]> git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavfilter/vf_palettegen.c
Merge commit 'f3e045263e445c4ab54d85ecae359494cd96a3e2'
[ffmpeg] / libavfilter / vf_palettegen.c
1 /*
2  * This file is part of FFmpeg.
3  *
4  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
5  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
6  * License as published by the Free Software Foundation; either
7  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
8  *
9  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
10  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
11  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
12  * Lesser General Public License for more details.
13  *
14  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
15  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
16  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
17  */
18
19 /**
20  * @file
21  * Generate one palette for a whole video stream.
22  */
23
24 #include "libavutil/avassert.h"
25 #include "libavutil/opt.h"
26 #include "avfilter.h"
27 #include "internal.h"
28
29 /* Reference a color and how much it's used */
30 struct color_ref {
31     uint32_t color;
32     uint64_t count;
33 };
34
35 /* Store a range of colors */
36 struct range_box {
37     uint32_t color;     // average color
38     int64_t variance;   // overall variance of the box (how much the colors are spread)
39     int start;          // index in PaletteGenContext->refs
40     int len;            // number of referenced colors
41     int sorted_by;      // whether range of colors is sorted by red (0), green (1) or blue (2)
42 };
43
44 struct hist_node {
45     struct color_ref *entries;
46     int nb_entries;
47 };
48
49 enum {
50     STATS_MODE_ALL_FRAMES,
51     STATS_MODE_DIFF_FRAMES,
52     NB_STATS_MODE
53 };
54
55 #define NBITS 4
56 #define HIST_SIZE (1<<(3*NBITS))
57
58 typedef struct {
59     const AVClass *class;
60
61     int max_colors;
62     int reserve_transparent;
63     int stats_mode;
64
65     AVFrame *prev_frame;                    // previous frame used for the diff stats_mode
66     struct hist_node histogram[HIST_SIZE];  // histogram/hashtable of the colors
67     struct color_ref **refs;                // references of all the colors used in the stream
68     int nb_refs;                            // number of color references (or number of different colors)
69     struct range_box boxes[256];            // define the segmentation of the colorspace (the final palette)
70     int nb_boxes;                           // number of boxes (increase will segmenting them)
71     int palette_pushed;                     // if the palette frame is pushed into the outlink or not
72 } PaletteGenContext;
73
74 #define OFFSET(x) offsetof(PaletteGenContext, x)
75 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
76 static const AVOption palettegen_options[] = {
77     { "max_colors", "set the maximum number of colors to use in the palette", OFFSET(max_colors), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=256}, 4, 256, FLAGS },
78     { "reserve_transparent", "reserve a palette entry for transparency", OFFSET(reserve_transparent), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=1}, 0, 1, FLAGS },
79     { "stats_mode", "set statistics mode", OFFSET(stats_mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=STATS_MODE_ALL_FRAMES}, 0, NB_STATS_MODE, FLAGS, "mode" },
80         { "full", "compute full frame histograms", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=STATS_MODE_ALL_FRAMES}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "mode" },
81         { "diff", "compute histograms only for the part that differs from previous frame", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=STATS_MODE_DIFF_FRAMES}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "mode" },
82     { NULL }
83 };
84
85 AVFILTER_DEFINE_CLASS(palettegen);
86
87 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
88 {
89     static const enum AVPixelFormat in_fmts[]  = {AV_PIX_FMT_RGB32, AV_PIX_FMT_NONE};
90     static const enum AVPixelFormat out_fmts[] = {AV_PIX_FMT_RGB32, AV_PIX_FMT_NONE};
91     AVFilterFormats *in  = ff_make_format_list(in_fmts);
92     AVFilterFormats *out = ff_make_format_list(out_fmts);
93     if (!in || !out)
94         return AVERROR(ENOMEM);
95     ff_formats_ref(in,  &ctx->inputs[0]->out_formats);
96     ff_formats_ref(out, &ctx->outputs[0]->in_formats);
97     return 0;
98 }
99
100 typedef int (*cmp_func)(const void *, const void *);
101
102 #define DECLARE_CMP_FUNC(name, pos)                     \
103 static int cmp_##name(const void *pa, const void *pb)   \
104 {                                                       \
105     const struct color_ref * const *a = pa;             \
106     const struct color_ref * const *b = pb;             \
107     return   ((*a)->color >> (8 * (2 - (pos))) & 0xff)  \
108            - ((*b)->color >> (8 * (2 - (pos))) & 0xff); \
109 }
110
111 DECLARE_CMP_FUNC(r, 0)
112 DECLARE_CMP_FUNC(g, 1)
113 DECLARE_CMP_FUNC(b, 2)
114
115 static const cmp_func cmp_funcs[] = {cmp_r, cmp_g, cmp_b};
116
117 /**
118  * Simple color comparison for sorting the final palette
119  */
120 static int cmp_color(const void *a, const void *b)
121 {
122     const struct range_box *box1 = a;
123     const struct range_box *box2 = b;
124     return box1->color - box2->color;
125 }
126
127 static av_always_inline int diff(const uint32_t a, const uint32_t b)
128 {
129     const uint8_t c1[] = {a >> 16 & 0xff, a >> 8 & 0xff, a & 0xff};
130     const uint8_t c2[] = {b >> 16 & 0xff, b >> 8 & 0xff, b & 0xff};
131     const int dr = c1[0] - c2[0];
132     const int dg = c1[1] - c2[1];
133     const int db = c1[2] - c2[2];
134     return dr*dr + dg*dg + db*db;
135 }
136
137 /**
138  * Find the next box to split: pick the one with the highest variance
139  */
140 static int get_next_box_id_to_split(PaletteGenContext *s)
141 {
142     int box_id, i, best_box_id = -1;
143     int64_t max_variance = -1;
144
145     if (s->nb_boxes == s->max_colors - s->reserve_transparent)
146         return -1;
147
148     for (box_id = 0; box_id < s->nb_boxes; box_id++) {
149         struct range_box *box = &s->boxes[box_id];
150
151         if (s->boxes[box_id].len >= 2) {
152
153             if (box->variance == -1) {
154                 int64_t variance = 0;
155
156                 for (i = 0; i < box->len; i++) {
157                     const struct color_ref *ref = s->refs[box->start + i];
158                     variance += diff(ref->color, box->color) * ref->count;
159                 }
160                 box->variance = variance;
161             }
162             if (box->variance > max_variance) {
163                 best_box_id = box_id;
164                 max_variance = box->variance;
165             }
166         } else {
167             box->variance = -1;
168         }
169     }
170     return best_box_id;
171 }
172
173 /**
174  * Get the 32-bit average color for the range of RGB colors enclosed in the
175  * specified box. Takes into account the weight of each color.
176  */
177 static uint32_t get_avg_color(struct color_ref * const *refs,
178                               const struct range_box *box)
179 {
180     int i;
181     const int n = box->len;
182     uint64_t r = 0, g = 0, b = 0, div = 0;
183
184     for (i = 0; i < n; i++) {
185         const struct color_ref *ref = refs[box->start + i];
186         r += (ref->color >> 16 & 0xff) * ref->count;
187         g += (ref->color >>  8 & 0xff) * ref->count;
188         b += (ref->color       & 0xff) * ref->count;
189         div += ref->count;
190     }
191
192     r = r / div;
193     g = g / div;
194     b = b / div;
195
196     return 0xffU<<24 | r<<16 | g<<8 | b;
197 }
198
199 /**
200  * Split given box in two at position n. The original box becomes the left part
201  * of the split, and the new index box is the right part.
202  */
203 static void split_box(PaletteGenContext *s, struct range_box *box, int n)
204 {
205     struct range_box *new_box = &s->boxes[s->nb_boxes++];
206     new_box->start     = n + 1;
207     new_box->len       = box->start + box->len - new_box->start;
208     new_box->sorted_by = box->sorted_by;
209     box->len -= new_box->len;
210
211     av_assert0(box->len     >= 1);
212     av_assert0(new_box->len >= 1);
213
214     box->color     = get_avg_color(s->refs, box);
215     new_box->color = get_avg_color(s->refs, new_box);
216     box->variance     = -1;
217     new_box->variance = -1;
218 }
219
220 /**
221  * Write the palette into the output frame.
222  */
223 static void write_palette(const PaletteGenContext *s, AVFrame *out)
224 {
225     int x, y, box_id = 0;
226     uint32_t *pal = (uint32_t *)out->data[0];
227     const int pal_linesize = out->linesize[0] >> 2;
228     uint32_t last_color = 0;
229
230     for (y = 0; y < out->height; y++) {
231         for (x = 0; x < out->width; x++) {
232             if (box_id < s->nb_boxes) {
233                 pal[x] = s->boxes[box_id++].color;
234                 if ((x || y) && pal[x] == last_color)
235                     av_log(NULL, AV_LOG_WARNING, "Dupped color: %08X\n", pal[x]);
236                 last_color = pal[x];
237             } else {
238                 pal[x] = 0xff000000; // pad with black
239             }
240         }
241         pal += pal_linesize;
242     }
243
244     if (s->reserve_transparent) {
245         av_assert0(s->nb_boxes < 256);
246         pal[out->width - pal_linesize - 1] = 0x0000ff00; // add a green transparent color
247     }
248 }
249
250 /**
251  * Crawl the histogram to get all the defined colors, and create a linear list
252  * of them (each color reference entry is a pointer to the value in the
253  * histogram/hash table).
254  */
255 static struct color_ref **load_color_refs(const struct hist_node *hist, int nb_refs)
256 {
257     int i, j, k = 0;
258     struct color_ref **refs = av_malloc_array(nb_refs, sizeof(*refs));
259
260     if (!refs)
261         return NULL;
262
263     for (j = 0; j < HIST_SIZE; j++) {
264         const struct hist_node *node = &hist[j];
265
266         for (i = 0; i < node->nb_entries; i++)
267             refs[k++] = &node->entries[i];
268     }
269
270     return refs;
271 }
272
273 /**
274  * Main function implementing the Median Cut Algorithm defined by Paul Heckbert
275  * in Color Image Quantization for Frame Buffer Display (1982)
276  */
277 static AVFrame *get_palette_frame(AVFilterContext *ctx)
278 {
279     AVFrame *out;
280     PaletteGenContext *s = ctx->priv;
281     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
282     int box_id = 0;
283     int longest = 0;
284     struct range_box *box;
285
286     /* reference only the used colors from histogram */
287     s->refs = load_color_refs(s->histogram, s->nb_refs);
288     if (!s->refs) {
289         av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Unable to allocate references for %d different colors\n", s->nb_refs);
290         return NULL;
291     }
292
293     /* create the palette frame */
294     out = ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
295     if (!out)
296         return NULL;
297     out->pts = 0;
298
299     /* set first box for 0..nb_refs */
300     box = &s->boxes[box_id];
301     box->len = s->nb_refs;
302     box->sorted_by = -1;
303     box->color = get_avg_color(s->refs, box);
304     box->variance = -1;
305     s->nb_boxes = 1;
306
307     while (box && box->len > 1) {
308         int i, rr, gr, br;
309         uint64_t median, box_weight = 0;
310
311         /* compute the box weight (sum all the weights of the colors in the
312          * range) and its boundings */
313         uint8_t min[3] = {0xff, 0xff, 0xff};
314         uint8_t max[3] = {0x00, 0x00, 0x00};
315         for (i = box->start; i < box->start + box->len; i++) {
316             const struct color_ref *ref = s->refs[i];
317             const uint32_t rgb = ref->color;
318             const uint8_t r = rgb >> 16 & 0xff, g = rgb >> 8 & 0xff, b = rgb & 0xff;
319             min[0] = FFMIN(r, min[0]), max[0] = FFMAX(r, max[0]);
320             min[1] = FFMIN(g, min[1]), max[1] = FFMAX(g, max[1]);
321             min[2] = FFMIN(b, min[2]), max[2] = FFMAX(b, max[2]);
322             box_weight += ref->count;
323         }
324
325         /* define the axis to sort by according to the widest range of colors */
326         rr = max[0] - min[0];
327         gr = max[1] - min[1];
328         br = max[2] - min[2];
329         longest = 1; // pick green by default (the color the eye is the most sensitive to)
330         if (br >= rr && br >= gr) longest = 2;
331         if (rr >= gr && rr >= br) longest = 0;
332         if (gr >= rr && gr >= br) longest = 1; // prefer green again
333
334         av_dlog(ctx, "box #%02X [%6d..%-6d] (%6d) w:%-6"PRIu64" ranges:[%2x %2x %2x] sort by %c (already sorted:%c) ",
335                 box_id, box->start, box->start + box->len - 1, box->len, box_weight,
336                 rr, gr, br, "rgb"[longest], box->sorted_by == longest ? 'y':'n');
337
338         /* sort the range by its longest axis if it's not already sorted */
339         if (box->sorted_by != longest) {
340             qsort(&s->refs[box->start], box->len, sizeof(*s->refs), cmp_funcs[longest]);
341             box->sorted_by = longest;
342         }
343
344         /* locate the median where to split */
345         median = (box_weight + 1) >> 1;
346         box_weight = 0;
347         /* if you have 2 boxes, the maximum is actually #0: you must have at
348          * least 1 color on each side of the split, hence the -2 */
349         for (i = box->start; i < box->start + box->len - 2; i++) {
350             box_weight += s->refs[i]->count;
351             if (box_weight > median)
352                 break;
353         }
354         av_dlog(ctx, "split @ i=%-6d with w=%-6"PRIu64" (target=%6"PRIu64")\n", i, box_weight, median);
355         split_box(s, box, i);
356
357         box_id = get_next_box_id_to_split(s);
358         box = box_id >= 0 ? &s->boxes[box_id] : NULL;
359     }
360
361     av_log(ctx, AV_LOG_DEBUG, "%d%s boxes generated out of %d colors\n",
362            s->nb_boxes, s->reserve_transparent ? "(+1)" : "", s->nb_refs);
363
364     qsort(s->boxes, s->nb_boxes, sizeof(*s->boxes), cmp_color);
365
366     write_palette(s, out);
367
368     return out;
369 }
370
371 /**
372  * Hashing function for the color.
373  * It keeps the NBITS least significant bit of each component to make it
374  * "random" even if the scene doesn't have much different colors.
375  */
376 static inline unsigned color_hash(uint32_t color)
377 {
378     const uint8_t r = color >> 16 & ((1<<NBITS)-1);
379     const uint8_t g = color >>  8 & ((1<<NBITS)-1);
380     const uint8_t b = color       & ((1<<NBITS)-1);
381     return r<<(NBITS*2) | g<<NBITS | b;
382 }
383
384 /**
385  * Locate the color in the hash table and increment its counter.
386  */
387 static int color_inc(struct hist_node *hist, uint32_t color)
388 {
389     int i;
390     const unsigned hash = color_hash(color);
391     struct hist_node *node = &hist[hash];
392     struct color_ref *e;
393
394     for (i = 0; i < node->nb_entries; i++) {
395         e = &node->entries[i];
396         if (e->color == color) {
397             e->count++;
398             return 0;
399         }
400     }
401
402     e = av_dynarray2_add((void**)&node->entries, &node->nb_entries,
403                          sizeof(*node->entries), NULL);
404     if (!e)
405         return AVERROR(ENOMEM);
406     e->color = color;
407     e->count = 1;
408     return 1;
409 }
410
411 /**
412  * Update histogram when pixels differ from previous frame.
413  */
414 static int update_histogram_diff(struct hist_node *hist,
415                                  const AVFrame *f1, const AVFrame *f2)
416 {
417     int x, y, ret, nb_diff_colors = 0;
418
419     for (y = 0; y < f1->height; y++) {
420         const uint32_t *p = (const uint32_t *)(f1->data[0] + y*f1->linesize[0]);
421         const uint32_t *q = (const uint32_t *)(f2->data[0] + y*f2->linesize[0]);
422
423         for (x = 0; x < f2->width; x++) {
424             if (p[x] == q[x])
425                 continue;
426             ret = color_inc(hist, p[x]);
427             if (ret < 0)
428                 return ret;
429             nb_diff_colors += ret;
430         }
431     }
432     return nb_diff_colors;
433 }
434
435 /**
436  * Simple histogram of the frame.
437  */
438 static int update_histogram_frame(struct hist_node *hist, const AVFrame *f)
439 {
440     int x, y, ret, nb_diff_colors = 0;
441
442     for (y = 0; y < f->height; y++) {
443         const uint32_t *p = (const uint32_t *)(f->data[0] + y*f->linesize[0]);
444
445         for (x = 0; x < f->width; x++) {
446             ret = color_inc(hist, p[x]);
447             if (ret < 0)
448                 return ret;
449             nb_diff_colors += ret;
450         }
451     }
452     return nb_diff_colors;
453 }
454
455 /**
456  * Update the histogram for each passing frame. No frame will be pushed here.
457  */
458 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
459 {
460     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
461     PaletteGenContext *s = ctx->priv;
462     const int ret = s->prev_frame ? update_histogram_diff(s->histogram, s->prev_frame, in)
463                                   : update_histogram_frame(s->histogram, in);
464
465     if (ret > 0)
466         s->nb_refs += ret;
467
468     if (s->stats_mode == STATS_MODE_DIFF_FRAMES) {
469         av_frame_free(&s->prev_frame);
470         s->prev_frame = in;
471     } else {
472         av_frame_free(&in);
473     }
474
475     return ret;
476 }
477
478 /**
479  * Returns only one frame at the end containing the full palette.
480  */
481 static int request_frame(AVFilterLink *outlink)
482 {
483     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
484     AVFilterLink *inlink = ctx->inputs[0];
485     PaletteGenContext *s = ctx->priv;
486     int r;
487
488     r = ff_request_frame(inlink);
489     if (r == AVERROR_EOF && !s->palette_pushed) {
490         r = ff_filter_frame(outlink, get_palette_frame(ctx));
491         s->palette_pushed = 1;
492         return r;
493     }
494     return r;
495 }
496
497 /**
498  * The output is one simple 16x16 squared-pixels palette.
499  */
500 static int config_output(AVFilterLink *outlink)
501 {
502     outlink->w = outlink->h = 16;
503     outlink->sample_aspect_ratio = av_make_q(1, 1);
504     outlink->flags |= FF_LINK_FLAG_REQUEST_LOOP;
505     return 0;
506 }
507
508 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
509 {
510     int i;
511     PaletteGenContext *s = ctx->priv;
512
513     for (i = 0; i < HIST_SIZE; i++)
514         av_freep(&s->histogram[i].entries);
515     av_freep(&s->refs);
516     av_freep(&s->prev_frame);
517 }
518
519 static const AVFilterPad palettegen_inputs[] = {
520     {
521         .name         = "default",
522         .type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
523         .filter_frame = filter_frame,
524     },
525     { NULL }
526 };
527
528 static const AVFilterPad palettegen_outputs[] = {
529     {
530         .name          = "default",
531         .type          = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
532         .config_props  = config_output,
533         .request_frame = request_frame,
534     },
535     { NULL }
536 };
537
538 AVFilter ff_vf_palettegen = {
539     .name          = "palettegen",
540     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Find the optimal palette for a given stream."),
541     .priv_size     = sizeof(PaletteGenContext),
542     .uninit        = uninit,
543     .query_formats = query_formats,
544     .inputs        = palettegen_inputs,
545     .outputs       = palettegen_outputs,
546     .priv_class    = &palettegen_class,
547 };