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 fractal 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     WHITE,
  45     OUTZ,
  46 };
  47
  48 enum Inner{
  49     BLACK,
  50     PERIOD,
  51     CONVTIME,
  52     MINCOL,
  53 };
  54
  55 typedef struct Point {
  56     double p[2];
  57     uint32_t val;
  58 } Point;
  59
  60 typedef struct MBContext {
  61     const AVClass *class;
  62     int w, h;
  63     AVRational frame_rate;
  64     uint64_t pts;
  65     int maxiter;
  66     double start_x;
  67     double start_y;
  68     double start_scale;
  69     double end_scale;
  70     double end_pts;
  71     double bailout;
  72     int outer;
  73     int inner;
  74     int cache_allocated;
  75     int cache_used;
  76     Point *point_cache;
  77     Point *next_cache;
  78     double (*zyklus)[2];
  79     uint32_t dither;
  80
  81     double morphxf;
  82     double morphyf;
  83     double morphamp;
  84 } MBContext;
  85
  86 #define OFFSET(x) offsetof(MBContext, x)
  87 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM
  88
  89 static const AVOption mandelbrot_options[] = {
  90     {"size",        "set frame size",                OFFSET(w),       AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str="640x480"},  0, 0, FLAGS },
  91     {"s",           "set frame size",                OFFSET(w),       AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str="640x480"},  0, 0, FLAGS },
  92     {"rate",        "set frame rate",                OFFSET(frame_rate), AV_OPT_TYPE_VIDEO_RATE, {.str="25"},  0, INT_MAX, FLAGS },
  93     {"r",           "set frame rate",                OFFSET(frame_rate), AV_OPT_TYPE_VIDEO_RATE, {.str="25"},  0, INT_MAX, FLAGS },
  94     {"maxiter",     "set max iterations number",     OFFSET(maxiter), AV_OPT_TYPE_INT,        {.i64=7189},  1,        INT_MAX, FLAGS },
  95     {"start_x",     "set the initial x position",    OFFSET(start_x), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=-0.743643887037158704752191506114774}, -100, 100, FLAGS },
  96     {"start_y",     "set the initial y position",    OFFSET(start_y), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=-0.131825904205311970493132056385139}, -100, 100, FLAGS },
  97     {"start_scale", "set the initial scale value",   OFFSET(start_scale), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=3.0},  0, FLT_MAX, FLAGS },
  98     {"end_scale",   "set the terminal scale value",  OFFSET(end_scale), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,   {.dbl=0.3},  0, FLT_MAX, FLAGS },
  99     {"end_pts",     "set the terminal pts value",    OFFSET(end_pts), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=400},  0, INT64_MAX, FLAGS },
 100     {"bailout",     "set the bailout value",         OFFSET(bailout), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=10},   0, FLT_MAX, FLAGS },
 101     {"morphxf",     "set morph x frequency",         OFFSET(morphxf), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=0.01},   -FLT_MAX, FLT_MAX, FLAGS },
 102     {"morphyf",     "set morph y frequency",         OFFSET(morphyf), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=0.0123}, -FLT_MAX, FLT_MAX, FLAGS },
 103     {"morphamp",    "set morph amplitude",           OFFSET(morphamp), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,    {.dbl=0},      -FLT_MAX, FLT_MAX, FLAGS },
 104
 105     {"outer",       "set outer coloring mode",       OFFSET(outer), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=NORMALIZED_ITERATION_COUNT}, 0, INT_MAX, FLAGS, "outer" },
 106     {"iteration_count", "set iteration count mode",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=ITERATION_COUNT}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "outer" },
 107     {"normalized_iteration_count", "set normalized iteration count mode",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=NORMALIZED_ITERATION_COUNT}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "outer" },
 108     {"white", "set white mode",                      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WHITE}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "outer" },
 109     {"outz",        "set outz mode",                 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=OUTZ}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "outer" },
 110
 111     {"inner",       "set inner coloring mode",       OFFSET(inner), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=MINCOL}, 0, INT_MAX, FLAGS, "inner" },
 112     {"black",       "set black mode",                0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=BLACK}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "inner"},
 113     {"period",      "set period mode",               0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=PERIOD}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "inner"},
 114     {"convergence", "show time until convergence",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CONVTIME}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "inner"},
 115     {"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"},
 116
 117     {NULL},
 118 };
 119
 120 AVFILTER_DEFINE_CLASS(mandelbrot);
 121
 122 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx)
 123 {
 124     MBContext *s = ctx->priv;
 125
 126     s->bailout *= s->bailout;
 127
 128     s->start_scale /=s->h;
 129     s->end_scale /=s->h;
 130
 131     s->cache_allocated = s->w * s->h * 3;
 132     s->cache_used = 0;
 133     s->point_cache= av_malloc_array(s->cache_allocated, sizeof(*s->point_cache));
 134     s-> next_cache= av_malloc_array(s->cache_allocated, sizeof(*s-> next_cache));
 135     s-> zyklus    = av_malloc_array(s->maxiter + 16, sizeof(*s->zyklus));
 136
 137     return 0;
 138 }
 139
 140 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 141 {
 142     MBContext *s = ctx->priv;
 143
 144     av_freep(&s->point_cache);
 145     av_freep(&s-> next_cache);
 146     av_freep(&s->zyklus);
 147 }
 148
 149 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 150 {
 151     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {
 152         AV_PIX_FMT_0BGR32,
 153         AV_PIX_FMT_NONE
 154     };
 155
 156     AVFilterFormats *fmts_list = ff_make_format_list(pix_fmts);
 157     if (!fmts_list)
 158         return AVERROR(ENOMEM);
 159     return ff_set_common_formats(ctx, fmts_list);
 160 }
 161
 162 static int config_props(AVFilterLink *inlink)
 163 {
 164     AVFilterContext *ctx = inlink->src;
 165     MBContext *s = ctx->priv;
 166
 167     if (av_image_check_size(s->w, s->h, 0, ctx) < 0)
 168         return AVERROR(EINVAL);
 169
 170     inlink->w = s->w;
 171     inlink->h = s->h;
 172     inlink->time_base = av_inv_q(s->frame_rate);
 173
 174     return 0;
 175 }
 176
 177 static void fill_from_cache(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int *in_cidx, int *out_cidx, double py, double scale){
 178     MBContext *s = ctx->priv;
 179     if(s->morphamp)
 180         return;
 181     for(; *in_cidx < s->cache_used; (*in_cidx)++){
 182         Point *p= &s->point_cache[*in_cidx];
 183         int x;
 184         if(p->p[1] > py)
 185             break;
 186         x= lrint((p->p[0] - s->start_x) / scale + s->w/2);
 187         if(x<0 || x >= s->w)
 188             continue;
 189         if(color) color[x] = p->val;
 190         if(out_cidx && *out_cidx < s->cache_allocated)
 191             s->next_cache[(*out_cidx)++]= *p;
 192     }
 193 }
 194
 195 static int interpol(MBContext *s, uint32_t *color, int x, int y, int linesize)
 196 {
 197     uint32_t a,b,c,d, i;
 198     uint32_t ipol=0xFF000000;
 199     int dist;
 200
 201     if(!x || !y || x+1==s->w || y+1==s->h)
 202         return 0;
 203
 204     dist= FFMAX(FFABS(x-(s->w>>1))*s->h, FFABS(y-(s->h>>1))*s->w);
 205
 206     if(dist<(s->w*s->h>>3))
 207         return 0;
 208
 209     a=color[(x+1) + (y+0)*linesize];
 210     b=color[(x-1) + (y+1)*linesize];
 211     c=color[(x+0) + (y+1)*linesize];
 212     d=color[(x+1) + (y+1)*linesize];
 213
 214     if(a&&c){
 215         b= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
 216         d= color[(x+0) + (y-1)*linesize];
 217     }else if(b&&d){
 218         a= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
 219         c= color[(x-1) + (y-1)*linesize];
 220     }else if(c){
 221         d= color[(x+0) + (y-1)*linesize];
 222         a= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
 223         b= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
 224     }else if(d){
 225         c= color[(x-1) + (y-1)*linesize];
 226         a= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
 227         b= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
 228     }else
 229         return 0;
 230
 231     for(i=0; i<3; i++){
 232         int s= 8*i;
 233         uint8_t ac= a>>s;
 234         uint8_t bc= b>>s;
 235         uint8_t cc= c>>s;
 236         uint8_t dc= d>>s;
 237         int ipolab= (ac + bc);
 238         int ipolcd= (cc + dc);
 239         if(FFABS(ipolab - ipolcd) > 5)
 240             return 0;
 241         if(FFABS(ac-bc)+FFABS(cc-dc) > 20)
 242             return 0;
 243         ipol |= ((ipolab + ipolcd + 2)/4)<<s;
 244     }
 245     color[x + y*linesize]= ipol;
 246     return 1;
 247 }
 248
 249 static void draw_mandelbrot(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int linesize, int64_t pts)
 250 {
 251     MBContext *s = ctx->priv;
 252     int x,y,i, in_cidx=0, next_cidx=0, tmp_cidx;
 253     double scale= s->start_scale*pow(s->end_scale/s->start_scale, pts/s->end_pts);
 254     int use_zyklus=0;
 255     fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, NULL, s->start_y+scale*(-s->h/2-0.5), scale);
 256     tmp_cidx= in_cidx;
 257     memset(color, 0, sizeof(*color)*s->w);
 258     for(y=0; y<s->h; y++){
 259         int y1= y+1;
 260         const double ci=s->start_y+scale*(y-s->h/2);
 261         fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, &next_cidx, ci, scale);
 262         if(y1<s->h){
 263             memset(color+linesize*y1, 0, sizeof(*color)*s->w);
 264             fill_from_cache(ctx, color+linesize*y1, &tmp_cidx, NULL, ci + 3*scale/2, scale);
 265         }
 266
 267         for(x=0; x<s->w; x++){
 268             float av_uninit(epsilon);
 269             const double cr=s->start_x+scale*(x-s->w/2);
 270             double zr=cr;
 271             double zi=ci;
 272             uint32_t c=0;
 273             double dv= s->dither / (double)(1LL<<32);
 274             s->dither= s->dither*1664525+1013904223;
 275
 276             if(color[x + y*linesize] & 0xFF000000)
 277                 continue;
 278             if(!s->morphamp){
 279                 if(interpol(s, color, x, y, linesize)){
 280                     if(next_cidx < s->cache_allocated){
 281                         s->next_cache[next_cidx  ].p[0]= cr;
 282                         s->next_cache[next_cidx  ].p[1]= ci;
 283                         s->next_cache[next_cidx++].val = color[x + y*linesize];
 284                     }
 285                     continue;
 286                 }
 287             }else{
 288                 zr += cos(pts * s->morphxf) * s->morphamp;
 289                 zi += sin(pts * s->morphyf) * s->morphamp;
 290             }
 291
 292             use_zyklus= (x==0 || s->inner!=BLACK ||color[x-1 + y*linesize] == 0xFF000000);
 293             if(use_zyklus)
 294                 epsilon= scale*(abs(x-s->w/2) + abs(y-s->h/2))/s->w;
 295
 296 #define Z_Z2_C(outr,outi,inr,ini)\
 297             outr= inr*inr - ini*ini + cr;\
 298             outi= 2*inr*ini + ci;
 299
 300 #define Z_Z2_C_ZYKLUS(outr,outi,inr,ini, Z)\
 301             Z_Z2_C(outr,outi,inr,ini)\
 302             if(use_zyklus){\
 303                 if(Z && fabs(s->zyklus[i>>1][0]-outr)+fabs(s->zyklus[i>>1][1]-outi) <= epsilon)\
 304                     break;\
 305             }\
 306             s->zyklus[i][0]= outr;\
 307             s->zyklus[i][1]= outi;\
 308
 309
 310
 311             for(i=0; i<s->maxiter-8; i++){
 312                 double t;
 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                 i++;
 325                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
 326                 i++;
 327                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
 328                 if(zr*zr + zi*zi > s->bailout){
 329                     i-= FFMIN(7, i);
 330                     for(; i<s->maxiter; i++){
 331                         zr= s->zyklus[i][0];
 332                         zi= s->zyklus[i][1];
 333                         if(zr*zr + zi*zi > s->bailout){
 334                             switch(s->outer){
 335                             case            ITERATION_COUNT:
 336                                 zr = i;
 337                                 c = lrintf((sinf(zr)+1)*127) + lrintf((sinf(zr/1.234)+1)*127)*256*256 + lrintf((sinf(zr/100)+1)*127)*256;
 338                                 break;
 339                             case NORMALIZED_ITERATION_COUNT:
 340                                 zr = i + log2(log(s->bailout) / log(zr*zr + zi*zi));
 341                                 c = lrintf((sinf(zr)+1)*127) + lrintf((sinf(zr/1.234)+1)*127)*256*256 + lrintf((sinf(zr/100)+1)*127)*256;
 342                                 break;
 343                             case                      WHITE:
 344                                 c = 0xFFFFFF;
 345                                 break;
 346                             case                      OUTZ:
 347                                 zr /= s->bailout;
 348                                 zi /= s->bailout;
 349                                 c = (((int)(zr*128+128))&0xFF)*256 + (((int)(zi*128+128))&0xFF);
 350                             }
 351                             break;
 352                         }
 353                     }
 354                     break;
 355                 }
 356             }
 357             if(!c){
 358                 if(s->inner==PERIOD){
 359                     int j;
 360                     for(j=i-1; j; j--)
 361                         if(SQR(s->zyklus[j][0]-zr) + SQR(s->zyklus[j][1]-zi) < epsilon*epsilon*10)
 362                             break;
 363                     if(j){
 364                         c= i-j;
 365                         c= ((c<<5)&0xE0) + ((c<<10)&0xE000) + ((c<<15)&0xE00000);
 366                     }
 367                 }else if(s->inner==CONVTIME){
 368                     c= floor(i*255.0/s->maxiter+dv)*0x010101;
 369                 } else if(s->inner==MINCOL){
 370                     int j;
 371                     double closest=9999;
 372                     int closest_index=0;
 373                     for(j=i-1; j>=0; j--)
 374                         if(SQR(s->zyklus[j][0]) + SQR(s->zyklus[j][1]) < closest){
 375                             closest= SQR(s->zyklus[j][0]) + SQR(s->zyklus[j][1]);
 376                             closest_index= j;
 377                         }
 378                     closest = sqrt(closest);
 379                     c= lrintf((s->zyklus[closest_index][0]/closest+1)*127+dv) + lrintf((s->zyklus[closest_index][1]/closest+1)*127+dv)*256;
 380                 }
 381             }
 382             c |= 0xFF000000;
 383             color[x + y*linesize]= c;
 384             if(next_cidx < s->cache_allocated){
 385                 s->next_cache[next_cidx  ].p[0]= cr;
 386                 s->next_cache[next_cidx  ].p[1]= ci;
 387                 s->next_cache[next_cidx++].val = c;
 388             }
 389         }
 390         fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, &next_cidx, ci + scale/2, scale);
 391     }
 392     FFSWAP(void*, s->next_cache, s->point_cache);
 393     s->cache_used = next_cidx;
 394     if(s->cache_used == s->cache_allocated)
 395         av_log(ctx, AV_LOG_INFO, "Mandelbrot cache is too small!\n");
 396 }
 397
 398 static int request_frame(AVFilterLink *link)
 399 {
 400     MBContext *s = link->src->priv;
 401     AVFrame *picref = ff_get_video_buffer(link, s->w, s->h);
 402     if (!picref)
 403         return AVERROR(ENOMEM);
 404
 405     picref->sample_aspect_ratio = (AVRational) {1, 1};
 406     picref->pts = s->pts++;
 407
 408     draw_mandelbrot(link->src, (uint32_t*)picref->data[0], picref->linesize[0]/4, picref->pts);
 409     return ff_filter_frame(link, picref);
 410 }
 411
 412 static const AVFilterPad mandelbrot_outputs[] = {
 413     {
 414         .name          = "default",
 415         .type          = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 416         .request_frame = request_frame,
 417         .config_props  = config_props,
 418     },
 419     { NULL }
 420 };
 421
 422 AVFilter ff_vsrc_mandelbrot = {
 423     .name          = "mandelbrot",
 424     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Render a Mandelbrot fractal."),
 425     .priv_size     = sizeof(MBContext),
 426     .priv_class    = &mandelbrot_class,
 427     .init          = init,
 428     .uninit        = uninit,
 429     .query_formats = query_formats,
 430     .inputs        = NULL,
 431     .outputs       = mandelbrot_outputs,
 432 };