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/pixdesc.h"
  34 #include "avfilter.h"
  35 #include "internal.h"
  36
  37 typedef struct {
  38     const AVClass *class;
  39     double luma_strength;
  40     double chroma_strength;
  41     int depth;
  42     float *plane[16+1][4];
  43     int linesize;
  44     int hsub, vsub;
  45 } OWDenoiseContext;
  46
  47 #define OFFSET(x) offsetof(OWDenoiseContext, x)
  48 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
  49 static const AVOption owdenoise_options[] = {
  50     { "depth",           "set depth",           OFFSET(depth),           AV_OPT_TYPE_INT,    {.i64 =   8}, 8,   16, FLAGS },
  51     { "luma_strength",   "set luma strength",   OFFSET(luma_strength),   AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl = 1.0}, 0, 1000, FLAGS },
  52     { "ls",              "set luma strength",   OFFSET(luma_strength),   AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl = 1.0}, 0, 1000, FLAGS },
  53     { "chroma_strength", "set chroma strength", OFFSET(chroma_strength), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl = 1.0}, 0, 1000, FLAGS },
  54     { "cs",              "set chroma strength", OFFSET(chroma_strength), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl = 1.0}, 0, 1000, FLAGS },
  55     { NULL }
  56 };
  57
  58 AVFILTER_DEFINE_CLASS(owdenoise);
  59
  60 DECLARE_ALIGNED(8, static const uint8_t, dither)[8][8] = {
  61     {  0,  48,  12,  60,   3,  51,  15,  63 },
  62     { 32,  16,  44,  28,  35,  19,  47,  31 },
  63     {  8,  56,   4,  52,  11,  59,   7,  55 },
  64     { 40,  24,  36,  20,  43,  27,  39,  23 },
  65     {  2,  50,  14,  62,   1,  49,  13,  61 },
  66     { 34,  18,  46,  30,  33,  17,  45,  29 },
  67     { 10,  58,   6,  54,   9,  57,   5,  53 },
  68     { 42,  26,  38,  22,  41,  25,  37,  21 },
  69 };
  70
  71 static const double coeff[2][5] = {
  72     {
  73          0.6029490182363579  * M_SQRT2,
  74          0.2668641184428723  * M_SQRT2,
  75         -0.07822326652898785 * M_SQRT2,
  76         -0.01686411844287495 * M_SQRT2,
  77          0.02674875741080976 * M_SQRT2,
  78     },{
  79          1.115087052456994   / M_SQRT2,
  80         -0.5912717631142470  / M_SQRT2,
  81         -0.05754352622849957 / M_SQRT2,
  82          0.09127176311424948 / M_SQRT2,
  83     }
  84 };
  85
  86 static const double icoeff[2][5] = {
  87     {
  88          1.115087052456994   / M_SQRT2,
  89          0.5912717631142470  / M_SQRT2,
  90         -0.05754352622849957 / M_SQRT2,
  91         -0.09127176311424948 / M_SQRT2,
  92     },{
  93          0.6029490182363579  * M_SQRT2,
  94         -0.2668641184428723  * M_SQRT2,
  95         -0.07822326652898785 * M_SQRT2,
  96          0.01686411844287495 * M_SQRT2,
  97          0.02674875741080976 * M_SQRT2,
  98     }
  99 };
 100
 101
 102 static inline void decompose(float *dst_l, float *dst_h, const float *src,
 103                              int linesize, int w)
 104 {
 105     int x, i;
 106     for (x = 0; x < w; x++) {
 107         double sum_l = src[x * linesize] * coeff[0][0];
 108         double sum_h = src[x * linesize] * coeff[1][0];
 109         for (i = 1; i <= 4; i++) {
 110             const double s = src[avpriv_mirror(x - i, w - 1) * linesize]
 111                            + src[avpriv_mirror(x + i, w - 1) * linesize];
 112
 113             sum_l += coeff[0][i] * s;
 114             sum_h += coeff[1][i] * s;
 115         }
 116         dst_l[x * linesize] = sum_l;
 117         dst_h[x * linesize] = sum_h;
 118     }
 119 }
 120
 121 static inline void compose(float *dst, const float *src_l, const float *src_h,
 122                            int linesize, int w)
 123 {
 124     int x, i;
 125     for (x = 0; x < w; x++) {
 126         double sum_l = src_l[x * linesize] * icoeff[0][0];
 127         double sum_h = src_h[x * linesize] * icoeff[1][0];
 128         for (i = 1; i <= 4; i++) {
 129             const int x0 = avpriv_mirror(x - i, w - 1) * linesize;
 130             const int x1 = avpriv_mirror(x + i, w - 1) * linesize;
 131
 132             sum_l += icoeff[0][i] * (src_l[x0] + src_l[x1]);
 133             sum_h += icoeff[1][i] * (src_h[x0] + src_h[x1]);
 134         }
 135         dst[x * linesize] = (sum_l + sum_h) * 0.5;
 136     }
 137 }
 138
 139 static inline void decompose2D(float *dst_l, float *dst_h, const float *src,
 140                                int xlinesize, int ylinesize,
 141                                int step, int w, int h)
 142 {
 143     int y, x;
 144     for (y = 0; y < h; y++)
 145         for (x = 0; x < step; x++)
 146             decompose(dst_l + ylinesize*y + xlinesize*x,
 147                       dst_h + ylinesize*y + xlinesize*x,
 148                       src   + ylinesize*y + xlinesize*x,
 149                       step * xlinesize, (w - x + step - 1) / step);
 150 }
 151
 152 static inline void compose2D(float *dst, const float *src_l, const float *src_h,
 153                              int xlinesize, int ylinesize,
 154                              int step, int w, int h)
 155 {
 156     int y, x;
 157     for (y = 0; y < h; y++)
 158         for (x = 0; x < step; x++)
 159             compose(dst   + ylinesize*y + xlinesize*x,
 160                     src_l + ylinesize*y + xlinesize*x,
 161                     src_h + ylinesize*y + xlinesize*x,
 162                     step * xlinesize, (w - x + step - 1) / step);
 163 }
 164
 165 static void decompose2D2(float *dst[4], float *src, float *temp[2],
 166                          int linesize, int step, int w, int h)
 167 {
 168     decompose2D(temp[0], temp[1], src,     1, linesize, step, w, h);
 169     decompose2D( dst[0],  dst[1], temp[0], linesize, 1, step, h, w);
 170     decompose2D( dst[2],  dst[3], temp[1], linesize, 1, step, h, w);
 171 }
 172
 173 static void compose2D2(float *dst, float *src[4], float *temp[2],
 174                        int linesize, int step, int w, int h)
 175 {
 176     compose2D(temp[0],  src[0],  src[1], linesize, 1, step, h, w);
 177     compose2D(temp[1],  src[2],  src[3], linesize, 1, step, h, w);
 178     compose2D(dst,     temp[0], temp[1], 1, linesize, step, w, h);
 179 }
 180
 181 static void filter(OWDenoiseContext *s,
 182                    uint8_t       *dst, int dst_linesize,
 183                    const uint8_t *src, int src_linesize,
 184                    int width, int height, double strength)
 185 {
 186     int x, y, i, j, depth = s->depth;
 187
 188     while (1<<depth > width || 1<<depth > height)
 189         depth--;
 190
 191     for (y = 0; y < height; y++)
 192         for(x = 0; x < width; x++)
 193             s->plane[0][0][y*s->linesize + x] = src[y*src_linesize + x];
 194
 195     for (i = 0; i < depth; i++)
 196         decompose2D2(s->plane[i + 1], s->plane[i][0], s->plane[0] + 1, s->linesize, 1<<i, width, height);
 197
 198     for (i = 0; i < depth; i++) {
 199         for (j = 1; j < 4; j++) {
 200             for (y = 0; y < height; y++) {
 201                 for (x = 0; x < width; x++) {
 202                     double v = s->plane[i + 1][j][y*s->linesize + x];
 203                     if      (v >  strength) v -= strength;
 204                     else if (v < -strength) v += strength;
 205                     else                    v  = 0;
 206                     s->plane[i + 1][j][x + y*s->linesize] = v;
 207                 }
 208             }
 209         }
 210     }
 211     for (i = depth-1; i >= 0; i--)
 212         compose2D2(s->plane[i][0], s->plane[i + 1], s->plane[0] + 1, s->linesize, 1<<i, width, height);
 213
 214     for (y = 0; y < height; y++) {
 215         for (x = 0; x < width; x++) {
 216             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 :)
 217             if ((unsigned)i > 255U) i = ~(i >> 31);
 218             dst[y*dst_linesize + x] = i;
 219         }
 220     }
 221 }
 222
 223 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
 224 {
 225     int direct = 0;
 226     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 227     OWDenoiseContext *s = ctx->priv;
 228     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 229     AVFrame *out;
 230     const int cw = FF_CEIL_RSHIFT(inlink->w, s->hsub);
 231     const int ch = FF_CEIL_RSHIFT(inlink->h, s->vsub);
 232
 233     if (av_frame_is_writable(in)) {
 234         direct = 1;
 235         out = in;
 236     } else {
 237         out = ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
 238         if (!out) {
 239             av_frame_free(&in);
 240             return AVERROR(ENOMEM);
 241         }
 242         av_frame_copy_props(out, in);
 243     }
 244
 245     filter(s, out->data[0], out->linesize[0], in->data[0], in->linesize[0], inlink->w, inlink->h, s->luma_strength);
 246     filter(s, out->data[1], out->linesize[1], in->data[1], in->linesize[1], cw,        ch,        s->chroma_strength);
 247     filter(s, out->data[2], out->linesize[2], in->data[2], in->linesize[2], cw,        ch,        s->chroma_strength);
 248
 249     if (!direct) {
 250         if (in->data[3])
 251             av_image_copy_plane(out->data[3], out->linesize[3],
 252                                 in ->data[3], in ->linesize[3],
 253                                 inlink->w, inlink->h);
 254         av_frame_free(&in);
 255     }
 256
 257     return ff_filter_frame(outlink, out);
 258 }
 259
 260 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 261 {
 262     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {
 263         AV_PIX_FMT_YUV444P,      AV_PIX_FMT_YUV422P,
 264         AV_PIX_FMT_YUV420P,      AV_PIX_FMT_YUV411P,
 265         AV_PIX_FMT_YUV410P,      AV_PIX_FMT_YUV440P,
 266         AV_PIX_FMT_YUVA444P,     AV_PIX_FMT_YUVA422P,
 267         AV_PIX_FMT_YUVA420P,
 268         AV_PIX_FMT_NONE
 269     };
 270     AVFilterFormats *fmts_list = ff_make_format_list(pix_fmts);
 271     if (!fmts_list)
 272         return AVERROR(ENOMEM);
 273     return ff_set_common_formats(ctx, fmts_list);
 274 }
 275
 276 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
 277 {
 278     int i, j;
 279     OWDenoiseContext *s = inlink->dst->priv;
 280     const AVPixFmtDescriptor *desc = av_pix_fmt_desc_get(inlink->format);
 281     const int h = FFALIGN(inlink->h, 16);
 282
 283     s->hsub = desc->log2_chroma_w;
 284     s->vsub = desc->log2_chroma_h;
 285
 286     s->linesize = FFALIGN(inlink->w, 16);
 287     for (j = 0; j < 4; j++) {
 288         for (i = 0; i <= s->depth; i++) {
 289             s->plane[i][j] = av_malloc_array(s->linesize, h * sizeof(s->plane[0][0][0]));
 290             if (!s->plane[i][j])
 291                 return AVERROR(ENOMEM);
 292         }
 293     }
 294     return 0;
 295 }
 296
 297 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 298 {
 299     int i, j;
 300     OWDenoiseContext *s = ctx->priv;
 301
 302     for (j = 0; j < 4; j++)
 303         for (i = 0; i <= s->depth; i++)
 304             av_freep(&s->plane[i][j]);
 305 }
 306
 307 static const AVFilterPad owdenoise_inputs[] = {
 308     {
 309         .name         = "default",
 310         .type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 311         .filter_frame = filter_frame,
 312         .config_props = config_input,
 313     },
 314     { NULL }
 315 };
 316
 317 static const AVFilterPad owdenoise_outputs[] = {
 318     {
 319         .name = "default",
 320         .type = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 321     },
 322     { NULL }
 323 };
 324
 325 AVFilter ff_vf_owdenoise = {
 326     .name          = "owdenoise",
 327     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Denoise using wavelets."),
 328     .priv_size     = sizeof(OWDenoiseContext),
 329     .uninit        = uninit,
 330     .query_formats = query_formats,
 331     .inputs        = owdenoise_inputs,
 332     .outputs       = owdenoise_outputs,
 333     .priv_class    = &owdenoise_class,
 334     .flags         = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_GENERIC,
 335 };