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

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2007 Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
   3  * Copyright (c) 2013 Clément Bœsch <u pkh me>
   4  *
   5  * This file is part of FFmpeg.
   6  *
   7  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or modify
   8  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
   9  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  10  * (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
  15  * GNU General Public License for more details.
  16  *
  17  * You should have received a copy of the GNU General Public License along
  18  * with FFmpeg; if not, write to the Free Software Foundation, Inc.,
  19  * 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA.
  20  */
  21
  22 /**
  23  * @todo try to change to int
  24  * @todo try lifting based implementation
  25  * @todo optimize optimize optimize
  26  * @todo hard thresholding
  27  * @todo use QP to decide filter strength
  28  * @todo wavelet normalization / least squares optimal signal vs. noise thresholds
  29  */
  30
  31 #include "libavutil/imgutils.h"
  32 #include "libavutil/opt.h"
  33 #include "libavutil/mem_internal.h"
  34 #include "libavutil/pixdesc.h"
  35 #include "avfilter.h"
  36 #include "internal.h"
  37
  38 typedef struct OWDenoiseContext {
  39     const AVClass *class;
  40     double luma_strength;
  41     double chroma_strength;
  42     int depth;
  43     float *plane[16+1][4];
  44     int linesize;
  45     int hsub, vsub;
  46     int pixel_depth;
  47 } OWDenoiseContext;
  48
  49 #define OFFSET(x) offsetof(OWDenoiseContext, x)
  50 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
  51 static const AVOption owdenoise_options[] = {
  52     { "depth",           "set depth",           OFFSET(depth),           AV_OPT_TYPE_INT,    {.i64 =   8}, 8,   16, FLAGS },
  53     { "luma_strength",   "set luma strength",   OFFSET(luma_strength),   AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl = 1.0}, 0, 1000, FLAGS },
  54     { "ls",              "set luma strength",   OFFSET(luma_strength),   AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl = 1.0}, 0, 1000, FLAGS },
  55     { "chroma_strength", "set chroma strength", OFFSET(chroma_strength), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl = 1.0}, 0, 1000, FLAGS },
  56     { "cs",              "set chroma strength", OFFSET(chroma_strength), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl = 1.0}, 0, 1000, FLAGS },
  57     { NULL }
  58 };
  59
  60 AVFILTER_DEFINE_CLASS(owdenoise);
  61
  62 DECLARE_ALIGNED(8, static const uint8_t, dither)[8][8] = {
  63     {  0,  48,  12,  60,   3,  51,  15,  63 },
  64     { 32,  16,  44,  28,  35,  19,  47,  31 },
  65     {  8,  56,   4,  52,  11,  59,   7,  55 },
  66     { 40,  24,  36,  20,  43,  27,  39,  23 },
  67     {  2,  50,  14,  62,   1,  49,  13,  61 },
  68     { 34,  18,  46,  30,  33,  17,  45,  29 },
  69     { 10,  58,   6,  54,   9,  57,   5,  53 },
  70     { 42,  26,  38,  22,  41,  25,  37,  21 },
  71 };
  72
  73 static const double coeff[2][5] = {
  74     {
  75          0.6029490182363579  * M_SQRT2,
  76          0.2668641184428723  * M_SQRT2,
  77         -0.07822326652898785 * M_SQRT2,
  78         -0.01686411844287495 * M_SQRT2,
  79          0.02674875741080976 * M_SQRT2,
  80     },{
  81          1.115087052456994   / M_SQRT2,
  82         -0.5912717631142470  / M_SQRT2,
  83         -0.05754352622849957 / M_SQRT2,
  84          0.09127176311424948 / M_SQRT2,
  85     }
  86 };
  87
  88 static const double icoeff[2][5] = {
  89     {
  90          1.115087052456994   / M_SQRT2,
  91          0.5912717631142470  / M_SQRT2,
  92         -0.05754352622849957 / M_SQRT2,
  93         -0.09127176311424948 / M_SQRT2,
  94     },{
  95          0.6029490182363579  * M_SQRT2,
  96         -0.2668641184428723  * M_SQRT2,
  97         -0.07822326652898785 * M_SQRT2,
  98          0.01686411844287495 * M_SQRT2,
  99          0.02674875741080976 * M_SQRT2,
 100     }
 101 };
 102
 103
 104 static inline void decompose(float *dst_l, float *dst_h, const float *src,
 105                              int linesize, int w)
 106 {
 107     int x, i;
 108     for (x = 0; x < w; x++) {
 109         double sum_l = src[x * linesize] * coeff[0][0];
 110         double sum_h = src[x * linesize] * coeff[1][0];
 111         for (i = 1; i <= 4; i++) {
 112             const double s = src[avpriv_mirror(x - i, w - 1) * linesize]
 113                            + src[avpriv_mirror(x + i, w - 1) * linesize];
 114
 115             sum_l += coeff[0][i] * s;
 116             sum_h += coeff[1][i] * s;
 117         }
 118         dst_l[x * linesize] = sum_l;
 119         dst_h[x * linesize] = sum_h;
 120     }
 121 }
 122
 123 static inline void compose(float *dst, const float *src_l, const float *src_h,
 124                            int linesize, int w)
 125 {
 126     int x, i;
 127     for (x = 0; x < w; x++) {
 128         double sum_l = src_l[x * linesize] * icoeff[0][0];
 129         double sum_h = src_h[x * linesize] * icoeff[1][0];
 130         for (i = 1; i <= 4; i++) {
 131             const int x0 = avpriv_mirror(x - i, w - 1) * linesize;
 132             const int x1 = avpriv_mirror(x + i, w - 1) * linesize;
 133
 134             sum_l += icoeff[0][i] * (src_l[x0] + src_l[x1]);
 135             sum_h += icoeff[1][i] * (src_h[x0] + src_h[x1]);
 136         }
 137         dst[x * linesize] = (sum_l + sum_h) * 0.5;
 138     }
 139 }
 140
 141 static inline void decompose2D(float *dst_l, float *dst_h, const float *src,
 142                                int xlinesize, int ylinesize,
 143                                int step, int w, int h)
 144 {
 145     int y, x;
 146     for (y = 0; y < h; y++)
 147         for (x = 0; x < step; x++)
 148             decompose(dst_l + ylinesize*y + xlinesize*x,
 149                       dst_h + ylinesize*y + xlinesize*x,
 150                       src   + ylinesize*y + xlinesize*x,
 151                       step * xlinesize, (w - x + step - 1) / step);
 152 }
 153
 154 static inline void compose2D(float *dst, const float *src_l, const float *src_h,
 155                              int xlinesize, int ylinesize,
 156                              int step, int w, int h)
 157 {
 158     int y, x;
 159     for (y = 0; y < h; y++)
 160         for (x = 0; x < step; x++)
 161             compose(dst   + ylinesize*y + xlinesize*x,
 162                     src_l + ylinesize*y + xlinesize*x,
 163                     src_h + ylinesize*y + xlinesize*x,
 164                     step * xlinesize, (w - x + step - 1) / step);
 165 }
 166
 167 static void decompose2D2(float *dst[4], float *src, float *temp[2],
 168                          int linesize, int step, int w, int h)
 169 {
 170     decompose2D(temp[0], temp[1], src,     1, linesize, step, w, h);
 171     decompose2D( dst[0],  dst[1], temp[0], linesize, 1, step, h, w);
 172     decompose2D( dst[2],  dst[3], temp[1], linesize, 1, step, h, w);
 173 }
 174
 175 static void compose2D2(float *dst, float *src[4], float *temp[2],
 176                        int linesize, int step, int w, int h)
 177 {
 178     compose2D(temp[0],  src[0],  src[1], linesize, 1, step, h, w);
 179     compose2D(temp[1],  src[2],  src[3], linesize, 1, step, h, w);
 180     compose2D(dst,     temp[0], temp[1], 1, linesize, step, w, h);
 181 }
 182
 183 static void filter(OWDenoiseContext *s,
 184                    uint8_t       *dst, int dst_linesize,
 185                    const uint8_t *src, int src_linesize,
 186                    int width, int height, double strength)
 187 {
 188     int x, y, i, j, depth = s->depth;
 189
 190     while (1<<depth > width || 1<<depth > height)
 191         depth--;
 192
 193     if (s->pixel_depth <= 8) {
 194         for (y = 0; y < height; y++)
 195             for(x = 0; x < width; x++)
 196                 s->plane[0][0][y*s->linesize + x] = src[y*src_linesize + x];
 197     } else {
 198         const uint16_t *src16 = (const uint16_t *)src;
 199
 200         src_linesize /= 2;
 201         for (y = 0; y < height; y++)
 202             for(x = 0; x < width; x++)
 203                 s->plane[0][0][y*s->linesize + x] = src16[y*src_linesize + x];
 204     }
 205
 206     for (i = 0; i < depth; i++)
 207         decompose2D2(s->plane[i + 1], s->plane[i][0], s->plane[0] + 1, s->linesize, 1<<i, width, height);
 208
 209     for (i = 0; i < depth; i++) {
 210         for (j = 1; j < 4; j++) {
 211             for (y = 0; y < height; y++) {
 212                 for (x = 0; x < width; x++) {
 213                     double v = s->plane[i + 1][j][y*s->linesize + x];
 214                     if      (v >  strength) v -= strength;
 215                     else if (v < -strength) v += strength;
 216                     else                    v  = 0;
 217                     s->plane[i + 1][j][x + y*s->linesize] = v;
 218                 }
 219             }
 220         }
 221     }
 222     for (i = depth-1; i >= 0; i--)
 223         compose2D2(s->plane[i][0], s->plane[i + 1], s->plane[0] + 1, s->linesize, 1<<i, width, height);
 224
 225     if (s->pixel_depth <= 8) {
 226         for (y = 0; y < height; y++) {
 227             for (x = 0; x < width; x++) {
 228                 i = s->plane[0][0][y*s->linesize + x] + dither[x&7][y&7]*(1.0/64) + 1.0/128; // yes the rounding is insane but optimal :)
 229                 if ((unsigned)i > 255U) i = ~(i >> 31);
 230                 dst[y*dst_linesize + x] = i;
 231             }
 232         }
 233     } else {
 234         uint16_t *dst16 = (uint16_t *)dst;
 235
 236         dst_linesize /= 2;
 237         for (y = 0; y < height; y++) {
 238             for (x = 0; x < width; x++) {
 239                 i = s->plane[0][0][y*s->linesize + x];
 240                 dst16[y*dst_linesize + x] = i;
 241             }
 242         }
 243     }
 244 }
 245
 246 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
 247 {
 248     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 249     OWDenoiseContext *s = ctx->priv;
 250     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 251     AVFrame *out;
 252     const int cw = AV_CEIL_RSHIFT(inlink->w, s->hsub);
 253     const int ch = AV_CEIL_RSHIFT(inlink->h, s->vsub);
 254
 255     if (av_frame_is_writable(in)) {
 256         out = in;
 257
 258         if (s->luma_strength > 0)
 259             filter(s, out->data[0], out->linesize[0], in->data[0], in->linesize[0], inlink->w, inlink->h, s->luma_strength);
 260         if (s->chroma_strength > 0) {
 261             filter(s, out->data[1], out->linesize[1], in->data[1], in->linesize[1], cw,        ch,        s->chroma_strength);
 262             filter(s, out->data[2], out->linesize[2], in->data[2], in->linesize[2], cw,        ch,        s->chroma_strength);
 263         }
 264     } else {
 265         out = ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
 266         if (!out) {
 267             av_frame_free(&in);
 268             return AVERROR(ENOMEM);
 269         }
 270         av_frame_copy_props(out, in);
 271
 272         if (s->luma_strength > 0) {
 273             filter(s, out->data[0], out->linesize[0], in->data[0], in->linesize[0], inlink->w, inlink->h, s->luma_strength);
 274         } else {
 275             av_image_copy_plane(out->data[0], out->linesize[0], in ->data[0], in ->linesize[0], inlink->w, inlink->h);
 276         }
 277         if (s->chroma_strength > 0) {
 278             filter(s, out->data[1], out->linesize[1], in->data[1], in->linesize[1], cw, ch, s->chroma_strength);
 279             filter(s, out->data[2], out->linesize[2], in->data[2], in->linesize[2], cw, ch, s->chroma_strength);
 280         } else {
 281             av_image_copy_plane(out->data[1], out->linesize[1], in ->data[1], in ->linesize[1], inlink->w, inlink->h);
 282             av_image_copy_plane(out->data[2], out->linesize[2], in ->data[2], in ->linesize[2], inlink->w, inlink->h);
 283         }
 284
 285         if (in->data[3])
 286             av_image_copy_plane(out->data[3], out->linesize[3],
 287                                 in ->data[3], in ->linesize[3],
 288                                 inlink->w, inlink->h);
 289         av_frame_free(&in);
 290     }
 291
 292     return ff_filter_frame(outlink, out);
 293 }
 294
 295 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 296 {
 297     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {
 298         AV_PIX_FMT_YUV444P,      AV_PIX_FMT_YUV422P,
 299         AV_PIX_FMT_YUV420P,      AV_PIX_FMT_YUV411P,
 300         AV_PIX_FMT_YUV410P,      AV_PIX_FMT_YUV440P,
 301         AV_PIX_FMT_YUVA444P,     AV_PIX_FMT_YUVA422P,
 302         AV_PIX_FMT_YUVA420P,
 303         AV_PIX_FMT_YUV420P9, AV_PIX_FMT_YUV422P9, AV_PIX_FMT_YUV444P9,
 304         AV_PIX_FMT_YUV420P10, AV_PIX_FMT_YUV422P10, AV_PIX_FMT_YUV444P10,
 305         AV_PIX_FMT_YUV440P10,
 306         AV_PIX_FMT_YUV444P12, AV_PIX_FMT_YUV422P12, AV_PIX_FMT_YUV420P12,
 307         AV_PIX_FMT_YUV440P12,
 308         AV_PIX_FMT_YUV444P14, AV_PIX_FMT_YUV422P14, AV_PIX_FMT_YUV420P14,
 309         AV_PIX_FMT_YUV420P16, AV_PIX_FMT_YUV422P16, AV_PIX_FMT_YUV444P16,
 310         AV_PIX_FMT_NONE
 311     };
 312     AVFilterFormats *fmts_list = ff_make_format_list(pix_fmts);
 313     if (!fmts_list)
 314         return AVERROR(ENOMEM);
 315     return ff_set_common_formats(ctx, fmts_list);
 316 }
 317
 318 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
 319 {
 320     int i, j;
 321     OWDenoiseContext *s = inlink->dst->priv;
 322     const AVPixFmtDescriptor *desc = av_pix_fmt_desc_get(inlink->format);
 323     const int h = FFALIGN(inlink->h, 16);
 324
 325     s->hsub = desc->log2_chroma_w;
 326     s->vsub = desc->log2_chroma_h;
 327     s->pixel_depth = desc->comp[0].depth;
 328
 329     s->linesize = FFALIGN(inlink->w, 16);
 330     for (j = 0; j < 4; j++) {
 331         for (i = 0; i <= s->depth; i++) {
 332             s->plane[i][j] = av_malloc_array(s->linesize, h * sizeof(s->plane[0][0][0]));
 333             if (!s->plane[i][j])
 334                 return AVERROR(ENOMEM);
 335         }
 336     }
 337     return 0;
 338 }
 339
 340 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 341 {
 342     int i, j;
 343     OWDenoiseContext *s = ctx->priv;
 344
 345     for (j = 0; j < 4; j++)
 346         for (i = 0; i <= s->depth; i++)
 347             av_freep(&s->plane[i][j]);
 348 }
 349
 350 static const AVFilterPad owdenoise_inputs[] = {
 351     {
 352         .name         = "default",
 353         .type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 354         .filter_frame = filter_frame,
 355         .config_props = config_input,
 356     },
 357     { NULL }
 358 };
 359
 360 static const AVFilterPad owdenoise_outputs[] = {
 361     {
 362         .name = "default",
 363         .type = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 364     },
 365     { NULL }
 366 };
 367
 368 AVFilter ff_vf_owdenoise = {
 369     .name          = "owdenoise",
 370     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Denoise using wavelets."),
 371     .priv_size     = sizeof(OWDenoiseContext),
 372     .uninit        = uninit,
 373     .query_formats = query_formats,
 374     .inputs        = owdenoise_inputs,
 375     .outputs       = owdenoise_outputs,
 376     .priv_class    = &owdenoise_class,
 377     .flags         = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_GENERIC,
 378 };