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 "libavutil/imgutils.h"
  31 #include "libavutil/opt.h"
  32 #include "libavutil/parseutils.h"
  33 #include <float.h>
  34 #include <math.h>
  35
  36 #define SQR(a) ((a)*(a))
  37
  38 enum Outer{
  39     ITERATION_COUNT,
  40     NORMALIZED_ITERATION_COUNT,
  41 };
  42
  43 enum Inner{
  44     BLACK,
  45     PERIOD,
  46     CONVTIME,
  47     MINCOL,
  48 };
  49
  50 typedef struct Point {
  51     double p[2];
  52     uint32_t val;
  53 } Point;
  54
  55 typedef struct {
  56     const AVClass *class;
  57     int w, h;
  58     AVRational time_base;
  59     uint64_t pts;
  60     char *rate;
  61     int maxiter;
  62     double start_x;
  63     double start_y;
  64     double start_scale;
  65     double end_scale;
  66     double end_pts;
  67     double bailout;
  68     enum Outer outer;
  69     enum Inner inner;
  70     int cache_allocated;
  71     int cache_used;
  72     Point *point_cache;
  73     Point *next_cache;
  74     double (*zyklus)[2];
  75     uint32_t dither;
  76 } MBContext;
  77
  78 #define OFFSET(x) offsetof(MBContext, x)
  79
  80 static const AVOption mandelbrot_options[] = {
  81     {"size",        "set frame size",                OFFSET(w),       AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str="640x480"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
  82     {"s",           "set frame size",                OFFSET(w),       AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str="640x480"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
  83     {"rate",        "set frame rate",                OFFSET(rate),    AV_OPT_TYPE_STRING,     {.str="25"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
  84     {"r",           "set frame rate",                OFFSET(rate),    AV_OPT_TYPE_STRING,     {.str="25"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
  85     {"maxiter",     "set max iterations number",     OFFSET(maxiter), AV_OPT_TYPE_INT,        {.dbl=7189},  1,        INT_MAX  },
  86     {"start_x",     "set the initial x position",    OFFSET(start_x), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=-0.743643887037158704752191506114774}, -100, 100  },
  87     {"start_y",     "set the initial y position",    OFFSET(start_y), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=-0.131825904205311970493132056385139}, -100, 100  },
  88     {"start_scale", "set the initial scale value",   OFFSET(start_scale), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=3.0},  0, FLT_MAX },
  89     {"end_scale",   "set the terminal scale value",  OFFSET(end_scale), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,   {.dbl=0.3},  0, FLT_MAX },
  90     {"end_pts",     "set the terminal pts value",    OFFSET(end_pts), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=400},  0, INT64_MAX },
  91     {"bailout",     "set the bailout value",         OFFSET(bailout), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=10},   0, FLT_MAX },
  92
  93     {"outer",       "set outer coloring mode",       OFFSET(outer), AV_OPT_TYPE_INT, {.dbl=NORMALIZED_ITERATION_COUNT}, 0, INT_MAX, 0, "outer"},
  94     {"iteration_count", "set iteration count mode",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=ITERATION_COUNT}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "outer" },
  95     {"normalized_iteration_count", "set normalized iteration count mode",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=NORMALIZED_ITERATION_COUNT}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "outer" },
  96
  97     {"inner",       "set inner coloring mode",       OFFSET(inner), AV_OPT_TYPE_INT, {.dbl=MINCOL}, 0, INT_MAX, 0, "inner"},
  98     {"black",       "set black mode",                0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=BLACK}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "inner" },
  99     {"period",      "set period mode",               0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=PERIOD}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "inner" },
 100     {"convergence", "show time until convergence",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=CONVTIME}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "inner" },
 101     {"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" },
 102
 103     {NULL},
 104 };
 105
 106 static const char *mandelbrot_get_name(void *ctx)
 107 {
 108     return "mandelbrot";
 109 }
 110
 111 static const AVClass mandelbrot_class = {
 112     "MBContext",
 113     mandelbrot_get_name,
 114     mandelbrot_options
 115 };
 116
 117 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx, const char *args, void *opaque)
 118 {
 119     MBContext *mb = ctx->priv;
 120     AVRational rate_q;
 121     int err;
 122
 123     mb->class = &mandelbrot_class;
 124     av_opt_set_defaults(mb);
 125
 126     if ((err = (av_set_options_string(mb, args, "=", ":"))) < 0) {
 127         av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Error parsing options string: '%s'\n", args);
 128         return err;
 129     }
 130     mb->bailout *= mb->bailout;
 131
 132     mb->start_scale /=mb->h;
 133     mb->end_scale /=mb->h;
 134
 135     if (av_parse_video_rate(&rate_q, mb->rate) < 0 ||
 136         rate_q.den <= 0 || rate_q.num <= 0) {
 137         av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Invalid frame rate: %s\n", mb->rate);
 138         return AVERROR(EINVAL);
 139     }
 140     mb->time_base.num = rate_q.den;
 141     mb->time_base.den = rate_q.num;
 142
 143     mb->cache_allocated = mb->w * mb->h * 3;
 144     mb->cache_used = 0;
 145     mb->point_cache= av_malloc(sizeof(*mb->point_cache)*mb->cache_allocated);
 146     mb-> next_cache= av_malloc(sizeof(*mb-> next_cache)*mb->cache_allocated);
 147     mb-> zyklus    = av_malloc(sizeof(*mb->zyklus) * (mb->maxiter+16));
 148
 149     return 0;
 150 }
 151
 152 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 153 {
 154     MBContext *mb = ctx->priv;
 155
 156     av_freep(&mb->rate);
 157     av_freep(&mb->point_cache);
 158     av_freep(&mb-> next_cache);
 159     av_freep(&mb->zyklus);
 160 }
 161
 162 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 163 {
 164     static const enum PixelFormat pix_fmts[] = {
 165         PIX_FMT_BGR32,
 166         PIX_FMT_NONE
 167     };
 168
 169     avfilter_set_common_pixel_formats(ctx, avfilter_make_format_list(pix_fmts));
 170     return 0;
 171 }
 172
 173 static int config_props(AVFilterLink *inlink)
 174 {
 175     AVFilterContext *ctx = inlink->src;
 176     MBContext *mb = ctx->priv;
 177
 178     if (av_image_check_size(mb->w, mb->h, 0, ctx) < 0)
 179         return AVERROR(EINVAL);
 180
 181     inlink->w = mb->w;
 182     inlink->h = mb->h;
 183     inlink->time_base = mb->time_base;
 184
 185     return 0;
 186 }
 187
 188 static void fill_from_cache(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int *in_cidx, int *out_cidx, double py, double scale){
 189     MBContext *mb = ctx->priv;
 190     for(; *in_cidx < mb->cache_used; (*in_cidx)++){
 191         Point *p= &mb->point_cache[*in_cidx];
 192         int x;
 193         if(p->p[1] > py)
 194             break;
 195         x= round((p->p[0] - mb->start_x) / scale + mb->w/2);
 196         if(x<0 || x >= mb->w)
 197             continue;
 198         if(color) color[x] = p->val;
 199         if(out_cidx && *out_cidx < mb->cache_allocated)
 200             mb->next_cache[(*out_cidx)++]= *p;
 201     }
 202 }
 203
 204 static int interpol(MBContext *mb, uint32_t *color, int x, int y, int linesize)
 205 {
 206     uint32_t a,b,c,d, i;
 207     uint32_t ipol=0xFF000000;
 208     int dist;
 209
 210     if(!x || !y || x+1==mb->w || y+1==mb->h)
 211         return 0;
 212
 213     dist= FFMAX(FFABS(x-(mb->w>>1))*mb->h, FFABS(y-(mb->h>>1))*mb->w);
 214
 215     if(dist<(mb->w*mb->h>>3))
 216         return 0;
 217
 218     a=color[(x+1) + (y+0)*linesize];
 219     b=color[(x-1) + (y+1)*linesize];
 220     c=color[(x+0) + (y+1)*linesize];
 221     d=color[(x+1) + (y+1)*linesize];
 222
 223     if(a&&c){
 224         b= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
 225         d= color[(x+0) + (y-1)*linesize];
 226     }else if(b&&d){
 227         a= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
 228         c= color[(x-1) + (y-1)*linesize];
 229     }else if(c){
 230         d= color[(x+0) + (y-1)*linesize];
 231         a= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
 232         b= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
 233     }else if(d){
 234         c= color[(x-1) + (y-1)*linesize];
 235         a= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
 236         b= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
 237     }else
 238         return 0;
 239
 240     for(i=0; i<3; i++){
 241         int s= 8*i;
 242         uint8_t ac= a>>s;
 243         uint8_t bc= b>>s;
 244         uint8_t cc= c>>s;
 245         uint8_t dc= d>>s;
 246         int ipolab= (ac + bc);
 247         int ipolcd= (cc + dc);
 248         if(FFABS(ipolab - ipolcd) > 5)
 249             return 0;
 250         if(FFABS(ac-bc)+FFABS(cc-dc) > 20)
 251             return 0;
 252         ipol |= ((ipolab + ipolcd + 2)/4)<<s;
 253     }
 254     color[x + y*linesize]= ipol;
 255     return 1;
 256 }
 257
 258 static void draw_mandelbrot(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int linesize, int64_t pts)
 259 {
 260     MBContext *mb = ctx->priv;
 261     int x,y,i, in_cidx=0, next_cidx=0, tmp_cidx;
 262     double scale= mb->start_scale*pow(mb->end_scale/mb->start_scale, pts/mb->end_pts);
 263     int use_zyklus=0;
 264     fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, NULL, mb->start_y+scale*(-mb->h/2-0.5), scale);
 265     tmp_cidx= in_cidx;
 266     memset(color, 0, sizeof(*color)*mb->w);
 267     for(y=0; y<mb->h; y++){
 268         int y1= y+1;
 269         const double ci=mb->start_y+scale*(y-mb->h/2);
 270         fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, &next_cidx, ci, scale);
 271         if(y1<mb->h){
 272             memset(color+linesize*y1, 0, sizeof(*color)*mb->w);
 273             fill_from_cache(ctx, color+linesize*y1, &tmp_cidx, NULL, ci + 3*scale/2, scale);
 274         }
 275
 276         for(x=0; x<mb->w; x++){
 277             float av_uninit(epsilon);
 278             const double cr=mb->start_x+scale*(x-mb->w/2);
 279             double zr=cr;
 280             double zi=ci;
 281             uint32_t c=0;
 282             double dv= mb->dither / (double)(1LL<<32);
 283             mb->dither= mb->dither*1664525+1013904223;
 284
 285             if(color[x + y*linesize] & 0xFF000000)
 286                 continue;
 287             if(interpol(mb, color, x, y, linesize)){
 288                 if(next_cidx < mb->cache_allocated){
 289                     mb->next_cache[next_cidx  ].p[0]= cr;
 290                     mb->next_cache[next_cidx  ].p[1]= ci;
 291                     mb->next_cache[next_cidx++].val = color[x + y*linesize];
 292                 }
 293                 continue;
 294             }
 295
 296             use_zyklus= (x==0 || mb->inner!=BLACK ||color[x-1 + y*linesize] == 0xFF000000);
 297             if(use_zyklus)
 298                 epsilon= scale*1*sqrt(SQR(x-mb->w/2) + SQR(y-mb->h/2))/mb->w;
 299
 300 #define Z_Z2_C(outr,outi,inr,ini)\
 301             outr= inr*inr - ini*ini + cr;\
 302             outi= 2*inr*ini + ci;
 303
 304 #define Z_Z2_C_ZYKLUS(outr,outi,inr,ini, Z)\
 305             Z_Z2_C(outr,outi,inr,ini)\
 306             if(use_zyklus){\
 307                 if(Z && fabs(mb->zyklus[i>>1][0]-outr)+fabs(mb->zyklus[i>>1][1]-outi) <= epsilon)\
 308                     break;\
 309             }\
 310             mb->zyklus[i][0]= outr;\
 311             mb->zyklus[i][1]= outi;\
 312
 313
 314
 315             for(i=0; i<mb->maxiter-8; i++){
 316                 double t;
 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                 i++;
 329                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
 330                 i++;
 331                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
 332                 if(zr*zr + zi*zi > mb->bailout){
 333                     i-= FFMIN(7, i);
 334                     for(; i<mb->maxiter; i++){
 335                         zr= mb->zyklus[i][0];
 336                         zi= mb->zyklus[i][1];
 337                         if(zr*zr + zi*zi > mb->bailout){
 338                             switch(mb->outer){
 339                             case            ITERATION_COUNT: zr = i; break;
 340                             case NORMALIZED_ITERATION_COUNT: zr= i + log2(log(mb->bailout) / log(zr*zr + zi*zi)); break;
 341                             }
 342                             c= lrintf((sin(zr)+1)*127) + lrintf((sin(zr/1.234)+1)*127)*256*256 + lrintf((sin(zr/100)+1)*127)*256;
 343                             break;
 344                         }
 345                     }
 346                     break;
 347                 }
 348             }
 349             if(!c){
 350                 if(mb->inner==PERIOD){
 351                 int j;
 352                 for(j=i-1; j; j--)
 353                     if(SQR(mb->zyklus[j][0]-zr) + SQR(mb->zyklus[j][1]-zi) < epsilon*epsilon*10)
 354                         break;
 355                 if(j){
 356                     c= i-j;
 357                     c= ((c<<5)&0xE0) + ((c<<16)&0xE000) + ((c<<27)&0xE00000);
 358                 }
 359                 }else if(mb->inner==CONVTIME){
 360                     c= floor(i*255.0/mb->maxiter+dv)*0x010101;
 361                 } else if(mb->inner==MINCOL){
 362                     int j;
 363                     double closest=9999;
 364                     int closest_index=0;
 365                     for(j=i-1; j>=0; j--)
 366                         if(SQR(mb->zyklus[j][0]) + SQR(mb->zyklus[j][1]) < closest){
 367                             closest= SQR(mb->zyklus[j][0]) + SQR(mb->zyklus[j][1]);
 368                             closest_index= j;
 369                         }
 370                     closest = sqrt(closest);
 371                     c= lrintf((mb->zyklus[closest_index][0]/closest+1)*127+dv) + lrintf((mb->zyklus[closest_index][1]/closest+1)*127+dv)*256;
 372                 }
 373             }
 374             c |= 0xFF000000;
 375             color[x + y*linesize]= c;
 376             if(next_cidx < mb->cache_allocated){
 377                 mb->next_cache[next_cidx  ].p[0]= cr;
 378                 mb->next_cache[next_cidx  ].p[1]= ci;
 379                 mb->next_cache[next_cidx++].val = c;
 380             }
 381         }
 382         fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, &next_cidx, ci + scale/2, scale);
 383     }
 384     FFSWAP(void*, mb->next_cache, mb->point_cache);
 385     mb->cache_used = next_cidx;
 386     if(mb->cache_used == mb->cache_allocated)
 387         av_log(0, AV_LOG_INFO, "Mandelbrot cache is too small!\n");
 388 }
 389
 390 static int request_frame(AVFilterLink *link)
 391 {
 392     MBContext *mb = link->src->priv;
 393     AVFilterBufferRef *picref = avfilter_get_video_buffer(link, AV_PERM_WRITE, mb->w, mb->h);
 394     picref->video->sample_aspect_ratio = (AVRational) {1, 1};
 395     picref->pts = mb->pts++;
 396     picref->pos = -1;
 397
 398     avfilter_start_frame(link, avfilter_ref_buffer(picref, ~0));
 399     draw_mandelbrot(link->src, (uint32_t*)picref->data[0], picref->linesize[0]/4, picref->pts);
 400     avfilter_draw_slice(link, 0, mb->h, 1);
 401     avfilter_end_frame(link);
 402     avfilter_unref_buffer(picref);
 403
 404     return 0;
 405 }
 406
 407 AVFilter avfilter_vsrc_mandelbrot = {
 408     .name        = "mandelbrot",
 409     .description = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Render a Mandelbrot fractal."),
 410
 411     .priv_size = sizeof(MBContext),
 412     .init      = init,
 413     .uninit    = uninit,
 414
 415     .query_formats = query_formats,
 416
 417     .inputs    = (const AVFilterPad[]) {{ .name = NULL}},
 418
 419     .outputs   = (const AVFilterPad[]) {{ .name      = "default",
 420                                     .type            = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 421                                     .request_frame   = request_frame,
 422                                     .config_props    = config_props },
 423                                   { .name = NULL}},
 424 };