  77     FFTSample *bufferz;
  78     FFTSample *buffer;
  79     FFTSample *rbufferh;
  80     FFTSample *rbufferv;
  81     FFTSample *rbufferz;
  82     FFTSample *rbuffer;
  83     float *num, *den;
  84     PosPairCode match_blocks[256];
  85     int nb_match_blocks;
  86     PosCode *search_positions;
  87 } SliceContext;
  88
  89 typedef struct BM3DContext {
  90     const AVClass *class;
  91
  92     float sigma;
  93     int block_size;
  94     int block_step;
  95     int group_size;
  96     int bm_range;
  97     int bm_step;
  98     float th_mse;
  99     float hard_threshold;
 100     int mode;
 101     int ref;
 102     int planes;
 103
 104     int depth;
 105     int max;
 106     int nb_planes;
 107     int planewidth[4];
 108     int planeheight[4];
 109     int group_bits;
 110     int pgroup_size;
 111
 112     SliceContext slices[MAX_NB_THREADS];
 113
 114     FFFrameSync fs;
 115     int nb_threads;
 116
 117     void (*get_block_row)(const uint8_t *srcp, int src_linesize,
 118                           int y, int x, int block_size, float *dst);
 119     double (*do_block_ssd)(struct BM3DContext *s, PosCode *pos,
 120                            const uint8_t *src, int src_stride,
 121                            int r_y, int r_x);
 122     void (*do_output)(struct BM3DContext *s, uint8_t *dst, int dst_linesize,
 123                       int plane, int nb_jobs);
 124     void (*block_filtering)(struct BM3DContext *s,
 125                             const uint8_t *src, int src_linesize,
 126                             const uint8_t *ref, int ref_linesize,
 127                             int y, int x, int plane, int jobnr);
 128 } BM3DContext;
 129
 130 #define OFFSET(x) offsetof(BM3DContext, x)
 131 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
 132 static const AVOption bm3d_options[] = {
 133     { "sigma",  "set denoising strength",
 134         OFFSET(sigma),          AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1},     0,      99999.9, FLAGS },
 135     { "block",  "set log2(size) of local patch",
 136         OFFSET(block_size),     AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=4},     4,            6, FLAGS },
 137     { "bstep",  "set sliding step for processing blocks",
 138         OFFSET(block_step),     AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=4},     1,           64, FLAGS },
 139     { "group",  "set maximal number of similar blocks",
 140         OFFSET(group_size),     AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=1},     1,          256, FLAGS },
 141     { "range",  "set block matching range",
 142         OFFSET(bm_range),       AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=9},     1,    INT32_MAX, FLAGS },
 143     { "mstep",  "set step for block matching",
 144         OFFSET(bm_step),        AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=1},     1,           64, FLAGS },
 145     { "thmse",  "set threshold of mean square error for block matching",
 146         OFFSET(th_mse),         AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=0},     0,    INT32_MAX, FLAGS },
 147     { "hdthr",  "set hard threshold for 3D transfer domain",
 148         OFFSET(hard_threshold), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=2.7},   0,    INT32_MAX, FLAGS },
 149     { "estim",  "set filtering estimation mode",
 150         OFFSET(mode),           AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=BASIC}, 0,   NB_MODES-1, FLAGS, "mode" },
 151     { "basic",  "basic estimate",
 152         0,                      AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=BASIC}, 0,            0, FLAGS, "mode" },
 153     { "final",  "final estimate",
 154         0,                      AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FINAL}, 0,            0, FLAGS, "mode" },
 155     { "ref",    "have reference stream",
 156         OFFSET(ref),            AV_OPT_TYPE_INT,    {.i64=0},    0,            1, FLAGS },
 157     { "planes", "set planes to filter",
 158         OFFSET(planes),         AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=7},     0,           15, FLAGS },
 159     { NULL }
 160 };
 161
 162 AVFILTER_DEFINE_CLASS(bm3d);
 163
 164 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 165 {
 166     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {
 167         AV_PIX_FMT_GRAY8, AV_PIX_FMT_GRAY9, AV_PIX_FMT_GRAY10,
 168         AV_PIX_FMT_GRAY12, AV_PIX_FMT_GRAY14, AV_PIX_FMT_GRAY16,
 169         AV_PIX_FMT_YUV410P, AV_PIX_FMT_YUV411P,
 170         AV_PIX_FMT_YUV420P, AV_PIX_FMT_YUV422P,
 171         AV_PIX_FMT_YUV440P, AV_PIX_FMT_YUV444P,
 172         AV_PIX_FMT_YUVJ420P, AV_PIX_FMT_YUVJ422P,
 173         AV_PIX_FMT_YUVJ440P, AV_PIX_FMT_YUVJ444P,
 174         AV_PIX_FMT_YUVJ411P,
 175         AV_PIX_FMT_YUV420P9, AV_PIX_FMT_YUV422P9, AV_PIX_FMT_YUV444P9,
 176         AV_PIX_FMT_YUV420P10, AV_PIX_FMT_YUV422P10, AV_PIX_FMT_YUV444P10,
 177         AV_PIX_FMT_YUV440P10,
 178         AV_PIX_FMT_YUV444P12, AV_PIX_FMT_YUV422P12, AV_PIX_FMT_YUV420P12,
 179         AV_PIX_FMT_YUV440P12,
 180         AV_PIX_FMT_YUV444P14, AV_PIX_FMT_YUV422P14, AV_PIX_FMT_YUV420P14,
 181         AV_PIX_FMT_YUV420P16, AV_PIX_FMT_YUV422P16, AV_PIX_FMT_YUV444P16,
 182         AV_PIX_FMT_GBRP, AV_PIX_FMT_GBRP9, AV_PIX_FMT_GBRP10,
 183         AV_PIX_FMT_GBRP12, AV_PIX_FMT_GBRP14, AV_PIX_FMT_GBRP16,
 184         AV_PIX_FMT_NONE
 185     };
 186
 187     AVFilterFormats *fmts_list = ff_make_format_list(pix_fmts);
 188     if (!fmts_list)
 189         return AVERROR(ENOMEM);
 190     return ff_set_common_formats(ctx, fmts_list);
 191 }
 192
 193 static int do_search_boundary(int pos, int plane_boundary, int search_range, int search_step)
 194 {
 195     int search_boundary;
 196
 197     search_range = search_range / search_step * search_step;
 198
 199     if (pos == plane_boundary) {
 200         search_boundary = plane_boundary;
 201     } else if (pos > plane_boundary) {
 202         search_boundary = pos - search_range;
 203
 204         while (search_boundary < plane_boundary) {
 205             search_boundary += search_step;
 206         }
 207     } else {
 208         search_boundary = pos + search_range;
 209
 210         while (search_boundary > plane_boundary) {
 211             search_boundary -= search_step;
 212         }
 213     }
 214
 215     return search_boundary;
 216 }
 217
 218 static int search_boundary(int plane_boundary, int search_range, int search_step, int vertical, int y, int x)
 219 {
 220     return do_search_boundary(vertical ? y : x, plane_boundary, search_range, search_step);
 221 }
 222
 223 static int cmp_scores(const void *a, const void *b)
 224 {
 225     const struct PosPairCode *pair1 = a;
 226     const struct PosPairCode *pair2 = b;
 227     return FFDIFFSIGN(pair1->score, pair2->score);
 228 }
 229
 230 static double do_block_ssd(BM3DContext *s, PosCode *pos, const uint8_t *src, int src_stride, int r_y, int r_x)
 231 {
 232     const uint8_t *srcp = src + pos->y * src_stride + pos->x;
 233     const uint8_t *refp = src + r_y * src_stride + r_x;
 234     const int block_size = s->block_size;
 235     double dist = 0.;
 236     int x, y;
 237
 238     for (y = 0; y < block_size; y++) {
 239         for (x = 0; x < block_size; x++) {
 240             double temp = refp[x] - srcp[x];
 241             dist += temp * temp;
 242         }
 243
 244         srcp += src_stride;
 245         refp += src_stride;
 246     }
 247
 248     return dist;
 249 }
 250
 251 static double do_block_ssd16(BM3DContext *s, PosCode *pos, const uint8_t *src, int src_stride, int r_y, int r_x)
 252 {
 253     const uint16_t *srcp = (uint16_t *)src + pos->y * src_stride / 2 + pos->x;
 254     const uint16_t *refp = (uint16_t *)src + r_y * src_stride / 2 + r_x;
 255     const int block_size = s->block_size;
 256     double dist = 0.;
 257     int x, y;
 258
 259     for (y = 0; y < block_size; y++) {
 260         for (x = 0; x < block_size; x++) {
 261             double temp = refp[x] - srcp[x];
 262             dist += temp * temp;
 263         }
 264
 265         srcp += src_stride / 2;
 266         refp += src_stride / 2;
 267     }
 268
 269     return dist;
 270 }
 271
 272 static void do_block_matching_multi(BM3DContext *s, const uint8_t *src, int src_stride, int src_range,
 273                                     const PosCode *search_pos, int search_size, float th_mse,
 274                                     int r_y, int r_x, int plane, int jobnr)
 275 {
 276     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
 277     double MSE2SSE = s->group_size * s->block_size * s->block_size * src_range * src_range / (s->max * s->max);
 278     double distMul = 1. / MSE2SSE;
 279     double th_sse = th_mse * MSE2SSE;
 280     int i, index = sc->nb_match_blocks;
 281
 282     for (i = 0; i < search_size; i++) {
 283         PosCode pos = search_pos[i];
 284         double dist;
 285
 286         dist = s->do_block_ssd(s, &pos, src, src_stride, r_y, r_x);
 287
 288         // Only match similar blocks but not identical blocks
 289         if (dist <= th_sse && dist != 0) {
 290             const double score = dist * distMul;
 291
 292             if (index >= s->group_size && score >= sc->match_blocks[index - 1].score) {
 293                 continue;
 294             }
 295
 296             if (index >= s->group_size)
 297                 index = s->group_size - 1;
 298
 299             sc->match_blocks[index].score = score;
 300             sc->match_blocks[index].y = pos.y;
 301             sc->match_blocks[index].x = pos.x;
 302             index++;
 303             qsort(sc->match_blocks, index, sizeof(PosPairCode), cmp_scores);
 304         }
 305     }
 306
 307     sc->nb_match_blocks = index;
 308 }
 309
 310 static void block_matching_multi(BM3DContext *s, const uint8_t *ref, int ref_linesize, int y, int x,
 311                                  int exclude_cur_pos, int plane, int jobnr)
 312 {
 313     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
 314     const int width = s->planewidth[plane];
 315     const int height = s->planeheight[plane];
 316     const int block_size = s->block_size;
 317     const int step = s->bm_step;
 318     const int range = s->bm_range / step * step;
 319     int l = search_boundary(0, range, step, 0, y, x);
 320     int r = search_boundary(width - block_size, range, step, 0, y, x);
 321     int t = search_boundary(0, range, step, 1, y, x);
 322     int b = search_boundary(height - block_size, range, step, 1, y, x);
 323     int j, i, index = 0;
 324
 325     for (j = t; j <= b; j += step) {
 326         for (i = l; i <= r; i += step) {
 327             PosCode pos;
 328
 329             if (exclude_cur_pos > 0 && j == y && i == x) {
 330                 continue;
 331             }
 332
 333             pos.y = j;
 334             pos.x = i;
 335             sc->search_positions[index++] = pos;
 336         }
 337     }
 338
 339     if (exclude_cur_pos == 1) {
 340         sc->match_blocks[0].score = 0;
 341         sc->match_blocks[0].y = y;
 342         sc->match_blocks[0].x = x;
 343         sc->nb_match_blocks = 1;
 344     }
 345
 346     do_block_matching_multi(s, ref, ref_linesize, s->bm_range,
 347                             sc->search_positions, index, s->th_mse, y, x, plane, jobnr);
 348 }
 349
 350 static void block_matching(BM3DContext *s, const uint8_t *ref, int ref_linesize,
 351                            int j, int i, int plane, int jobnr)
 352 {
 353     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
 354
 355     if (s->group_size == 1 || s->th_mse <= 0.f) {
 356         sc->match_blocks[0].score = 1;
 357         sc->match_blocks[0].x = i;
 358         sc->match_blocks[0].y = j;
 359         sc->nb_match_blocks = 1;
 360         return;
 361     }
 362
 363     sc->nb_match_blocks = 0;
 364     block_matching_multi(s, ref, ref_linesize, j, i, 1, plane, jobnr);
 365 }
 366
 367 static void get_block_row(const uint8_t *srcp, int src_linesize,
 368                           int y, int x, int block_size, float *dst)
 369 {
 370     const uint8_t *src = srcp + y * src_linesize + x;
 371     int j;
 372
 373     for (j = 0; j < block_size; j++) {
 374         dst[j] = src[j];
 375     }
 376 }
 377
 378 static void get_block_row16(const uint8_t *srcp, int src_linesize,
 379                             int y, int x, int block_size, float *dst)
 380 {
 381     const uint16_t *src = (uint16_t *)srcp + y * src_linesize / 2 + x;
 382     int j;
 383
 384     for (j = 0; j < block_size; j++) {
 385         dst[j] = src[j];
 386     }
 387 }
 388
 389 static void basic_block_filtering(BM3DContext *s, const uint8_t *src, int src_linesize,
 390                                   const uint8_t *ref, int ref_linesize,
 391                                   int y, int x, int plane, int jobnr)
 392 {
 393     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
 394     const int buffer_linesize = s->block_size * s->block_size;
 395     const int nb_match_blocks = sc->nb_match_blocks;
 396     const int block_size = s->block_size;
 397     const int width = s->planewidth[plane];
 398     const int pgroup_size = s->pgroup_size;
 399     const int group_size = s->group_size;
 400     float *buffer = sc->buffer;
 401     float *bufferh = sc->bufferh;
 402     float *bufferv = sc->bufferv;
 403     float *bufferz = sc->bufferz;
 404     float threshold[4];
 405     float den_weight, num_weight;
 406     int retained = 0;
 407     int i, j, k;
 408
 409     for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 410         const int y = sc->match_blocks[k].y;
 411         const int x = sc->match_blocks[k].x;
 412
 413         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 414             s->get_block_row(src, src_linesize, y + i, x, block_size, bufferh + block_size * i);
 415             av_dct_calc(sc->dctf, bufferh + block_size * i);
 416         }
 417
 418         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 419             for (j = 0; j < block_size; j++) {
 420                 bufferv[i * block_size + j] = bufferh[j * block_size + i];
 421             }
 422             av_dct_calc(sc->dctf, bufferv + i * block_size);
 423         }
 424
 425         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 426             memcpy(buffer + k * buffer_linesize + i * block_size,
 427                    bufferv + i * block_size, block_size * 4);
 428         }
 429     }
 430
 431     for (i = 0; i < block_size; i++) {
 432         for (j = 0; j < block_size; j++) {
 433             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++)
 434                 bufferz[k] = buffer[buffer_linesize * k + i * block_size + j];
 435             if (group_size > 1)
 436                 av_dct_calc(sc->gdctf, bufferz);
 437             bufferz += pgroup_size;
 438         }
 439     }
 440
 441     threshold[0] = s->hard_threshold * s->sigma;
 442     threshold[1] = threshold[0] * sqrtf(2.f);
 443     threshold[2] = threshold[0] * 2.f;
 444     threshold[3] = threshold[0] * sqrtf(8.f);
 445     bufferz = sc->bufferz;
 446
 447     for (i = 0; i < block_size; i++) {
 448         for (j = 0; j < block_size; j++) {
 449             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 450                 const float thresh = threshold[(j == 0) + (i == 0) + (k == 0)];
 451
 452                 if (bufferz[k] > thresh || bufferz[k] < -thresh) {
 453                     retained++;
 454                 } else {
 455                     bufferz[k] = 0;
 456                 }
 457             }
 458             bufferz += pgroup_size;
 459         }
 460     }
 461
 462     bufferz = sc->bufferz;
 463     buffer = sc->buffer;
 464     for (i = 0; i < block_size; i++) {
 465         for (j = 0; j < block_size; j++) {
 466             if (group_size > 1)
 467                 av_dct_calc(sc->gdcti, bufferz);
 468             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 469                 buffer[buffer_linesize * k + i * block_size + j] = bufferz[k];
 470             }
 471             bufferz += pgroup_size;
 472         }
 473     }
 474
 475     den_weight = retained < 1 ? 1.f : 1.f / retained;
 476     num_weight = den_weight;
 477
 478     buffer = sc->buffer;
 479     for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 480         float *num = sc->num + y * width + x;
 481         float *den = sc->den + y * width + x;
 482
 483         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 484             memcpy(bufferv + i * block_size,
 485                    buffer + k * buffer_linesize + i * block_size,
 486                    block_size * 4);
 487         }
 488
 489         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 490             av_dct_calc(sc->dcti, bufferv + block_size * i);
 491             for (j = 0; j < block_size; j++) {
 492                 bufferh[j * block_size + i] = bufferv[i * block_size + j];
 493             }
 494         }
 495
 496         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 497             av_dct_calc(sc->dcti, bufferh + block_size * i);
 498             for (j = 0; j < block_size; j++) {
 499                 num[j] += bufferh[i * block_size + j] * num_weight;
 500                 den[j] += den_weight;
 501             }
 502             num += width;
 503             den += width;
 504         }
 505     }
 506 }
 507
 508 static void final_block_filtering(BM3DContext *s, const uint8_t *src, int src_linesize,
 509                                   const uint8_t *ref, int ref_linesize,
 510                                   int y, int x, int plane, int jobnr)
 511 {
 512     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
 513     const int buffer_linesize = s->block_size * s->block_size;
 514     const int nb_match_blocks = sc->nb_match_blocks;
 515     const int block_size = s->block_size;
 516     const int width = s->planewidth[plane];
 517     const int pgroup_size = s->pgroup_size;
 518     const int group_size = s->group_size;
 519     const float sigma_sqr = s->sigma * s->sigma;
 520     float *buffer = sc->buffer;
 521     float *bufferh = sc->bufferh;
 522     float *bufferv = sc->bufferv;
 523     float *bufferz = sc->bufferz;
 524     float *rbuffer = sc->rbuffer;
 525     float *rbufferh = sc->rbufferh;
 526     float *rbufferv = sc->rbufferv;
 527     float *rbufferz = sc->rbufferz;
 528     float den_weight, num_weight;
 529     float l2_wiener = 0;
 530     int i, j, k;
 531
 532     for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 533         const int y = sc->match_blocks[k].y;
 534         const int x = sc->match_blocks[k].x;
 535
 536         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 537             s->get_block_row(src, src_linesize, y + i, x, block_size, bufferh + block_size * i);
 538             s->get_block_row(ref, ref_linesize, y + i, x, block_size, rbufferh + block_size * i);
 539             av_dct_calc(sc->dctf, bufferh + block_size * i);
 540             av_dct_calc(sc->dctf, rbufferh + block_size * i);
 541         }
 542
 543         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 544             for (j = 0; j < block_size; j++) {
 545                 bufferv[i * block_size + j] = bufferh[j * block_size + i];
 546                 rbufferv[i * block_size + j] = rbufferh[j * block_size + i];
 547             }
 548             av_dct_calc(sc->dctf, bufferv + i * block_size);
 549             av_dct_calc(sc->dctf, rbufferv + i * block_size);
 550         }
 551
 552         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 553             memcpy(buffer + k * buffer_linesize + i * block_size,
 554                    bufferv + i * block_size, block_size * 4);
 555             memcpy(rbuffer + k * buffer_linesize + i * block_size,
 556                    rbufferv + i * block_size, block_size * 4);
 557         }
 558     }
 559
 560     for (i = 0; i < block_size; i++) {
 561         for (j = 0; j < block_size; j++) {
 562             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 563                 bufferz[k] = buffer[buffer_linesize * k + i * block_size + j];
 564                 rbufferz[k] = rbuffer[buffer_linesize * k + i * block_size + j];
 565             }
 566             if (group_size > 1) {
 567                 av_dct_calc(sc->gdctf, bufferz);
 568                 av_dct_calc(sc->gdctf, rbufferz);
 569             }
 570             bufferz += pgroup_size;
 571             rbufferz += pgroup_size;
 572         }
 573     }
 574
 575     bufferz = sc->bufferz;
 576     rbufferz = sc->rbufferz;
 577
 578     for (i = 0; i < block_size; i++) {
 579         for (j = 0; j < block_size; j++) {
 580             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 581                 const float ref_sqr = rbufferz[k] * rbufferz[k];
 582                 float wiener_coef = ref_sqr / (ref_sqr + sigma_sqr);
 583
 584                 if (isnan(wiener_coef))
 585                    wiener_coef = 1;
 586                 bufferz[k] *= wiener_coef;
 587                 l2_wiener += wiener_coef * wiener_coef;
 588             }
 589             bufferz += pgroup_size;
 590             rbufferz += pgroup_size;
 591         }
 592     }
 593
 594     bufferz = sc->bufferz;
 595     buffer = sc->buffer;
 596     for (i = 0; i < block_size; i++) {
 597         for (j = 0; j < block_size; j++) {
 598             if (group_size > 1)
 599                 av_dct_calc(sc->gdcti, bufferz);
 600             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 601                 buffer[buffer_linesize * k + i * block_size + j] = bufferz[k];
 602             }
 603             bufferz += pgroup_size;
 604         }
 605     }
 606
 607     l2_wiener = FFMAX(l2_wiener, 1e-15f);
 608     den_weight = 1.f / l2_wiener;
 609     num_weight = den_weight;
 610
 611     for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
 612         float *num = sc->num + y * width + x;
 613         float *den = sc->den + y * width + x;
 614
 615         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 616             memcpy(bufferv + i * block_size,
 617                    buffer + k * buffer_linesize + i * block_size,
 618                    block_size * 4);
 619         }
 620
 621         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 622             av_dct_calc(sc->dcti, bufferv + block_size * i);
 623             for (j = 0; j < block_size; j++) {
 624                 bufferh[j * block_size + i] = bufferv[i * block_size + j];
 625             }
 626         }
 627
 628         for (i = 0; i < block_size; i++) {
 629             av_dct_calc(sc->dcti, bufferh + block_size * i);
 630             for (j = 0; j < block_size; j++) {
 631                 num[j] += bufferh[i * block_size + j] * num_weight;
 632                 den[j] += den_weight;
 633             }
 634             num += width;
 635             den += width;
 636         }
 637     }
 638 }
 639
 640 static void do_output(BM3DContext *s, uint8_t *dst, int dst_linesize,
 641                       int plane, int nb_jobs)
 642 {
 643     const int height = s->planeheight[plane];
 644     const int width = s->planewidth[plane];
 645     int i, j, k;
 646
 647     for (i = 0; i < height; i++) {
 648         for (j = 0; j < width; j++) {
 649             uint8_t *dstp = dst + i * dst_linesize;
 650             float sum_den = 0.f;
 651             float sum_num = 0.f;
 652
 653             for (k = 0; k < nb_jobs; k++) {
 654                 SliceContext *sc = &s->slices[k];
 655                 float num = sc->num[i * width + j];
 656                 float den = sc->den[i * width + j];
 657
 658                 sum_num += num;
 659                 sum_den += den;
 660             }
 661
 662             dstp[j] = av_clip_uint8(lrintf(sum_num / sum_den));
 663         }
 664     }
 665 }
 666
 667 static void do_output16(BM3DContext *s, uint8_t *dst, int dst_linesize,
 668                         int plane, int nb_jobs)
 669 {
 670     const int height = s->planeheight[plane];
 671     const int width = s->planewidth[plane];
 672     const int depth = s->depth;
 673     int i, j, k;
 674
 675     for (i = 0; i < height; i++) {
 676         for (j = 0; j < width; j++) {
 677             uint16_t *dstp = (uint16_t *)dst + i * dst_linesize / 2;
 678             float sum_den = 0.f;
 679             float sum_num = 0.f;
 680
 681             for (k = 0; k < nb_jobs; k++) {
 682                 SliceContext *sc = &s->slices[k];
 683                 float num = sc->num[i * width + j];
 684                 float den = sc->den[i * width + j];
 685
 686                 sum_num += num;
 687                 sum_den += den;
 688             }
 689
 690             dstp[j] = av_clip_uintp2_c(lrintf(sum_num / sum_den), depth);
 691         }
 692     }
 693 }
 694
 695 static int filter_slice(AVFilterContext *ctx, void *arg, int jobnr, int nb_jobs)
 696 {
 697     BM3DContext *s = ctx->priv;
 698     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
 699     const int block_step = s->block_step;
 700     ThreadData *td = arg;
 701     const uint8_t *src = td->src;
 702     const uint8_t *ref = td->ref;
 703     const int src_linesize = td->src_linesize;
 704     const int ref_linesize = td->ref_linesize;
 705     const int plane = td->plane;
 706     const int width = s->planewidth[plane];
 707     const int height = s->planeheight[plane];
 708     const int block_pos_bottom = FFMAX(0, height - s->block_size);
 709     const int block_pos_right  = FFMAX(0, width - s->block_size);
 710     const int slice_start = (((height + block_step - 1) / block_step) * jobnr / nb_jobs) * block_step;
 711     const int slice_end = (jobnr == nb_jobs - 1) ? block_pos_bottom + block_step :
 712                           (((height + block_step - 1) / block_step) * (jobnr + 1) / nb_jobs) * block_step;
 713     int i, j;
 714
 715     memset(sc->num, 0, width * height * sizeof(FFTSample));
 716     memset(sc->den, 0, width * height * sizeof(FFTSample));
 717
 718     for (j = slice_start; j < slice_end; j += block_step) {
 719         if (j > block_pos_bottom) {
 720             j = block_pos_bottom;
 721         }
 722
 723         for (i = 0; i < block_pos_right + block_step; i += block_step) {
 724             if (i > block_pos_right) {
 725                 i = block_pos_right;
 726             }
 727
 728             block_matching(s, ref, ref_linesize, j, i, plane, jobnr);
 729
 730             s->block_filtering(s, src, src_linesize,
 731                                ref, ref_linesize, j, i, plane, jobnr);
 732         }
 733     }
 734
 735     return 0;
 736 }
 737
 738 static int filter_frame(AVFilterContext *ctx, AVFrame **out, AVFrame *in, AVFrame *ref)
 739 {
 740     BM3DContext *s = ctx->priv;
 741     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 742     int p;
 743
 744     *out = ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
 745     if (!*out)
 746         return AVERROR(ENOMEM);
 747     av_frame_copy_props(*out, in);
 748
 749     for (p = 0; p < s->nb_planes; p++) {
 750         const int nb_jobs = FFMAX(1, FFMIN(s->nb_threads, s->planeheight[p] / s->block_size));
 751         ThreadData td;
 752
 753         if (!((1 << p) & s->planes) || ctx->is_disabled) {
 754             av_image_copy_plane((*out)->data[p], (*out)->linesize[p],
 755                                 in->data[p], in->linesize[p],
 756                                 s->planewidth[p], s->planeheight[p]);
 757             continue;
 758         }
 759
 760         td.src = in->data[p];
 761         td.src_linesize = in->linesize[p];
 762         td.ref = ref->data[p];
 763         td.ref_linesize = ref->linesize[p];
 764         td.plane = p;
 765         ctx->internal->execute(ctx, filter_slice, &td, NULL, nb_jobs);
 766
 767         s->do_output(s, (*out)->data[p], (*out)->linesize[p], p, nb_jobs);
 768     }
 769
 770     return 0;
 771 }
 772
 773 #define SQR(x) ((x) * (x))
 774
 775 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
 776 {
 777     const AVPixFmtDescriptor *desc = av_pix_fmt_desc_get(inlink->format);
 778     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 779     BM3DContext *s = ctx->priv;
 780     int i, group_bits;
 781
 782     s->nb_threads = FFMIN(ff_filter_get_nb_threads(ctx), MAX_NB_THREADS);
 783     s->nb_planes = av_pix_fmt_count_planes(inlink->format);
 784     s->depth = desc->comp[0].depth;
 785     s->max = (1 << s->depth) - 1;
 786     s->planeheight[1] = s->planeheight[2] = AV_CEIL_RSHIFT(inlink->h, desc->log2_chroma_h);
 787     s->planeheight[0] = s->planeheight[3] = inlink->h;
 788     s->planewidth[1]  = s->planewidth[2]  = AV_CEIL_RSHIFT(inlink->w, desc->log2_chroma_w);
 789     s->planewidth[0]  = s->planewidth[3]  = inlink->w;
 790
 791     for (group_bits = 4; 1 << group_bits < s->group_size; group_bits++);
 792     s->group_bits = group_bits;
 793     s->pgroup_size = 1 << group_bits;
 794
 795     for (i = 0; i < s->nb_threads; i++) {
 796         SliceContext *sc = &s->slices[i];
 797
 798         sc->num = av_calloc(FFALIGN(s->planewidth[0], s->block_size) * FFALIGN(s->planeheight[0], s->block_size), sizeof(FFTSample));
 799         sc->den = av_calloc(FFALIGN(s->planewidth[0], s->block_size) * FFALIGN(s->planeheight[0], s->block_size), sizeof(FFTSample));
 800         if (!sc->num || !sc->den)
 801             return AVERROR(ENOMEM);
 802
 803         sc->dctf = av_dct_init(av_log2(s->block_size), DCT_II);
 804         sc->dcti = av_dct_init(av_log2(s->block_size), DCT_III);
 805         if (!sc->dctf || !sc->dcti)
 806             return AVERROR(ENOMEM);
 807
 808         if (s->group_bits > 1) {
 809             sc->gdctf = av_dct_init(s->group_bits, DCT_II);
 810             sc->gdcti = av_dct_init(s->group_bits, DCT_III);
 811             if (!sc->gdctf || !sc->gdcti)
 812                 return AVERROR(ENOMEM);
 813         }
 814
 815         sc->buffer = av_calloc(s->block_size * s->block_size * s->pgroup_size, sizeof(*sc->buffer));
 816         sc->bufferz = av_calloc(s->block_size * s->block_size * s->pgroup_size, sizeof(*sc->bufferz));
 817         sc->bufferh = av_calloc(s->block_size * s->block_size, sizeof(*sc->bufferh));
 818         sc->bufferv = av_calloc(s->block_size * s->block_size, sizeof(*sc->bufferv));
 819         if (!sc->bufferh || !sc->bufferv || !sc->buffer || !sc->bufferz)
 820             return AVERROR(ENOMEM);
 821
 822         if (s->mode == FINAL) {
 823             sc->rbuffer = av_calloc(s->block_size * s->block_size * s->pgroup_size, sizeof(*sc->rbuffer));
 824             sc->rbufferz = av_calloc(s->block_size * s->block_size * s->pgroup_size, sizeof(*sc->rbufferz));
 825             sc->rbufferh = av_calloc(s->block_size * s->block_size, sizeof(*sc->rbufferh));
 826             sc->rbufferv = av_calloc(s->block_size * s->block_size, sizeof(*sc->rbufferv));
 827             if (!sc->rbufferh || !sc->rbufferv || !sc->rbuffer || !sc->rbufferz)
 828                 return AVERROR(ENOMEM);
 829         }
 830
 831         sc->search_positions = av_calloc(SQR(2 * s->bm_range / s->bm_step + 1), sizeof(*sc->search_positions));
 832         if (!sc->search_positions)
 833             return AVERROR(ENOMEM);
 834     }
 835
 836     s->do_output = do_output;
 837     s->do_block_ssd = do_block_ssd;
 838     s->get_block_row = get_block_row;
 839
 840     if (s->depth > 8) {
 841         s->do_output = do_output16;
 842         s->do_block_ssd = do_block_ssd16;
 843         s->get_block_row = get_block_row16;
 844     }
 845
 846     return 0;
 847 }
 848
 849 static int activate(AVFilterContext *ctx)
 850 {
 851     BM3DContext *s = ctx->priv;
 852
 853     if (!s->ref) {
 854         AVFrame *frame = NULL;
 855         AVFrame *out = NULL;
 856         int ret, status;
 857         int64_t pts;
 858
 859         FF_FILTER_FORWARD_STATUS_BACK(ctx->outputs[0], ctx->inputs[0]);
 860
 861         if ((ret = ff_inlink_consume_frame(ctx->inputs[0], &frame)) > 0) {
 862             ret = filter_frame(ctx, &out, frame, frame);
 863             av_frame_free(&frame);
 864             if (ret < 0)
 865                 return ret;
 866             ret = ff_filter_frame(ctx->outputs[0], out);
 867         }
 868         if (ret < 0) {
 869             return ret;
 870         } else if (ff_inlink_acknowledge_status(ctx->inputs[0], &status, &pts)) {
 871             ff_outlink_set_status(ctx->outputs[0], status, pts);
 872             return 0;
 873         } else {
 874             if (ff_outlink_frame_wanted(ctx->outputs[0]))
 875                 ff_inlink_request_frame(ctx->inputs[0]);
 876             return 0;
 877         }
 878     } else {
 879         return ff_framesync_activate(&s->fs);
 880     }
 881 }
 882
 883 static int process_frame(FFFrameSync *fs)
 884 {
 885     AVFilterContext *ctx = fs->parent;
 886     BM3DContext *s = fs->opaque;
 887     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 888     AVFrame *out = NULL, *src, *ref;
 889     int ret;
 890
 891     if ((ret = ff_framesync_get_frame(&s->fs, 0, &src, 0)) < 0 ||
 892         (ret = ff_framesync_get_frame(&s->fs, 1, &ref, 0)) < 0)
 893         return ret;
 894
 895     if ((ret = filter_frame(ctx, &out, src, ref)) < 0)
 896         return ret;
 897
 898     out->pts = av_rescale_q(src->pts, s->fs.time_base, outlink->time_base);
 899
 900     return ff_filter_frame(outlink, out);
 901 }
 902
 903 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx)
 904 {
 905     BM3DContext *s = ctx->priv;
 906     AVFilterPad pad = { 0 };
 907     int ret;
 908
 909     if (s->mode == BASIC) {
 910         if (s->th_mse == 0.f)
 911             s->th_mse = 400.f + s->sigma * 80.f;
 912         s->block_filtering = basic_block_filtering;
 913     } else if (s->mode == FINAL) {
 914         if (!s->ref) {
 915             av_log(ctx, AV_LOG_WARNING, "Reference stream is mandatory in final estimation mode.\n");
 916             s->ref = 1;
 917         }
 918         if (s->th_mse == 0.f)
 919             s->th_mse = 200.f + s->sigma * 10.f;
 920
 921         s->block_filtering = final_block_filtering;
 922     } else {
 923         return AVERROR_BUG;
 924     }
 925
 926     s->block_size = 1 << s->block_size;
 927
 928     if (s->block_step > s->block_size) {
 929         av_log(ctx, AV_LOG_WARNING, "bstep: %d can't be bigger than block size. Changing to %d.\n",
 930                s->block_step, s->block_size);
 931         s->block_step = s->block_size;
 932     }
 933     if (s->bm_step > s->bm_range) {
 934         av_log(ctx, AV_LOG_WARNING, "mstep: %d can't be bigger than block matching range. Changing to %d.\n",
 935                s->bm_step, s->bm_range);
 936         s->bm_step = s->bm_range;
 937     }
 938
 939     pad.type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO;
 940     pad.name         = av_strdup("source");
 941     pad.config_props = config_input;
 942     if (!pad.name)
 943         return AVERROR(ENOMEM);
 944
 945     if ((ret = ff_insert_inpad(ctx, 0, &pad)) < 0) {
 946         av_freep(&pad.name);
 947         return ret;
 948     }
 949
 950     if (s->ref) {
 951         pad.type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO;
 952         pad.name         = av_strdup("reference");
 953         pad.config_props = NULL;
 954         if (!pad.name)
 955             return AVERROR(ENOMEM);
 956
 957         if ((ret = ff_insert_inpad(ctx, 1, &pad)) < 0) {
 958             av_freep(&pad.name);
 959             return ret;
 960         }
 961     }
 962
 963     return 0;
 964 }
 965
 966 static int config_output(AVFilterLink *outlink)
 967 {
 968     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
 969     BM3DContext *s = ctx->priv;
 970     AVFilterLink *src = ctx->inputs[0];
 971     AVFilterLink *ref;
 972     FFFrameSyncIn *in;
 973     int ret;
 974
 975     if (s->ref) {
 976         ref = ctx->inputs[1];
 977
 978         if (src->format != ref->format) {
 979             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "inputs must be of same pixel format\n");
 980             return AVERROR(EINVAL);
 981         }
 982         if (src->w                       != ref->w ||
 983             src->h                       != ref->h) {
 984             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "First input link %s parameters "
 985                    "(size %dx%d) do not match the corresponding "
 986                    "second input link %s parameters (%dx%d) ",
 987                    ctx->input_pads[0].name, src->w, src->h,
 988                    ctx->input_pads[1].name, ref->w, ref->h);
 989             return AVERROR(EINVAL);
 990         }
 991     }
 992
 993     outlink->w = src->w;
 994     outlink->h = src->h;
 995     outlink->time_base = src->time_base;
 996     outlink->sample_aspect_ratio = src->sample_aspect_ratio;
 997     outlink->frame_rate = src->frame_rate;
 998
 999     if (!s->ref)
1000         return 0;
1001
1002     if ((ret = ff_framesync_init(&s->fs, ctx, 2)) < 0)
1003         return ret;
1004
1005     in = s->fs.in;
1006     in[0].time_base = src->time_base;
1007     in[1].time_base = ref->time_base;
1008     in[0].sync   = 1;
1009     in[0].before = EXT_STOP;
1010     in[0].after  = EXT_STOP;
1011     in[1].sync   = 1;
1012     in[1].before = EXT_STOP;
1013     in[1].after  = EXT_STOP;
1014     s->fs.opaque   = s;
1015     s->fs.on_event = process_frame;
1016
1017     return ff_framesync_configure(&s->fs);
1018 }
1019
1020 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
1021 {
1022     BM3DContext *s = ctx->priv;
1023     int i;
1024
1025     for (i = 0; i < ctx->nb_inputs; i++)
1026         av_freep(&ctx->input_pads[i].name);
1027
1028     if (s->ref)
1029         ff_framesync_uninit(&s->fs);
1030
1031     for (i = 0; i < s->nb_threads; i++) {
1032         SliceContext *sc = &s->slices[i];
1033
1034         av_freep(&sc->num);
1035         av_freep(&sc->den);
1036
1037         av_dct_end(sc->gdctf);
1038         av_dct_end(sc->gdcti);
1039         av_dct_end(sc->dctf);
1040         av_dct_end(sc->dcti);
1041
1042         av_freep(&sc->buffer);
1043         av_freep(&sc->bufferh);
1044         av_freep(&sc->bufferv);
1045         av_freep(&sc->bufferz);
1046         av_freep(&sc->rbuffer);
1047         av_freep(&sc->rbufferh);
1048         av_freep(&sc->rbufferv);
1049         av_freep(&sc->rbufferz);
1050
1051         av_freep(&sc->search_positions);
1052     }
1053 }
1054
1055 static const AVFilterPad bm3d_outputs[] = {
1056     {
1057         .name         = "default",
1058         .type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
1059         .config_props = config_output,
1060     },
1061     { NULL }
1062 };
1063
1064 AVFilter ff_vf_bm3d = {
1065     .name          = "bm3d",
1066     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Block-Matching 3D denoiser."),
1067     .priv_size     = sizeof(BM3DContext),
1068     .init          = init,
1069     .uninit        = uninit,
1070     .activate      = activate,
1071     .query_formats = query_formats,
1072     .inputs        = NULL,
1073     .outputs       = bm3d_outputs,
1074     .priv_class    = &bm3d_class,
1075     .flags         = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_INTERNAL |
1076                      AVFILTER_FLAG_DYNAMIC_INPUTS |
1077                      AVFILTER_FLAG_SLICE_THREADS,
1078 };