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

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2011 Michael Niedermayer
   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  * The vsrc_color filter from Stefano Sabatini was used as template to create
  21  * this
  22  */
  23
  24 /**
  25  * @file
  26  * Mandelbrot fraktal renderer
  27  */
  28
  29 #include "avfilter.h"
  30 #include "formats.h"
  31 #include "video.h"
  32 #include "internal.h"
  33 #include "libavutil/imgutils.h"
  34 #include "libavutil/opt.h"
  35 #include "libavutil/parseutils.h"
  36 #include <float.h>
  37 #include <math.h>
  38
  39 #define SQR(a) ((a)*(a))
  40
  41 enum Outer{
  42     ITERATION_COUNT,
  43     NORMALIZED_ITERATION_COUNT,
  44 };
  45
  46 enum Inner{
  47     BLACK,
  48     PERIOD,
  49     CONVTIME,
  50     MINCOL,
  51 };
  52
  53 typedef struct Point {
  54     double p[2];
  55     uint32_t val;
  56 } Point;
  57
  58 typedef struct {
  59     const AVClass *class;
  60     int w, h;
  61     AVRational time_base;
  62     uint64_t pts;
  63     char *rate;
  64     int maxiter;
  65     double start_x;
  66     double start_y;
  67     double start_scale;
  68     double end_scale;
  69     double end_pts;
  70     double bailout;
  71     enum Outer outer;
  72     enum Inner inner;
  73     int cache_allocated;
  74     int cache_used;
  75     Point *point_cache;
  76     Point *next_cache;
  77     double (*zyklus)[2];
  78     uint32_t dither;
  79 } MBContext;
  80
  81 #define OFFSET(x) offsetof(MBContext, x)
  82 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM
  83
  84 static const AVOption mandelbrot_options[] = {
  85     {"size",        "set frame size",                OFFSET(w),       AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str="640x480"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX, FLAGS },
  86     {"s",           "set frame size",                OFFSET(w),       AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str="640x480"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX, FLAGS },
  87     {"rate",        "set frame rate",                OFFSET(rate),    AV_OPT_TYPE_STRING,     {.str="25"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX, FLAGS },
  88     {"r",           "set frame rate",                OFFSET(rate),    AV_OPT_TYPE_STRING,     {.str="25"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX, FLAGS },
  89     {"maxiter",     "set max iterations number",     OFFSET(maxiter), AV_OPT_TYPE_INT,        {.i64=7189},  1,        INT_MAX, FLAGS },
  90     {"start_x",     "set the initial x position",    OFFSET(start_x), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=-0.743643887037158704752191506114774}, -100, 100, FLAGS },
  91     {"start_y",     "set the initial y position",    OFFSET(start_y), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=-0.131825904205311970493132056385139}, -100, 100, FLAGS },
  92     {"start_scale", "set the initial scale value",   OFFSET(start_scale), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=3.0},  0, FLT_MAX, FLAGS },
  93     {"end_scale",   "set the terminal scale value",  OFFSET(end_scale), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,   {.dbl=0.3},  0, FLT_MAX, FLAGS },
  94     {"end_pts",     "set the terminal pts value",    OFFSET(end_pts), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=400},  0, INT64_MAX, FLAGS },
  95     {"bailout",     "set the bailout value",         OFFSET(bailout), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=10},   0, FLT_MAX, FLAGS },
  96
  97     {"outer",       "set outer coloring mode",       OFFSET(outer), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=NORMALIZED_ITERATION_COUNT}, 0, INT_MAX, FLAGS, "outer" },
  98     {"iteration_count", "set iteration count mode",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=ITERATION_COUNT}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "outer" },
  99     {"normalized_iteration_count", "set normalized iteration count mode",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=NORMALIZED_ITERATION_COUNT}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "outer" },
 100
 101     {"inner",       "set inner coloring mode",       OFFSET(inner), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=MINCOL}, 0, INT_MAX, FLAGS, "inner" },
 102     {"black",       "set black mode",                0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=BLACK}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "inner"},
 103     {"period",      "set period mode",               0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=PERIOD}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "inner"},
 104     {"convergence", "show time until convergence",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CONVTIME}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "inner"},
 105     {"mincol",      "color based on point closest to the origin of the iterations",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=MINCOL}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "inner"},
 106
 107     {NULL},
 108 };
 109
 110 AVFILTER_DEFINE_CLASS(mandelbrot);
 111
 112 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx, const char *args)
 113 {
 114     MBContext *mb = ctx->priv;
 115     AVRational rate_q;
 116     int err;
 117
 118     mb->class = &mandelbrot_class;
 119     av_opt_set_defaults(mb);
 120
 121     if ((err = (av_set_options_string(mb, args, "=", ":"))) < 0)
 122         return err;
 123     mb->bailout *= mb->bailout;
 124
 125     mb->start_scale /=mb->h;
 126     mb->end_scale /=mb->h;
 127
 128     if (av_parse_video_rate(&rate_q, mb->rate) < 0) {
 129         av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Invalid frame rate: %s\n", mb->rate);
 130         return AVERROR(EINVAL);
 131     }
 132     mb->time_base.num = rate_q.den;
 133     mb->time_base.den = rate_q.num;
 134
 135     mb->cache_allocated = mb->w * mb->h * 3;
 136     mb->cache_used = 0;
 137     mb->point_cache= av_malloc(sizeof(*mb->point_cache)*mb->cache_allocated);
 138     mb-> next_cache= av_malloc(sizeof(*mb-> next_cache)*mb->cache_allocated);
 139     mb-> zyklus    = av_malloc(sizeof(*mb->zyklus) * (mb->maxiter+16));
 140
 141     return 0;
 142 }
 143
 144 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 145 {
 146     MBContext *mb = ctx->priv;
 147
 148     av_freep(&mb->rate);
 149     av_freep(&mb->point_cache);
 150     av_freep(&mb-> next_cache);
 151     av_freep(&mb->zyklus);
 152 }
 153
 154 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 155 {
 156     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {
 157         AV_PIX_FMT_BGR32,
 158         AV_PIX_FMT_NONE
 159     };
 160
 161     ff_set_common_formats(ctx, ff_make_format_list(pix_fmts));
 162     return 0;
 163 }
 164
 165 static int config_props(AVFilterLink *inlink)
 166 {
 167     AVFilterContext *ctx = inlink->src;
 168     MBContext *mb = ctx->priv;
 169
 170     if (av_image_check_size(mb->w, mb->h, 0, ctx) < 0)
 171         return AVERROR(EINVAL);
 172
 173     inlink->w = mb->w;
 174     inlink->h = mb->h;
 175     inlink->time_base = mb->time_base;
 176
 177     return 0;
 178 }
 179
 180 static void fill_from_cache(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int *in_cidx, int *out_cidx, double py, double scale){
 181     MBContext *mb = ctx->priv;
 182     for(; *in_cidx < mb->cache_used; (*in_cidx)++){
 183         Point *p= &mb->point_cache[*in_cidx];
 184         int x;
 185         if(p->p[1] > py)
 186             break;
 187         x= round((p->p[0] - mb->start_x) / scale + mb->w/2);
 188         if(x<0 || x >= mb->w)
 189             continue;
 190         if(color) color[x] = p->val;
 191         if(out_cidx && *out_cidx < mb->cache_allocated)
 192             mb->next_cache[(*out_cidx)++]= *p;
 193     }
 194 }
 195
 196 static int interpol(MBContext *mb, uint32_t *color, int x, int y, int linesize)
 197 {
 198     uint32_t a,b,c,d, i;
 199     uint32_t ipol=0xFF000000;
 200     int dist;
 201
 202     if(!x || !y || x+1==mb->w || y+1==mb->h)
 203         return 0;
 204
 205     dist= FFMAX(FFABS(x-(mb->w>>1))*mb->h, FFABS(y-(mb->h>>1))*mb->w);
 206
 207     if(dist<(mb->w*mb->h>>3))
 208         return 0;
 209
 210     a=color[(x+1) + (y+0)*linesize];
 211     b=color[(x-1) + (y+1)*linesize];
 212     c=color[(x+0) + (y+1)*linesize];
 213     d=color[(x+1) + (y+1)*linesize];
 214
 215     if(a&&c){
 216         b= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
 217         d= color[(x+0) + (y-1)*linesize];
 218     }else if(b&&d){
 219         a= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
 220         c= color[(x-1) + (y-1)*linesize];
 221     }else if(c){
 222         d= color[(x+0) + (y-1)*linesize];
 223         a= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
 224         b= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
 225     }else if(d){
 226         c= color[(x-1) + (y-1)*linesize];
 227         a= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
 228         b= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
 229     }else
 230         return 0;
 231
 232     for(i=0; i<3; i++){
 233         int s= 8*i;
 234         uint8_t ac= a>>s;
 235         uint8_t bc= b>>s;
 236         uint8_t cc= c>>s;
 237         uint8_t dc= d>>s;
 238         int ipolab= (ac + bc);
 239         int ipolcd= (cc + dc);
 240         if(FFABS(ipolab - ipolcd) > 5)
 241             return 0;
 242         if(FFABS(ac-bc)+FFABS(cc-dc) > 20)
 243             return 0;
 244         ipol |= ((ipolab + ipolcd + 2)/4)<<s;
 245     }
 246     color[x + y*linesize]= ipol;
 247     return 1;
 248 }
 249
 250 static void draw_mandelbrot(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int linesize, int64_t pts)
 251 {
 252     MBContext *mb = ctx->priv;
 253     int x,y,i, in_cidx=0, next_cidx=0, tmp_cidx;
 254     double scale= mb->start_scale*pow(mb->end_scale/mb->start_scale, pts/mb->end_pts);
 255     int use_zyklus=0;
 256     fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, NULL, mb->start_y+scale*(-mb->h/2-0.5), scale);
 257     tmp_cidx= in_cidx;
 258     memset(color, 0, sizeof(*color)*mb->w);
 259     for(y=0; y<mb->h; y++){
 260         int y1= y+1;
 261         const double ci=mb->start_y+scale*(y-mb->h/2);
 262         fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, &next_cidx, ci, scale);
 263         if(y1<mb->h){
 264             memset(color+linesize*y1, 0, sizeof(*color)*mb->w);
 265             fill_from_cache(ctx, color+linesize*y1, &tmp_cidx, NULL, ci + 3*scale/2, scale);
 266         }
 267
 268         for(x=0; x<mb->w; x++){
 269             float av_uninit(epsilon);
 270             const double cr=mb->start_x+scale*(x-mb->w/2);
 271             double zr=cr;
 272             double zi=ci;
 273             uint32_t c=0;
 274             double dv= mb->dither / (double)(1LL<<32);
 275             mb->dither= mb->dither*1664525+1013904223;
 276
 277             if(color[x + y*linesize] & 0xFF000000)
 278                 continue;
 279             if(interpol(mb, color, x, y, linesize)){
 280                 if(next_cidx < mb->cache_allocated){
 281                     mb->next_cache[next_cidx  ].p[0]= cr;
 282                     mb->next_cache[next_cidx  ].p[1]= ci;
 283                     mb->next_cache[next_cidx++].val = color[x + y*linesize];
 284                 }
 285                 continue;
 286             }
 287
 288             use_zyklus= (x==0 || mb->inner!=BLACK ||color[x-1 + y*linesize] == 0xFF000000);
 289             if(use_zyklus)
 290                 epsilon= scale*1*sqrt(SQR(x-mb->w/2) + SQR(y-mb->h/2))/mb->w;
 291
 292 #define Z_Z2_C(outr,outi,inr,ini)\
 293             outr= inr*inr - ini*ini + cr;\
 294             outi= 2*inr*ini + ci;
 295
 296 #define Z_Z2_C_ZYKLUS(outr,outi,inr,ini, Z)\
 297             Z_Z2_C(outr,outi,inr,ini)\
 298             if(use_zyklus){\
 299                 if(Z && fabs(mb->zyklus[i>>1][0]-outr)+fabs(mb->zyklus[i>>1][1]-outi) <= epsilon)\
 300                     break;\
 301             }\
 302             mb->zyklus[i][0]= outr;\
 303             mb->zyklus[i][1]= outi;\
 304
 305
 306
 307             for(i=0; i<mb->maxiter-8; i++){
 308                 double t;
 309                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
 310                 i++;
 311                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
 312                 i++;
 313                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
 314                 i++;
 315                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
 316                 i++;
 317                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
 318                 i++;
 319                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
 320                 i++;
 321                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
 322                 i++;
 323                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
 324                 if(zr*zr + zi*zi > mb->bailout){
 325                     i-= FFMIN(7, i);
 326                     for(; i<mb->maxiter; i++){
 327                         zr= mb->zyklus[i][0];
 328                         zi= mb->zyklus[i][1];
 329                         if(zr*zr + zi*zi > mb->bailout){
 330                             switch(mb->outer){
 331                             case            ITERATION_COUNT: zr = i; break;
 332                             case NORMALIZED_ITERATION_COUNT: zr= i + log2(log(mb->bailout) / log(zr*zr + zi*zi)); break;
 333                             }
 334                             c= lrintf((sin(zr)+1)*127) + lrintf((sin(zr/1.234)+1)*127)*256*256 + lrintf((sin(zr/100)+1)*127)*256;
 335                             break;
 336                         }
 337                     }
 338                     break;
 339                 }
 340             }
 341             if(!c){
 342                 if(mb->inner==PERIOD){
 343                 int j;
 344                 for(j=i-1; j; j--)
 345                     if(SQR(mb->zyklus[j][0]-zr) + SQR(mb->zyklus[j][1]-zi) < epsilon*epsilon*10)
 346                         break;
 347                 if(j){
 348                     c= i-j;
 349                     c= ((c<<5)&0xE0) + ((c<<10)&0xE000) + ((c<<15)&0xE00000);
 350                 }
 351                 }else if(mb->inner==CONVTIME){
 352                     c= floor(i*255.0/mb->maxiter+dv)*0x010101;
 353                 } else if(mb->inner==MINCOL){
 354                     int j;
 355                     double closest=9999;
 356                     int closest_index=0;
 357                     for(j=i-1; j>=0; j--)
 358                         if(SQR(mb->zyklus[j][0]) + SQR(mb->zyklus[j][1]) < closest){
 359                             closest= SQR(mb->zyklus[j][0]) + SQR(mb->zyklus[j][1]);
 360                             closest_index= j;
 361                         }
 362                     closest = sqrt(closest);
 363                     c= lrintf((mb->zyklus[closest_index][0]/closest+1)*127+dv) + lrintf((mb->zyklus[closest_index][1]/closest+1)*127+dv)*256;
 364                 }
 365             }
 366             c |= 0xFF000000;
 367             color[x + y*linesize]= c;
 368             if(next_cidx < mb->cache_allocated){
 369                 mb->next_cache[next_cidx  ].p[0]= cr;
 370                 mb->next_cache[next_cidx  ].p[1]= ci;
 371                 mb->next_cache[next_cidx++].val = c;
 372             }
 373         }
 374         fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, &next_cidx, ci + scale/2, scale);
 375     }
 376     FFSWAP(void*, mb->next_cache, mb->point_cache);
 377     mb->cache_used = next_cidx;
 378     if(mb->cache_used == mb->cache_allocated)
 379         av_log(0, AV_LOG_INFO, "Mandelbrot cache is too small!\n");
 380 }
 381
 382 static int request_frame(AVFilterLink *link)
 383 {
 384     MBContext *mb = link->src->priv;
 385     AVFilterBufferRef *picref = ff_get_video_buffer(link, AV_PERM_WRITE, mb->w, mb->h);
 386     picref->video->sample_aspect_ratio = (AVRational) {1, 1};
 387     picref->pts = mb->pts++;
 388     picref->pos = -1;
 389
 390     ff_start_frame(link, avfilter_ref_buffer(picref, ~0));
 391     draw_mandelbrot(link->src, (uint32_t*)picref->data[0], picref->linesize[0]/4, picref->pts);
 392     ff_draw_slice(link, 0, mb->h, 1);
 393     ff_end_frame(link);
 394     avfilter_unref_buffer(picref);
 395
 396     return 0;
 397 }
 398
 399 AVFilter avfilter_vsrc_mandelbrot = {
 400     .name        = "mandelbrot",
 401     .description = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Render a Mandelbrot fractal."),
 402
 403     .priv_size = sizeof(MBContext),
 404     .init      = init,
 405     .uninit    = uninit,
 406
 407     .query_formats = query_formats,
 408
 409     .inputs    = (const AVFilterPad[]) {{ .name = NULL}},
 410
 411     .outputs   = (const AVFilterPad[]) {{ .name      = "default",
 412                                     .type            = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 413                                     .request_frame   = request_frame,
 414                                     .config_props    = config_props },
 415                                   { .name = NULL}},
 416 };