git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - tests/tiny_ssim.c

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2003-2013 Loren Merritt
   3  *
   4  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   5  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
   6  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
   7  * (at your option) any later version.
   8  *
   9  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
  10  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  11  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  12  * GNU General Public License for more details.
  13  *
  14  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  15  * along with this program; if not, write to the Free Software
  16  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110 USA
  17  */
  18 /*
  19  * tiny_ssim.c
  20  * Computes the Structural Similarity Metric between two rawYV12 video files.
  21  * original algorithm:
  22  * Z. Wang, A. C. Bovik, H. R. Sheikh and E. P. Simoncelli,
  23  *   "Image quality assessment: From error visibility to structural similarity,"
  24  *   IEEE Transactions on Image Processing, vol. 13, no. 4, pp. 600-612, Apr. 2004.
  25  *
  26  * To improve speed, this implementation uses the standard approximation of
  27  * overlapped 8x8 block sums, rather than the original gaussian weights.
  28  */
  29
  30 #include "config.h"
  31 #include <inttypes.h>
  32 #include <limits.h>
  33 #include <math.h>
  34 #include <stdio.h>
  35 #include <stdlib.h>
  36
  37 #define FFSWAP(type,a,b) do{type SWAP_tmp= b; b= a; a= SWAP_tmp;}while(0)
  38 #define FFMIN(a,b) ((a) > (b) ? (b) : (a))
  39
  40 #define BIT_DEPTH 8
  41 #define PIXEL_MAX ((1 << BIT_DEPTH)-1)
  42 typedef uint8_t  pixel;
  43
  44 /****************************************************************************
  45  * structural similarity metric
  46  ****************************************************************************/
  47 static void ssim_4x4x2_core( const pixel *pix1, intptr_t stride1,
  48                              const pixel *pix2, intptr_t stride2,
  49                              int sums[2][4] )
  50 {
  51     int x,y,z;
  52
  53     for( z = 0; z < 2; z++ )
  54     {
  55         uint32_t s1 = 0, s2 = 0, ss = 0, s12 = 0;
  56         for( y = 0; y < 4; y++ )
  57             for( x = 0; x < 4; x++ )
  58             {
  59                 int a = pix1[x+y*stride1];
  60                 int b = pix2[x+y*stride2];
  61                 s1  += a;
  62                 s2  += b;
  63                 ss  += a*a;
  64                 ss  += b*b;
  65                 s12 += a*b;
  66             }
  67         sums[z][0] = s1;
  68         sums[z][1] = s2;
  69         sums[z][2] = ss;
  70         sums[z][3] = s12;
  71         pix1 += 4;
  72         pix2 += 4;
  73     }
  74 }
  75
  76 static float ssim_end1( int s1, int s2, int ss, int s12 )
  77 {
  78 /* Maximum value for 10-bit is: ss*64 = (2^10-1)^2*16*4*64 = 4286582784, which will overflow in some cases.
  79  * s1*s1, s2*s2, and s1*s2 also obtain this value for edge cases: ((2^10-1)*16*4)^2 = 4286582784.
  80  * Maximum value for 9-bit is: ss*64 = (2^9-1)^2*16*4*64 = 1069551616, which will not overflow. */
  81 #if BIT_DEPTH > 9
  82     typedef float type;
  83     static const float ssim_c1 = .01*.01*PIXEL_MAX*PIXEL_MAX*64;
  84     static const float ssim_c2 = .03*.03*PIXEL_MAX*PIXEL_MAX*64*63;
  85 #else
  86     typedef int type;
  87     static const int ssim_c1 = (int)(.01*.01*PIXEL_MAX*PIXEL_MAX*64 + .5);
  88     static const int ssim_c2 = (int)(.03*.03*PIXEL_MAX*PIXEL_MAX*64*63 + .5);
  89 #endif
  90     type fs1 = s1;
  91     type fs2 = s2;
  92     type fss = ss;
  93     type fs12 = s12;
  94     type vars = fss*64 - fs1*fs1 - fs2*fs2;
  95     type covar = fs12*64 - fs1*fs2;
  96     return (float)(2*fs1*fs2 + ssim_c1) * (float)(2*covar + ssim_c2)
  97          / ((float)(fs1*fs1 + fs2*fs2 + ssim_c1) * (float)(vars + ssim_c2));
  98 }
  99
 100 static float ssim_end4( int sum0[5][4], int sum1[5][4], int width )
 101 {
 102     float ssim = 0.0;
 103     int i;
 104
 105     for( i = 0; i < width; i++ )
 106         ssim += ssim_end1( sum0[i][0] + sum0[i+1][0] + sum1[i][0] + sum1[i+1][0],
 107                            sum0[i][1] + sum0[i+1][1] + sum1[i][1] + sum1[i+1][1],
 108                            sum0[i][2] + sum0[i+1][2] + sum1[i][2] + sum1[i+1][2],
 109                            sum0[i][3] + sum0[i+1][3] + sum1[i][3] + sum1[i+1][3] );
 110     return ssim;
 111 }
 112
 113 float ssim_plane(
 114                            pixel *pix1, intptr_t stride1,
 115                            pixel *pix2, intptr_t stride2,
 116                            int width, int height, void *buf, int *cnt )
 117 {
 118     int z = 0;
 119     int x, y;
 120     float ssim = 0.0;
 121     int (*sum0)[4] = buf;
 122     int (*sum1)[4] = sum0 + (width >> 2) + 3;
 123     width >>= 2;
 124     height >>= 2;
 125     for( y = 1; y < height; y++ )
 126     {
 127         for( ; z <= y; z++ )
 128         {
 129             FFSWAP( void*, sum0, sum1 );
 130             for( x = 0; x < width; x+=2 )
 131                 ssim_4x4x2_core( &pix1[4*(x+z*stride1)], stride1, &pix2[4*(x+z*stride2)], stride2, &sum0[x] );
 132         }
 133         for( x = 0; x < width-1; x += 4 )
 134             ssim += ssim_end4( sum0+x, sum1+x, FFMIN(4,width-x-1) );
 135     }
 136 //     *cnt = (height-1) * (width-1);
 137     return ssim / ((height-1) * (width-1));
 138 }
 139
 140
 141 uint64_t ssd_plane( const uint8_t *pix1, const uint8_t *pix2, int size )
 142 {
 143     uint64_t ssd = 0;
 144     int i;
 145     for( i=0; i<size; i++ )
 146     {
 147         int d = pix1[i] - pix2[i];
 148         ssd += d*d;
 149     }
 150     return ssd;
 151 }
 152
 153 static double ssd_to_psnr( uint64_t ssd, uint64_t denom )
 154 {
 155     return -10*log((double)ssd/(denom*255*255))/log(10);
 156 }
 157
 158 static double ssim_db( double ssim, double weight )
 159 {
 160     return 10*(log(weight)/log(10)-log(weight-ssim)/log(10));
 161 }
 162
 163 static void print_results(uint64_t ssd[3], double ssim[3], int frames, int w, int h)
 164 {
 165     printf( "PSNR Y:%.3f  U:%.3f  V:%.3f  All:%.3f | ",
 166             ssd_to_psnr( ssd[0], (uint64_t)frames*w*h ),
 167             ssd_to_psnr( ssd[1], (uint64_t)frames*w*h/4 ),
 168             ssd_to_psnr( ssd[2], (uint64_t)frames*w*h/4 ),
 169             ssd_to_psnr( ssd[0] + ssd[1] + ssd[2], (uint64_t)frames*w*h*3/2 ) );
 170     printf( "SSIM Y:%.5f U:%.5f V:%.5f All:%.5f (%.5f)",
 171             ssim[0] / frames,
 172             ssim[1] / frames,
 173             ssim[2] / frames,
 174             (ssim[0]*4 + ssim[1] + ssim[2]) / (frames*6),
 175             ssim_db(ssim[0] * 4 + ssim[1] + ssim[2], frames*6));
 176 }
 177
 178 int main(int argc, char* argv[])
 179 {
 180     FILE *f[2];
 181     uint8_t *buf[2], *plane[2][3];
 182     int *temp;
 183     uint64_t ssd[3] = {0,0,0};
 184     double ssim[3] = {0,0,0};
 185     int frame_size, w, h;
 186     int frames, seek;
 187     int i;
 188
 189     if( argc<4 || 2 != sscanf(argv[3], "%dx%d", &w, &h) )
 190     {
 191         printf("tiny_ssim <file1.yuv> <file2.yuv> <width>x<height> [<seek>]\n");
 192         return -1;
 193     }
 194
 195     f[0] = fopen(argv[1], "rb");
 196     f[1] = fopen(argv[2], "rb");
 197     sscanf(argv[3], "%dx%d", &w, &h);
 198
 199     if (w<=0 || h<=0 || w*(int64_t)h >= INT_MAX/3 || 2LL*w+12 >= INT_MAX / sizeof(*temp)) {
 200         fprintf(stderr, "Dimensions are too large, or invalid\n");
 201         return -2;
 202     }
 203
 204     frame_size = w*h*3LL/2;
 205     for( i=0; i<2; i++ )
 206     {
 207         buf[i] = malloc(frame_size);
 208         plane[i][0] = buf[i];
 209         plane[i][1] = plane[i][0] + w*h;
 210         plane[i][2] = plane[i][1] + w*h/4;
 211     }
 212     temp = malloc((2*w+12)*sizeof(*temp));
 213     seek = argc<5 ? 0 : atoi(argv[4]);
 214     fseek(f[seek<0], seek < 0 ? -seek : seek, SEEK_SET);
 215
 216     for( frames=0;; frames++ )
 217     {
 218         uint64_t ssd_one[3];
 219         double ssim_one[3];
 220         if( fread(buf[0], frame_size, 1, f[0]) != 1) break;
 221         if( fread(buf[1], frame_size, 1, f[1]) != 1) break;
 222         for( i=0; i<3; i++ )
 223         {
 224             ssd_one[i]  = ssd_plane ( plane[0][i], plane[1][i], w*h>>2*!!i );
 225             ssim_one[i] = ssim_plane( plane[0][i], w>>!!i,
 226                                      plane[1][i], w>>!!i,
 227                                      w>>!!i, h>>!!i, temp, NULL );
 228             ssd[i] += ssd_one[i];
 229             ssim[i] += ssim_one[i];
 230         }
 231
 232         printf("Frame %d | ", frames);
 233         print_results(ssd_one, ssim_one, 1, w, h);
 234         printf("                \r");
 235         fflush(stdout);
 236     }
 237
 238     if( !frames ) return 0;
 239
 240     printf("Total %d frames | ", frames);
 241     print_results(ssd, ssim, frames, w, h);
 242     printf("\n");
 243
 244     return 0;
 245 }