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

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2020 Paul B Mahol
   3  *
   4  * This file is part of FFmpeg.
   5  *
   6  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
   7  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   8  * License as published by the Free Software Foundation; either
   9  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  10  *
  11  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  14  * Lesser General Public License for more details.
  15  *
  16  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  17  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  18  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  19  */
  20
  21 #include "libavutil/imgutils.h"
  22 #include "libavutil/pixdesc.h"
  23 #include "libavutil/opt.h"
  24 #include "avfilter.h"
  25 #include "formats.h"
  26 #include "internal.h"
  27 #include "video.h"
  28
  29 typedef struct TMidEqualizerContext {
  30     const AVClass *class;
  31
  32     int planes;
  33     int radius;
  34     float sigma;
  35
  36     int plane_width[4], plane_height[4];
  37     int nb_frames;
  38     int depth;
  39     int f_frames;
  40     int l_frames;
  41     int del_frame;
  42     int cur_frame;
  43     int nb_planes;
  44     int histogram_size;
  45     float  kernel[127];
  46     float *histogram[4][256];
  47     float *change[4];
  48
  49     AVFrame **frames;
  50
  51     void (*compute_histogram)(const uint8_t *ssrc, ptrdiff_t linesize,
  52                               int w, int h, float *histogram, size_t hsize);
  53     void (*apply_contrast_change)(const uint8_t *src, ptrdiff_t src_linesize,
  54                                   uint8_t *dst, ptrdiff_t dst_linesize,
  55                                   int w, int h, float *change, float *orig);
  56 } TMidEqualizerContext;
  57
  58 #define OFFSET(x) offsetof(TMidEqualizerContext, x)
  59 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
  60
  61 static const AVOption tmidequalizer_options[] = {
  62     { "radius", "set radius", OFFSET(radius), AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=5},   1, 127, FLAGS },
  63     { "sigma",  "set sigma",  OFFSET(sigma),  AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=0.5}, 0,   1, FLAGS },
  64     { "planes", "set planes", OFFSET(planes), AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=0xF}, 0, 0xF, FLAGS },
  65     { NULL }
  66 };
  67
  68 AVFILTER_DEFINE_CLASS(tmidequalizer);
  69
  70 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
  71 {
  72     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {
  73         AV_PIX_FMT_YUVA444P, AV_PIX_FMT_YUV444P, AV_PIX_FMT_YUV440P,
  74         AV_PIX_FMT_YUVJ444P, AV_PIX_FMT_YUVJ440P,
  75         AV_PIX_FMT_YUVA422P, AV_PIX_FMT_YUV422P, AV_PIX_FMT_YUVA420P, AV_PIX_FMT_YUV420P,
  76         AV_PIX_FMT_YUVJ422P, AV_PIX_FMT_YUVJ420P,
  77         AV_PIX_FMT_YUVJ411P, AV_PIX_FMT_YUV411P, AV_PIX_FMT_YUV410P,
  78         AV_PIX_FMT_GBRP, AV_PIX_FMT_GBRAP,
  79         AV_PIX_FMT_GRAY8, AV_PIX_FMT_GRAY9, AV_PIX_FMT_GRAY10, AV_PIX_FMT_GRAY12, AV_PIX_FMT_GRAY14,
  80         AV_PIX_FMT_YUV420P9, AV_PIX_FMT_YUV422P9, AV_PIX_FMT_YUV444P9,
  81         AV_PIX_FMT_YUV420P10, AV_PIX_FMT_YUV422P10, AV_PIX_FMT_YUV444P10,
  82         AV_PIX_FMT_YUV420P12, AV_PIX_FMT_YUV422P12, AV_PIX_FMT_YUV444P12,
  83         AV_PIX_FMT_YUV420P14, AV_PIX_FMT_YUV422P14, AV_PIX_FMT_YUV444P14,
  84         AV_PIX_FMT_GBRP9, AV_PIX_FMT_GBRP10, AV_PIX_FMT_GBRP12, AV_PIX_FMT_GBRP14,
  85         AV_PIX_FMT_YUVA420P9, AV_PIX_FMT_YUVA422P9, AV_PIX_FMT_YUVA444P9,
  86         AV_PIX_FMT_YUVA420P10, AV_PIX_FMT_YUVA422P10, AV_PIX_FMT_YUVA444P10,
  87         AV_PIX_FMT_YUVA422P12, AV_PIX_FMT_YUVA444P12,
  88         AV_PIX_FMT_GBRAP10, AV_PIX_FMT_GBRAP12,
  89         AV_PIX_FMT_YUV420P16,  AV_PIX_FMT_YUV422P16,  AV_PIX_FMT_YUV444P16,
  90         AV_PIX_FMT_YUVA420P16, AV_PIX_FMT_YUVA422P16, AV_PIX_FMT_YUVA444P16,
  91         AV_PIX_FMT_GBRP16, AV_PIX_FMT_GBRAP16,
  92         AV_PIX_FMT_GRAY16,
  93         AV_PIX_FMT_NONE
  94     };
  95
  96     return ff_set_common_formats(ctx, ff_make_format_list(pix_fmts));
  97 }
  98
  99 static void compute_contrast_function(const float *const histograms[256],
 100                                       const float *const kernel,
 101                                       int nb_frames, int radius, int hsize,
 102                                       float *f, int idx)
 103 {
 104     const float *const h1 = histograms[idx];
 105     int p2[256] = { 0 };
 106
 107     for (int p1 = 0; p1 < hsize; p1++) {
 108         float weight = 1.f;
 109         float sum = p1 * weight;
 110
 111         for (int j = 0; j < radius; j++) {
 112             const int nidx = ((idx - radius + j) % nb_frames);
 113             const float *const h2 = histograms[nidx < 0 ? nidx + nb_frames: nidx];
 114             int k = j;
 115
 116             for (; p2[k] < hsize && h2[p2[k]] < h1[p1]; p2[k]++);
 117             if (p2[k] == hsize)
 118                 p2[k]--;
 119
 120             weight += kernel[j];
 121             sum += kernel[j] * p2[k];
 122         }
 123
 124         for (int j = radius + 1; j < nb_frames; j++) {
 125             const int nidx = (idx - radius + j) % nb_frames;
 126             const float *const h2 = histograms[nidx < 0 ? nidx + nb_frames: nidx];
 127             int k = j;
 128
 129             for (; p2[k] < hsize && h2[p2[k]] < h1[p1]; p2[k]++);
 130             if (p2[k] == hsize)
 131                 p2[k]--;
 132
 133             weight += kernel[j - radius - 1];
 134             sum += kernel[j - radius - 1] * p2[k];
 135         }
 136
 137         f[p1] = sum / weight;
 138     }
 139 }
 140
 141 static void apply_contrast_change8(const uint8_t *src, ptrdiff_t src_linesize,
 142                                    uint8_t *dst, ptrdiff_t dst_linesize,
 143                                    int w, int h, float *change, float *orig)
 144 {
 145     for (int y = 0; y < h; y++) {
 146         for (int x = 0; x < w; x++)
 147             dst[x] = lrintf(change[src[x]]);
 148
 149         dst += dst_linesize;
 150         src += src_linesize;
 151     }
 152 }
 153
 154 static void apply_contrast_change16(const uint8_t *ssrc, ptrdiff_t src_linesize,
 155                                     uint8_t *ddst, ptrdiff_t dst_linesize,
 156                                     int w, int h, float *change, float *orig)
 157 {
 158     const uint16_t *src = (const uint16_t *)ssrc;
 159     uint16_t *dst = (uint16_t *)ddst;
 160
 161     for (int y = 0; y < h; y++) {
 162         for (int x = 0; x < w; x++)
 163             dst[x] = lrintf(change[src[x]]);
 164
 165         dst += dst_linesize / 2;
 166         src += src_linesize / 2;
 167     }
 168 }
 169
 170 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
 171 {
 172     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 173     TMidEqualizerContext *s = ctx->priv;
 174     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 175     AVFrame *out;
 176     int eof = 0;
 177
 178     if (!in) {
 179         int idx = s->f_frames < s->nb_frames ? s->radius : s->del_frame ? s->del_frame - 1 : s->nb_frames - 1;
 180
 181         if (s->f_frames < s->nb_frames) {
 182             s->l_frames = s->nb_frames - s->f_frames;
 183         } else {
 184             s->l_frames++;
 185         }
 186         in = av_frame_clone(s->frames[idx]);
 187         if (!in)
 188             return AVERROR(ENOMEM);
 189         eof = 1;
 190     }
 191
 192     if (s->f_frames < s->nb_frames) {
 193         s->frames[s->f_frames] = in;
 194
 195         for (int p = 0; p < s->nb_planes; p++) {
 196             s->compute_histogram(in->data[p], in->linesize[p],
 197                                  s->plane_width[p], s->plane_height[p],
 198                                  s->histogram[p][s->f_frames],
 199                                  s->histogram_size);
 200         }
 201
 202         s->f_frames++;
 203
 204         while (s->f_frames <= s->radius) {
 205             s->frames[s->f_frames] = av_frame_clone(in);
 206             if (!s->frames[s->f_frames])
 207                 return AVERROR(ENOMEM);
 208             for (int p = 0; p < s->nb_planes; p++) {
 209                 memcpy(s->histogram[p][s->f_frames],
 210                        s->histogram[p][s->f_frames - 1],
 211                        s->histogram_size * sizeof(float));
 212             }
 213             s->f_frames++;
 214         }
 215
 216         if (!eof && s->f_frames < s->nb_frames) {
 217             return 0;
 218         } else {
 219             while (s->f_frames < s->nb_frames) {
 220                 s->frames[s->f_frames] = av_frame_clone(in);
 221                 if (!s->frames[s->f_frames])
 222                     return AVERROR(ENOMEM);
 223                 for (int p = 0; p < s->nb_planes; p++) {
 224                     memcpy(s->histogram[p][s->f_frames],
 225                            s->histogram[p][s->f_frames - 1],
 226                            s->histogram_size * sizeof(float));
 227                 }
 228                 s->f_frames++;
 229             }
 230         }
 231         s->cur_frame = s->radius;
 232         s->del_frame = 0;
 233     } else {
 234         av_frame_free(&s->frames[s->del_frame]);
 235         s->frames[s->del_frame] = in;
 236
 237         for (int p = 0; p < s->nb_planes; p++) {
 238             s->compute_histogram(in->data[p], in->linesize[p],
 239                                  s->plane_width[p], s->plane_height[p],
 240                                  s->histogram[p][s->del_frame],
 241                                  s->histogram_size);
 242         }
 243
 244         s->del_frame++;
 245         if (s->del_frame >= s->nb_frames)
 246             s->del_frame = 0;
 247     }
 248
 249     if (ctx->is_disabled) {
 250         const int idx = s->cur_frame;
 251
 252         out = av_frame_clone(s->frames[idx]);
 253         if (!out)
 254             return AVERROR(ENOMEM);
 255     } else {
 256         const int idx = s->cur_frame;
 257
 258         in = s->frames[idx];
 259         out = ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
 260         if (!out)
 261             return AVERROR(ENOMEM);
 262         av_frame_copy_props(out, in);
 263
 264         for (int p = 0; p < s->nb_planes; p++) {
 265             if (!((1 << p) & s->planes)) {
 266                 av_image_copy_plane(out->data[p], out->linesize[p], in->data[p], in->linesize[p],
 267                                     s->plane_width[p] * (1 + (s->depth > 8)), s->plane_height[p]);
 268                 continue;
 269             }
 270
 271             compute_contrast_function((const float *const *)s->histogram[p], s->kernel,
 272                                       s->nb_frames, s->radius, s->histogram_size, s->change[p], idx);
 273
 274             s->apply_contrast_change(in->data[p], in->linesize[p],
 275                                      out->data[p], out->linesize[p],
 276                                      s->plane_width[p], s->plane_height[p],
 277                                      s->change[p], s->histogram[p][idx]);
 278         }
 279     }
 280
 281     s->cur_frame++;
 282     if (s->cur_frame >= s->nb_frames)
 283         s->cur_frame = 0;
 284
 285     return ff_filter_frame(outlink, out);
 286 }
 287
 288 static void compute_histogram8(const uint8_t *src, ptrdiff_t linesize,
 289                                int w, int h, float *histogram, size_t hsize)
 290 {
 291     memset(histogram, 0, hsize * sizeof(*histogram));
 292
 293     for (int y = 0; y < h; y++) {
 294         for (int x = 0; x < w; x++)
 295             histogram[src[x]] += 1;
 296         src += linesize;
 297     }
 298
 299     for (int x = 0; x < hsize; x++)
 300         histogram[x] /= hsize;
 301
 302     for (int x = 1; x < hsize; x++)
 303         histogram[x] += histogram[x-1];
 304 }
 305
 306 static void compute_histogram16(const uint8_t *ssrc, ptrdiff_t linesize,
 307                                 int w, int h, float *histogram, size_t hsize)
 308 {
 309     const uint16_t *src = (const uint16_t *)ssrc;
 310
 311     memset(histogram, 0, hsize * sizeof(*histogram));
 312
 313     for (int y = 0; y < h; y++) {
 314         for (int x = 0; x < w; x++)
 315             histogram[src[x]] += 1;
 316         src += linesize / 2;
 317     }
 318
 319     for (int x = 0; x < hsize; x++)
 320         histogram[x] /= hsize;
 321
 322     for (int x = 1; x < hsize; x++)
 323         histogram[x] += histogram[x-1];
 324 }
 325
 326 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
 327 {
 328     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 329     TMidEqualizerContext *s = ctx->priv;
 330     const AVPixFmtDescriptor *desc = av_pix_fmt_desc_get(inlink->format);
 331     float sigma = s->radius * s->sigma;
 332     int vsub, hsub;
 333
 334     s->depth = desc->comp[0].depth;
 335     s->nb_frames = s->radius * 2 + 1;
 336     s->nb_planes = av_pix_fmt_count_planes(inlink->format);
 337
 338     hsub = desc->log2_chroma_w;
 339     vsub = desc->log2_chroma_h;
 340
 341     s->plane_height[0] = s->plane_height[3] = inlink->h;
 342     s->plane_width[0]  = s->plane_width[3]  = inlink->w;
 343     s->plane_height[1] = s->plane_height[2] = AV_CEIL_RSHIFT(inlink->h, vsub);
 344     s->plane_width[1]  = s->plane_width[2]  = AV_CEIL_RSHIFT(inlink->w, hsub);
 345
 346     s->histogram_size = 1 << s->depth;
 347
 348     for (int n = 0; n < s->radius; n++)
 349         s->kernel[n] = expf(-0.5 * (n + 1) * (n + 1) / (sigma * sigma));
 350
 351     for (int p = 0; p < s->nb_planes; p++) {
 352         for (int n = 0; n < s->nb_frames; n++) {
 353             s->histogram[p][n] = av_calloc(s->histogram_size, sizeof(float));
 354             if (!s->histogram[p][n])
 355                 return AVERROR(ENOMEM);
 356         }
 357
 358         s->change[p] = av_calloc(s->histogram_size, sizeof(float));
 359         if (!s->change[p])
 360             return AVERROR(ENOMEM);
 361     }
 362
 363     if (!s->frames)
 364         s->frames = av_calloc(s->nb_frames, sizeof(*s->frames));
 365     if (!s->frames)
 366         return AVERROR(ENOMEM);
 367
 368     s->compute_histogram = s->depth <= 8 ? compute_histogram8 : compute_histogram16;
 369     s->apply_contrast_change = s->depth <= 8 ? apply_contrast_change8 : apply_contrast_change16;
 370
 371     return 0;
 372 }
 373
 374 static int request_frame(AVFilterLink *outlink)
 375 {
 376     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
 377     TMidEqualizerContext *s = ctx->priv;
 378     int ret;
 379
 380     ret = ff_request_frame(ctx->inputs[0]);
 381     if (ret == AVERROR_EOF && s->l_frames < s->radius) {
 382         ret = filter_frame(ctx->inputs[0], NULL);
 383     }
 384
 385     return ret;
 386 }
 387
 388 static void free_histograms(AVFilterContext *ctx, int x, int nb_frames)
 389 {
 390     TMidEqualizerContext *s = ctx->priv;
 391
 392     for (int n = 0; n < nb_frames; n++)
 393         av_freep(&s->histogram[x][n]);
 394     av_freep(&s->change[x]);
 395 }
 396
 397 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 398 {
 399     TMidEqualizerContext *s = ctx->priv;
 400
 401     free_histograms(ctx, 0, s->nb_frames);
 402     free_histograms(ctx, 1, s->nb_frames);
 403     free_histograms(ctx, 2, s->nb_frames);
 404     free_histograms(ctx, 3, s->nb_frames);
 405
 406     for (int i = 0; i < s->nb_frames && s->frames; i++)
 407         av_frame_free(&s->frames[i]);
 408     av_freep(&s->frames);
 409 }
 410
 411 static const AVFilterPad tmidequalizer_inputs[] = {
 412     {
 413         .name         = "default",
 414         .type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 415         .config_props = config_input,
 416         .filter_frame = filter_frame,
 417     },
 418     { NULL }
 419 };
 420
 421 static const AVFilterPad tmidequalizer_outputs[] = {
 422     {
 423         .name          = "default",
 424         .type          = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 425         .request_frame = request_frame,
 426     },
 427     { NULL }
 428 };
 429
 430 const AVFilter ff_vf_tmidequalizer = {
 431     .name          = "tmidequalizer",
 432     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Apply Temporal Midway Equalization."),
 433     .priv_size     = sizeof(TMidEqualizerContext),
 434     .uninit        = uninit,
 435     .query_formats = query_formats,
 436     .inputs        = tmidequalizer_inputs,
 437     .outputs       = tmidequalizer_outputs,
 438     .priv_class    = &tmidequalizer_class,
 439     .flags         = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_INTERNAL,
 440 };