git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavfilter/vf_hqdn3d.c

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2003 Daniel Moreno <comac AT comac DOT darktech DOT org>
   3  * Copyright (c) 2010 Baptiste Coudurier
   4  * Copyright (c) 2012 Loren Merritt
   5  *
   6  * This file is part of Libav, ported from MPlayer.
   7  *
   8  * Libav is free software; you can redistribute it and/or modify
   9  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
  10  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  11  * (at your option) any later version.
  12  *
  13  * Libav is distributed in the hope that it will be useful,
  14  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  15  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  16  * GNU General Public License for more details.
  17  *
  18  * You should have received a copy of the GNU General Public License along
  19  * with Libav; if not, write to the Free Software Foundation, Inc.,
  20  * 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA.
  21  */
  22
  23 /**
  24  * @file
  25  * high quality 3d video denoiser, ported from MPlayer
  26  * libmpcodecs/vf_hqdn3d.c.
  27  */
  28
  29 #include "libavutil/common.h"
  30 #include "libavutil/pixdesc.h"
  31 #include "libavutil/intreadwrite.h"
  32 #include "avfilter.h"
  33 #include "formats.h"
  34 #include "internal.h"
  35 #include "video.h"
  36
  37 typedef struct {
  38     int16_t *coefs[4];
  39     uint16_t *line;
  40     uint16_t *frame_prev[3];
  41     double strength[4];
  42     int hsub, vsub;
  43     int depth;
  44 } HQDN3DContext;
  45
  46 #define LUT_BITS (depth==16 ? 8 : 4)
  47 #define RIGHTSHIFT(a,b) (((a)+(((1<<(b))-1)>>1))>>(b))
  48 #define LOAD(x) ((depth==8 ? src[x] : AV_RN16A(src+(x)*2)) << (16-depth))
  49 #define STORE(x,val) (depth==8 ? dst[x] = RIGHTSHIFT(val, 16-depth)\
  50                     : AV_WN16A(dst+(x)*2, RIGHTSHIFT(val, 16-depth)))
  51
  52 av_always_inline
  53 static inline uint32_t lowpass(int prev, int cur, int16_t *coef, int depth)
  54 {
  55     int d = (prev - cur) >> (8 - LUT_BITS);
  56     return cur + coef[d];
  57 }
  58
  59 av_always_inline
  60 static void denoise_temporal(uint8_t *src, uint8_t *dst,
  61                              uint16_t *frame_ant,
  62                              int w, int h, int sstride, int dstride,
  63                              int16_t *temporal, int depth)
  64 {
  65     long x, y;
  66     uint32_t tmp;
  67
  68     temporal += 256 << LUT_BITS;
  69
  70     for (y = 0; y < h; y++) {
  71         for (x = 0; x < w; x++) {
  72             frame_ant[x] = tmp = lowpass(frame_ant[x], LOAD(x), temporal, depth);
  73             STORE(x, tmp);
  74         }
  75         src += sstride;
  76         dst += dstride;
  77         frame_ant += w;
  78     }
  79 }
  80
  81 av_always_inline
  82 static void denoise_spatial(uint8_t *src, uint8_t *dst,
  83                             uint16_t *line_ant, uint16_t *frame_ant,
  84                             int w, int h, int sstride, int dstride,
  85                             int16_t *spatial, int16_t *temporal, int depth)
  86 {
  87     long x, y;
  88     uint32_t pixel_ant;
  89     uint32_t tmp;
  90
  91     spatial  += 256 << LUT_BITS;
  92     temporal += 256 << LUT_BITS;
  93
  94     /* First line has no top neighbor. Only left one for each tmp and
  95      * last frame */
  96     pixel_ant = LOAD(0);
  97     for (x = 0; x < w; x++) {
  98         line_ant[x] = tmp = pixel_ant = lowpass(pixel_ant, LOAD(x), spatial, depth);
  99         frame_ant[x] = tmp = lowpass(frame_ant[x], tmp, temporal, depth);
 100         STORE(x, tmp);
 101     }
 102
 103     for (y = 1; y < h; y++) {
 104         src += sstride;
 105         dst += dstride;
 106         frame_ant += w;
 107         pixel_ant = LOAD(0);
 108         for (x = 0; x < w-1; x++) {
 109             line_ant[x] = tmp = lowpass(line_ant[x], pixel_ant, spatial, depth);
 110             pixel_ant = lowpass(pixel_ant, LOAD(x+1), spatial, depth);
 111             frame_ant[x] = tmp = lowpass(frame_ant[x], tmp, temporal, depth);
 112             STORE(x, tmp);
 113         }
 114         line_ant[x] = tmp = lowpass(line_ant[x], pixel_ant, spatial, depth);
 115         frame_ant[x] = tmp = lowpass(frame_ant[x], tmp, temporal, depth);
 116         STORE(x, tmp);
 117     }
 118 }
 119
 120 av_always_inline
 121 static void denoise_depth(uint8_t *src, uint8_t *dst,
 122                           uint16_t *line_ant, uint16_t **frame_ant_ptr,
 123                           int w, int h, int sstride, int dstride,
 124                           int16_t *spatial, int16_t *temporal, int depth)
 125 {
 126     // FIXME: For 16bit depth, frame_ant could be a pointer to the previous
 127     // filtered frame rather than a separate buffer.
 128     long x, y;
 129     uint16_t *frame_ant = *frame_ant_ptr;
 130     if (!frame_ant) {
 131         uint8_t *frame_src = src;
 132         *frame_ant_ptr = frame_ant = av_malloc(w*h*sizeof(uint16_t));
 133         for (y = 0; y < h; y++, src += sstride, frame_ant += w)
 134             for (x = 0; x < w; x++)
 135                 frame_ant[x] = LOAD(x);
 136         src = frame_src;
 137         frame_ant = *frame_ant_ptr;
 138     }
 139
 140     if (spatial[0])
 141         denoise_spatial(src, dst, line_ant, frame_ant,
 142                         w, h, sstride, dstride, spatial, temporal, depth);
 143     else
 144         denoise_temporal(src, dst, frame_ant,
 145                          w, h, sstride, dstride, temporal, depth);
 146 }
 147
 148 #define denoise(...) \
 149     switch (hqdn3d->depth) {\
 150         case  8: denoise_depth(__VA_ARGS__,  8); break;\
 151         case  9: denoise_depth(__VA_ARGS__,  9); break;\
 152         case 10: denoise_depth(__VA_ARGS__, 10); break;\
 153         case 16: denoise_depth(__VA_ARGS__, 16); break;\
 154     }
 155
 156 static int16_t *precalc_coefs(double dist25, int depth)
 157 {
 158     int i;
 159     double gamma, simil, C;
 160     int16_t *ct = av_malloc((512<<LUT_BITS)*sizeof(int16_t));
 161     if (!ct)
 162         return NULL;
 163
 164     gamma = log(0.25) / log(1.0 - FFMIN(dist25,252.0)/255.0 - 0.00001);
 165
 166     for (i = -255<<LUT_BITS; i <= 255<<LUT_BITS; i++) {
 167         double f = ((i<<(9-LUT_BITS)) + (1<<(8-LUT_BITS)) - 1) / 512.0; // midpoint of the bin
 168         simil = 1.0 - FFABS(f) / 255.0;
 169         C = pow(simil, gamma) * 256.0 * f;
 170         ct[(256<<LUT_BITS)+i] = lrint(C);
 171     }
 172
 173     ct[0] = !!dist25;
 174     return ct;
 175 }
 176
 177 #define PARAM1_DEFAULT 4.0
 178 #define PARAM2_DEFAULT 3.0
 179 #define PARAM3_DEFAULT 6.0
 180
 181 static int init(AVFilterContext *ctx, const char *args)
 182 {
 183     HQDN3DContext *hqdn3d = ctx->priv;
 184     double lum_spac, lum_tmp, chrom_spac, chrom_tmp;
 185     double param1, param2, param3, param4;
 186
 187     lum_spac   = PARAM1_DEFAULT;
 188     chrom_spac = PARAM2_DEFAULT;
 189     lum_tmp    = PARAM3_DEFAULT;
 190     chrom_tmp  = lum_tmp * chrom_spac / lum_spac;
 191
 192     if (args) {
 193         switch (sscanf(args, "%lf:%lf:%lf:%lf",
 194                        &param1, &param2, &param3, &param4)) {
 195         case 1:
 196             lum_spac   = param1;
 197             chrom_spac = PARAM2_DEFAULT * param1 / PARAM1_DEFAULT;
 198             lum_tmp    = PARAM3_DEFAULT * param1 / PARAM1_DEFAULT;
 199             chrom_tmp  = lum_tmp * chrom_spac / lum_spac;
 200             break;
 201         case 2:
 202             lum_spac   = param1;
 203             chrom_spac = param2;
 204             lum_tmp    = PARAM3_DEFAULT * param1 / PARAM1_DEFAULT;
 205             chrom_tmp  = lum_tmp * chrom_spac / lum_spac;
 206             break;
 207         case 3:
 208             lum_spac   = param1;
 209             chrom_spac = param2;
 210             lum_tmp    = param3;
 211             chrom_tmp  = lum_tmp * chrom_spac / lum_spac;
 212             break;
 213         case 4:
 214             lum_spac   = param1;
 215             chrom_spac = param2;
 216             lum_tmp    = param3;
 217             chrom_tmp  = param4;
 218             break;
 219         }
 220     }
 221
 222     hqdn3d->strength[0] = lum_spac;
 223     hqdn3d->strength[1] = lum_tmp;
 224     hqdn3d->strength[2] = chrom_spac;
 225     hqdn3d->strength[3] = chrom_tmp;
 226
 227     av_log(ctx, AV_LOG_VERBOSE, "ls:%lf cs:%lf lt:%lf ct:%lf\n",
 228            lum_spac, chrom_spac, lum_tmp, chrom_tmp);
 229     if (lum_spac < 0 || chrom_spac < 0 || isnan(chrom_tmp)) {
 230         av_log(ctx, AV_LOG_ERROR,
 231                "Invalid negative value for luma or chroma spatial strength, "
 232                "or resulting value for chroma temporal strength is nan.\n");
 233         return AVERROR(EINVAL);
 234     }
 235
 236     return 0;
 237 }
 238
 239 static void uninit(AVFilterContext *ctx)
 240 {
 241     HQDN3DContext *hqdn3d = ctx->priv;
 242
 243     av_freep(&hqdn3d->coefs[0]);
 244     av_freep(&hqdn3d->coefs[1]);
 245     av_freep(&hqdn3d->coefs[2]);
 246     av_freep(&hqdn3d->coefs[3]);
 247     av_freep(&hqdn3d->line);
 248     av_freep(&hqdn3d->frame_prev[0]);
 249     av_freep(&hqdn3d->frame_prev[1]);
 250     av_freep(&hqdn3d->frame_prev[2]);
 251 }
 252
 253 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 254 {
 255     static const enum PixelFormat pix_fmts[] = {
 256         PIX_FMT_YUV420P,
 257         PIX_FMT_YUV422P,
 258         PIX_FMT_YUV444P,
 259         PIX_FMT_YUV410P,
 260         PIX_FMT_YUV411P,
 261         PIX_FMT_YUV440P,
 262         PIX_FMT_YUVJ420P,
 263         PIX_FMT_YUVJ422P,
 264         PIX_FMT_YUVJ444P,
 265         PIX_FMT_YUVJ440P,
 266         AV_NE( PIX_FMT_YUV420P9BE, PIX_FMT_YUV420P9LE ),
 267         AV_NE( PIX_FMT_YUV422P9BE, PIX_FMT_YUV422P9LE ),
 268         AV_NE( PIX_FMT_YUV444P9BE, PIX_FMT_YUV444P9LE ),
 269         AV_NE( PIX_FMT_YUV420P10BE, PIX_FMT_YUV420P10LE ),
 270         AV_NE( PIX_FMT_YUV422P10BE, PIX_FMT_YUV422P10LE ),
 271         AV_NE( PIX_FMT_YUV444P10BE, PIX_FMT_YUV444P10LE ),
 272         AV_NE( PIX_FMT_YUV420P16BE, PIX_FMT_YUV420P16LE ),
 273         AV_NE( PIX_FMT_YUV422P16BE, PIX_FMT_YUV422P16LE ),
 274         AV_NE( PIX_FMT_YUV444P16BE, PIX_FMT_YUV444P16LE ),
 275         PIX_FMT_NONE
 276     };
 277
 278     ff_set_common_formats(ctx, ff_make_format_list(pix_fmts));
 279
 280     return 0;
 281 }
 282
 283 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
 284 {
 285     HQDN3DContext *hqdn3d = inlink->dst->priv;
 286
 287     hqdn3d->hsub = av_pix_fmt_descriptors[inlink->format].log2_chroma_w;
 288     hqdn3d->vsub = av_pix_fmt_descriptors[inlink->format].log2_chroma_h;
 289     hqdn3d->depth = av_pix_fmt_descriptors[inlink->format].comp[0].depth_minus1+1;
 290
 291     hqdn3d->line = av_malloc(inlink->w * sizeof(*hqdn3d->line));
 292     if (!hqdn3d->line)
 293         return AVERROR(ENOMEM);
 294
 295     for (int i=0; i<4; i++) {
 296         hqdn3d->coefs[i] = precalc_coefs(hqdn3d->strength[i], hqdn3d->depth);
 297         if (!hqdn3d->coefs[i])
 298             return AVERROR(ENOMEM);
 299     }
 300
 301     return 0;
 302 }
 303
 304 static int null_draw_slice(AVFilterLink *link, int y, int h, int slice_dir)
 305 {
 306     return 0;
 307 }
 308
 309 static int end_frame(AVFilterLink *inlink)
 310 {
 311     HQDN3DContext *hqdn3d = inlink->dst->priv;
 312     AVFilterLink *outlink = inlink->dst->outputs[0];
 313     AVFilterBufferRef *inpic  = inlink ->cur_buf;
 314     AVFilterBufferRef *outpic = outlink->out_buf;
 315     int ret, c;
 316
 317     for (c = 0; c < 3; c++) {
 318         denoise(inpic->data[c], outpic->data[c],
 319                 hqdn3d->line, &hqdn3d->frame_prev[c],
 320                 inpic->video->w >> (!!c * hqdn3d->hsub),
 321                 inpic->video->h >> (!!c * hqdn3d->vsub),
 322                 inpic->linesize[c], outpic->linesize[c],
 323                 hqdn3d->coefs[c?2:0], hqdn3d->coefs[c?3:1]);
 324     }
 325
 326     if ((ret = ff_draw_slice(outlink, 0, inpic->video->h, 1)) < 0 ||
 327         (ret = ff_end_frame(outlink)) < 0)
 328         return ret;
 329     return 0;
 330 }
 331
 332 AVFilter avfilter_vf_hqdn3d = {
 333     .name          = "hqdn3d",
 334     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Apply a High Quality 3D Denoiser."),
 335
 336     .priv_size     = sizeof(HQDN3DContext),
 337     .init          = init,
 338     .uninit        = uninit,
 339     .query_formats = query_formats,
 340
 341     .inputs    = (const AVFilterPad[]) {{ .name             = "default",
 342                                           .type             = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 343                                           .start_frame      = ff_inplace_start_frame,
 344                                           .draw_slice       = null_draw_slice,
 345                                           .config_props     = config_input,
 346                                           .end_frame        = end_frame },
 347                                         { .name = NULL}},
 348
 349     .outputs   = (const AVFilterPad[]) {{ .name             = "default",
 350                                           .type             = AVMEDIA_TYPE_VIDEO },
 351                                         { .name = NULL}},
 352 };