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 "libavutil/imgutils.h"
  33 #include "libavutil/opt.h"
  34 #include "libavutil/parseutils.h"
  35 #include <float.h>
  36 #include <math.h>
  37
  38 #define SQR(a) ((a)*(a))
  39
  40 enum Outer{
  41     ITERATION_COUNT,
  42     NORMALIZED_ITERATION_COUNT,
  43 };
  44
  45 enum Inner{
  46     BLACK,
  47     PERIOD,
  48     CONVTIME,
  49     MINCOL,
  50 };
  51
  52 typedef struct Point {
  53     double p[2];
  54     uint32_t val;
  55 } Point;
  56
  57 typedef struct {
  58     const AVClass *class;
  59     int w, h;
  60     AVRational time_base;
  61     uint64_t pts;
  62     char *rate;
  63     int maxiter;
  64     double start_x;
  65     double start_y;
  66     double start_scale;
  67     double end_scale;
  68     double end_pts;
  69     double bailout;
  70     enum Outer outer;
  71     enum Inner inner;
  72     int cache_allocated;
  73     int cache_used;
  74     Point *point_cache;
  75     Point *next_cache;
  76     double (*zyklus)[2];
  77     uint32_t dither;
  78 } MBContext;
  79
  80 #define OFFSET(x) offsetof(MBContext, x)
  81
  82 static const AVOption mandelbrot_options[] = {
  83     {"size",        "set frame size",                OFFSET(w),       AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str="640x480"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
  84     {"s",           "set frame size",                OFFSET(w),       AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str="640x480"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
  85     {"rate",        "set frame rate",                OFFSET(rate),    AV_OPT_TYPE_STRING,     {.str="25"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
  86     {"r",           "set frame rate",                OFFSET(rate),    AV_OPT_TYPE_STRING,     {.str="25"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
  87     {"maxiter",     "set max iterations number",     OFFSET(maxiter), AV_OPT_TYPE_INT,        {.dbl=7189},  1,        INT_MAX  },
  88     {"start_x",     "set the initial x position",    OFFSET(start_x), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=-0.743643887037158704752191506114774}, -100, 100  },
  89     {"start_y",     "set the initial y position",    OFFSET(start_y), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=-0.131825904205311970493132056385139}, -100, 100  },
  90     {"start_scale", "set the initial scale value",   OFFSET(start_scale), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=3.0},  0, FLT_MAX },
  91     {"end_scale",   "set the terminal scale value",  OFFSET(end_scale), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,   {.dbl=0.3},  0, FLT_MAX },
  92     {"end_pts",     "set the terminal pts value",    OFFSET(end_pts), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=400},  0, INT64_MAX },
  93     {"bailout",     "set the bailout value",         OFFSET(bailout), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=10},   0, FLT_MAX },
  94
  95     {"outer",       "set outer coloring mode",       OFFSET(outer), AV_OPT_TYPE_INT, {.dbl=NORMALIZED_ITERATION_COUNT}, 0, INT_MAX, 0, "outer"},
  96     {"iteration_count", "set iteration count mode",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=ITERATION_COUNT}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "outer" },
  97     {"normalized_iteration_count", "set normalized iteration count mode",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=NORMALIZED_ITERATION_COUNT}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "outer" },
  98
  99     {"inner",       "set inner coloring mode",       OFFSET(inner), AV_OPT_TYPE_INT, {.dbl=MINCOL}, 0, INT_MAX, 0, "inner"},
 100     {"black",       "set black mode",                0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=BLACK}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "inner" },
 101     {"period",      "set period mode",               0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=PERIOD}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "inner" },
 102     {"convergence", "show time until convergence",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=CONVTIME}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "inner" },
 103     {"mincol",      "color based on point closest to the origin of the iterations",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=MINCOL}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "inner" },
 104
 105     {NULL},
 106 };
 107
 108 static const AVClass mandelbrot_class = {
 109     .class_name = "mandelbrot",
 110     .item_name  = av_default_item_name,
 111     .option     = mandelbrot_options,
 112     .version    = LIBAVUTIL_VERSION_INT,
 113     .category   = AV_CLASS_CATEGORY_FILTER,
 114 };
 115
 116 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx, const char *args, void *opaque)
 117 {
 118     MBContext *mb = ctx->priv;
 119     AVRational rate_q;
 120     int err;
 121
 122     mb->class = &mandelbrot_class;
 123     av_opt_set_defaults(mb);
 124
 125     if ((err = (av_set_options_string(mb, args, "=", ":"))) < 0) {
 126         av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Error parsing options string: '%s'\n", args);
 127         return err;
 128     }
 129     mb->bailout *= mb->bailout;
 130
 131     mb->start_scale /=mb->h;
 132     mb->end_scale /=mb->h;
 133
 134     if (av_parse_video_rate(&rate_q, mb->rate) < 0 ||
 135         rate_q.den <= 0 || rate_q.num <= 0) {
 136         av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Invalid frame rate: %s\n", mb->rate);
 137         return AVERROR(EINVAL);
 138     }
 139     mb->time_base.num = rate_q.den;
 140     mb->time_base.den = rate_q.num;
 141
 142     mb->cache_allocated = mb->w * mb->h * 3;
 143     mb->cache_used = 0;
 144     mb->point_cache= av_malloc(sizeof(*mb->point_cache)*mb->cache_allocated);
 145     mb-> next_cache= av_malloc(sizeof(*mb-> next_cache)*mb->cache_allocated);
 146     mb-> zyklus    = av_malloc(sizeof(*mb->zyklus) * (mb->maxiter+16));
 147
 148     return 0;
 149 }
 150
 151 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 152 {
 153     MBContext *mb = ctx->priv;
 154
 155     av_freep(&mb->rate);
 156     av_freep(&mb->point_cache);
 157     av_freep(&mb-> next_cache);
 158     av_freep(&mb->zyklus);
 159 }
 160
 161 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 162 {
 163     static const enum PixelFormat pix_fmts[] = {
 164         PIX_FMT_BGR32,
 165         PIX_FMT_NONE
 166     };
 167
 168     ff_set_common_formats(ctx, ff_make_format_list(pix_fmts));
 169     return 0;
 170 }
 171
 172 static int config_props(AVFilterLink *inlink)
 173 {
 174     AVFilterContext *ctx = inlink->src;
 175     MBContext *mb = ctx->priv;
 176
 177     if (av_image_check_size(mb->w, mb->h, 0, ctx) < 0)
 178         return AVERROR(EINVAL);
 179
 180     inlink->w = mb->w;
 181     inlink->h = mb->h;
 182     inlink->time_base = mb->time_base;
 183
 184     return 0;
 185 }
 186
 187 static void fill_from_cache(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int *in_cidx, int *out_cidx, double py, double scale){
 188     MBContext *mb = ctx->priv;
 189     for(; *in_cidx < mb->cache_used; (*in_cidx)++){
 190         Point *p= &mb->point_cache[*in_cidx];
 191         int x;
 192         if(p->p[1] > py)
 193             break;
 194         x= round((p->p[0] - mb->start_x) / scale + mb->w/2);
 195         if(x<0 || x >= mb->w)
 196             continue;
 197         if(color) color[x] = p->val;
 198         if(out_cidx && *out_cidx < mb->cache_allocated)
 199             mb->next_cache[(*out_cidx)++]= *p;
 200     }
 201 }
 202
 203 static int interpol(MBContext *mb, uint32_t *color, int x, int y, int linesize)
 204 {
 205     uint32_t a,b,c,d, i;
 206     uint32_t ipol=0xFF000000;
 207     int dist;
 208
 209     if(!x || !y || x+1==mb->w || y+1==mb->h)
 210         return 0;
 211
 212     dist= FFMAX(FFABS(x-(mb->w>>1))*mb->h, FFABS(y-(mb->h>>1))*mb->w);
 213
 214     if(dist<(mb->w*mb->h>>3))
 215         return 0;
 216
 217     a=color[(x+1) + (y+0)*linesize];
 218     b=color[(x-1) + (y+1)*linesize];
 219     c=color[(x+0) + (y+1)*linesize];
 220     d=color[(x+1) + (y+1)*linesize];
 221
 222     if(a&&c){
 223         b= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
 224         d= color[(x+0) + (y-1)*linesize];
 225     }else if(b&&d){
 226         a= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
 227         c= color[(x-1) + (y-1)*linesize];
 228     }else if(c){
 229         d= color[(x+0) + (y-1)*linesize];
 230         a= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
 231         b= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
 232     }else if(d){
 233         c= color[(x-1) + (y-1)*linesize];
 234         a= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
 235         b= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
 236     }else
 237         return 0;
 238
 239     for(i=0; i<3; i++){
 240         int s= 8*i;
 241         uint8_t ac= a>>s;
 242         uint8_t bc= b>>s;
 243         uint8_t cc= c>>s;
 244         uint8_t dc= d>>s;
 245         int ipolab= (ac + bc);
 246         int ipolcd= (cc + dc);
 247         if(FFABS(ipolab - ipolcd) > 5)
 248             return 0;
 249         if(FFABS(ac-bc)+FFABS(cc-dc) > 20)
 250             return 0;
 251         ipol |= ((ipolab + ipolcd + 2)/4)<<s;
 252     }
 253     color[x + y*linesize]= ipol;
 254     return 1;
 255 }
 256
 257 static void draw_mandelbrot(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int linesize, int64_t pts)
 258 {
 259     MBContext *mb = ctx->priv;
 260     int x,y,i, in_cidx=0, next_cidx=0, tmp_cidx;
 261     double scale= mb->start_scale*pow(mb->end_scale/mb->start_scale, pts/mb->end_pts);
 262     int use_zyklus=0;
 263     fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, NULL, mb->start_y+scale*(-mb->h/2-0.5), scale);
 264     tmp_cidx= in_cidx;
 265     memset(color, 0, sizeof(*color)*mb->w);
 266     for(y=0; y<mb->h; y++){
 267         int y1= y+1;
 268         const double ci=mb->start_y+scale*(y-mb->h/2);
 269         fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, &next_cidx, ci, scale);
 270         if(y1<mb->h){
 271             memset(color+linesize*y1, 0, sizeof(*color)*mb->w);
 272             fill_from_cache(ctx, color+linesize*y1, &tmp_cidx, NULL, ci + 3*scale/2, scale);
 273         }
 274
 275         for(x=0; x<mb->w; x++){
 276             float av_uninit(epsilon);
 277             const double cr=mb->start_x+scale*(x-mb->w/2);
 278             double zr=cr;
 279             double zi=ci;
 280             uint32_t c=0;
 281             double dv= mb->dither / (double)(1LL<<32);
 282             mb->dither= mb->dither*1664525+1013904223;
 283
 284             if(color[x + y*linesize] & 0xFF000000)
 285                 continue;
 286             if(interpol(mb, color, x, y, linesize)){
 287                 if(next_cidx < mb->cache_allocated){
 288                     mb->next_cache[next_cidx  ].p[0]= cr;
 289                     mb->next_cache[next_cidx  ].p[1]= ci;
 290                     mb->next_cache[next_cidx++].val = color[x + y*linesize];
 291                 }
 292                 continue;
 293             }
 294
 295             use_zyklus= (x==0 || mb->inner!=BLACK ||color[x-1 + y*linesize] == 0xFF000000);
 296             if(use_zyklus)
 297                 epsilon= scale*1*sqrt(SQR(x-mb->w/2) + SQR(y-mb->h/2))/mb->w;
 298
 299 #define Z_Z2_C(outr,outi,inr,ini)\
 300             outr= inr*inr - ini*ini + cr;\
 301             outi= 2*inr*ini + ci;
 302
 303 #define Z_Z2_C_ZYKLUS(outr,outi,inr,ini, Z)\
 304             Z_Z2_C(outr,outi,inr,ini)\
 305             if(use_zyklus){\
 306                 if(Z && fabs(mb->zyklus[i>>1][0]-outr)+fabs(mb->zyklus[i>>1][1]-outi) <= epsilon)\
 307                     break;\
 308             }\
 309             mb->zyklus[i][0]= outr;\
 310             mb->zyklus[i][1]= outi;\
 311
 312
 313
 314             for(i=0; i<mb->maxiter-8; i++){
 315                 double t;
 316                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
 317                 i++;
 318                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
 319                 i++;
 320                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
 321                 i++;
 322                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
 323                 i++;
 324                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
 325                 i++;
 326                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
 327                 i++;
 328                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
 329                 i++;
 330                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
 331                 if(zr*zr + zi*zi > mb->bailout){
 332                     i-= FFMIN(7, i);
 333                     for(; i<mb->maxiter; i++){
 334                         zr= mb->zyklus[i][0];
 335                         zi= mb->zyklus[i][1];
 336                         if(zr*zr + zi*zi > mb->bailout){
 337                             switch(mb->outer){
 338                             case            ITERATION_COUNT: zr = i; break;
 339                             case NORMALIZED_ITERATION_COUNT: zr= i + log2(log(mb->bailout) / log(zr*zr + zi*zi)); break;
 340                             }
 341                             c= lrintf((sin(zr)+1)*127) + lrintf((sin(zr/1.234)+1)*127)*256*256 + lrintf((sin(zr/100)+1)*127)*256;
 342                             break;
 343                         }
 344                     }
 345                     break;
 346                 }
 347             }
 348             if(!c){
 349                 if(mb->inner==PERIOD){
 350                 int j;
 351                 for(j=i-1; j; j--)
 352                     if(SQR(mb->zyklus[j][0]-zr) + SQR(mb->zyklus[j][1]-zi) < epsilon*epsilon*10)
 353                         break;
 354                 if(j){
 355                     c= i-j;
 356                     c= ((c<<5)&0xE0) + ((c<<16)&0xE000) + ((c<<27)&0xE00000);
 357                 }
 358                 }else if(mb->inner==CONVTIME){
 359                     c= floor(i*255.0/mb->maxiter+dv)*0x010101;
 360                 } else if(mb->inner==MINCOL){
 361                     int j;
 362                     double closest=9999;
 363                     int closest_index=0;
 364                     for(j=i-1; j>=0; j--)
 365                         if(SQR(mb->zyklus[j][0]) + SQR(mb->zyklus[j][1]) < closest){
 366                             closest= SQR(mb->zyklus[j][0]) + SQR(mb->zyklus[j][1]);
 367                             closest_index= j;
 368                         }
 369                     closest = sqrt(closest);
 370                     c= lrintf((mb->zyklus[closest_index][0]/closest+1)*127+dv) + lrintf((mb->zyklus[closest_index][1]/closest+1)*127+dv)*256;
 371                 }
 372             }
 373             c |= 0xFF000000;
 374             color[x + y*linesize]= c;
 375             if(next_cidx < mb->cache_allocated){
 376                 mb->next_cache[next_cidx  ].p[0]= cr;
 377                 mb->next_cache[next_cidx  ].p[1]= ci;
 378                 mb->next_cache[next_cidx++].val = c;
 379             }
 380         }
 381         fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, &next_cidx, ci + scale/2, scale);
 382     }
 383     FFSWAP(void*, mb->next_cache, mb->point_cache);
 384     mb->cache_used = next_cidx;
 385     if(mb->cache_used == mb->cache_allocated)
 386         av_log(0, AV_LOG_INFO, "Mandelbrot cache is too small!\n");
 387 }
 388
 389 static int request_frame(AVFilterLink *link)
 390 {
 391     MBContext *mb = link->src->priv;
 392     AVFilterBufferRef *picref = ff_get_video_buffer(link, AV_PERM_WRITE, mb->w, mb->h);
 393     picref->video->sample_aspect_ratio = (AVRational) {1, 1};
 394     picref->pts = mb->pts++;
 395     picref->pos = -1;
 396
 397     ff_start_frame(link, avfilter_ref_buffer(picref, ~0));
 398     draw_mandelbrot(link->src, (uint32_t*)picref->data[0], picref->linesize[0]/4, picref->pts);
 399     ff_draw_slice(link, 0, mb->h, 1);
 400     ff_end_frame(link);
 401     avfilter_unref_buffer(picref);
 402
 403     return 0;
 404 }
 405
 406 AVFilter avfilter_vsrc_mandelbrot = {
 407     .name        = "mandelbrot",
 408     .description = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Render a Mandelbrot fractal."),
 409
 410     .priv_size = sizeof(MBContext),
 411     .init      = init,
 412     .uninit    = uninit,
 413
 414     .query_formats = query_formats,
 415
 416     .inputs    = (const AVFilterPad[]) {{ .name = NULL}},
 417
 418     .outputs   = (const AVFilterPad[]) {{ .name      = "default",
 419                                     .type            = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 420                                     .request_frame   = request_frame,
 421                                     .config_props    = config_props },
 422                                   { .name = NULL}},
 423 };