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