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 <math.h>
  33 #include <stdio.h>
  34 #include <stdlib.h>
  35 #if HAVE_ISATTY
  36 #if HAVE_IO_H
  37 #include <io.h>
  38 #endif
  39 #if HAVE_UNISTD_H
  40 #include <unistd.h>
  41 #endif
  42 #endif
  43
  44 #define FFSWAP(type,a,b) do{type SWAP_tmp= b; b= a; a= SWAP_tmp;}while(0)
  45 #define FFMIN(a,b) ((a) > (b) ? (b) : (a))
  46
  47 #define BIT_DEPTH 8
  48 #define PIXEL_MAX ((1 << BIT_DEPTH)-1)
  49 typedef uint8_t  pixel;
  50
  51 /****************************************************************************
  52  * structural similarity metric
  53  ****************************************************************************/
  54 static void ssim_4x4x2_core( const pixel *pix1, intptr_t stride1,
  55                              const pixel *pix2, intptr_t stride2,
  56                              int sums[2][4] )
  57 {
  58     int x,y,z;
  59
  60     for( z = 0; z < 2; z++ )
  61     {
  62         uint32_t s1 = 0, s2 = 0, ss = 0, s12 = 0;
  63         for( y = 0; y < 4; y++ )
  64             for( x = 0; x < 4; x++ )
  65             {
  66                 int a = pix1[x+y*stride1];
  67                 int b = pix2[x+y*stride2];
  68                 s1  += a;
  69                 s2  += b;
  70                 ss  += a*a;
  71                 ss  += b*b;
  72                 s12 += a*b;
  73             }
  74         sums[z][0] = s1;
  75         sums[z][1] = s2;
  76         sums[z][2] = ss;
  77         sums[z][3] = s12;
  78         pix1 += 4;
  79         pix2 += 4;
  80     }
  81 }
  82
  83 static float ssim_end1( int s1, int s2, int ss, int s12 )
  84 {
  85 /* Maximum value for 10-bit is: ss*64 = (2^10-1)^2*16*4*64 = 4286582784, which will overflow in some cases.
  86  * s1*s1, s2*s2, and s1*s2 also obtain this value for edge cases: ((2^10-1)*16*4)^2 = 4286582784.
  87  * Maximum value for 9-bit is: ss*64 = (2^9-1)^2*16*4*64 = 1069551616, which will not overflow. */
  88 #if BIT_DEPTH > 9
  89 #define type float
  90     static const float ssim_c1 = .01*.01*PIXEL_MAX*PIXEL_MAX*64;
  91     static const float ssim_c2 = .03*.03*PIXEL_MAX*PIXEL_MAX*64*63;
  92 #else
  93 #define type int
  94     static const int ssim_c1 = (int)(.01*.01*PIXEL_MAX*PIXEL_MAX*64 + .5);
  95     static const int ssim_c2 = (int)(.03*.03*PIXEL_MAX*PIXEL_MAX*64*63 + .5);
  96 #endif
  97     type fs1 = s1;
  98     type fs2 = s2;
  99     type fss = ss;
 100     type fs12 = s12;
 101     type vars = fss*64 - fs1*fs1 - fs2*fs2;
 102     type covar = fs12*64 - fs1*fs2;
 103     return (float)(2*fs1*fs2 + ssim_c1) * (float)(2*covar + ssim_c2)
 104          / ((float)(fs1*fs1 + fs2*fs2 + ssim_c1) * (float)(vars + ssim_c2));
 105 #undef type
 106 }
 107
 108 static float ssim_end4( int sum0[5][4], int sum1[5][4], int width )
 109 {
 110     float ssim = 0.0;
 111     int i;
 112
 113     for( i = 0; i < width; i++ )
 114         ssim += ssim_end1( sum0[i][0] + sum0[i+1][0] + sum1[i][0] + sum1[i+1][0],
 115                            sum0[i][1] + sum0[i+1][1] + sum1[i][1] + sum1[i+1][1],
 116                            sum0[i][2] + sum0[i+1][2] + sum1[i][2] + sum1[i+1][2],
 117                            sum0[i][3] + sum0[i+1][3] + sum1[i][3] + sum1[i+1][3] );
 118     return ssim;
 119 }
 120
 121 float ssim_plane(
 122                            pixel *pix1, intptr_t stride1,
 123                            pixel *pix2, intptr_t stride2,
 124                            int width, int height, void *buf, int *cnt )
 125 {
 126     int z = 0;
 127     int x, y;
 128     float ssim = 0.0;
 129     int (*sum0)[4] = buf;
 130     int (*sum1)[4] = sum0 + (width >> 2) + 3;
 131     width >>= 2;
 132     height >>= 2;
 133     for( y = 1; y < height; y++ )
 134     {
 135         for( ; z <= y; z++ )
 136         {
 137             FFSWAP( void*, sum0, sum1 );
 138             for( x = 0; x < width; x+=2 )
 139                 ssim_4x4x2_core( &pix1[4*(x+z*stride1)], stride1, &pix2[4*(x+z*stride2)], stride2, &sum0[x] );
 140         }
 141         for( x = 0; x < width-1; x += 4 )
 142             ssim += ssim_end4( sum0+x, sum1+x, FFMIN(4,width-x-1) );
 143     }
 144 //     *cnt = (height-1) * (width-1);
 145     return ssim / ((height-1) * (width-1));
 146 }
 147
 148
 149 uint64_t ssd_plane( const uint8_t *pix1, const uint8_t *pix2, int size )
 150 {
 151     uint64_t ssd = 0;
 152     int i;
 153     for( i=0; i<size; i++ )
 154     {
 155         int d = pix1[i] - pix2[i];
 156         ssd += d*d;
 157     }
 158     return ssd;
 159 }
 160
 161 static double ssd_to_psnr( uint64_t ssd, uint64_t denom )
 162 {
 163     return -10*log((double)ssd/(denom*255*255))/log(10);
 164 }
 165
 166 static double ssim_db( double ssim, double weight )
 167 {
 168     return 10*(log(weight)/log(10)-log(weight-ssim)/log(10));
 169 }
 170
 171 static void print_results(uint64_t ssd[3], double ssim[3], int frames, int w, int h)
 172 {
 173     printf( "PSNR Y:%.3f  U:%.3f  V:%.3f  All:%.3f | ",
 174             ssd_to_psnr( ssd[0], (uint64_t)frames*w*h ),
 175             ssd_to_psnr( ssd[1], (uint64_t)frames*w*h/4 ),
 176             ssd_to_psnr( ssd[2], (uint64_t)frames*w*h/4 ),
 177             ssd_to_psnr( ssd[0] + ssd[1] + ssd[2], (uint64_t)frames*w*h*3/2 ) );
 178     printf( "SSIM Y:%.5f U:%.5f V:%.5f All:%.5f (%.5f)",
 179             ssim[0] / frames,
 180             ssim[1] / frames,
 181             ssim[2] / frames,
 182             (ssim[0]*4 + ssim[1] + ssim[2]) / (frames*6),
 183             ssim_db(ssim[0] * 4 + ssim[1] + ssim[2], frames*6));
 184 }
 185
 186 int main(int argc, char* argv[])
 187 {
 188     FILE *f[2];
 189     uint8_t *buf[2], *plane[2][3];
 190     int *temp;
 191     uint64_t ssd[3] = {0,0,0};
 192     double ssim[3] = {0,0,0};
 193     int frame_size, w, h;
 194     int frames, seek;
 195     int i, istty = 1;
 196
 197     if( argc<4 || 2 != sscanf(argv[3], "%dx%d", &w, &h) )
 198     {
 199         printf("tiny_ssim <file1.yuv> <file2.yuv> <width>x<height> [<seek>]\n");
 200         return -1;
 201     }
 202
 203     f[0] = fopen(argv[1], "rb");
 204     f[1] = fopen(argv[2], "rb");
 205     sscanf(argv[3], "%dx%d", &w, &h);
 206     frame_size = w*h*3/2;
 207     for( i=0; i<2; i++ )
 208     {
 209         buf[i] = malloc(frame_size);
 210         plane[i][0] = buf[i];
 211         plane[i][1] = plane[i][0] + w*h;
 212         plane[i][2] = plane[i][1] + w*h/4;
 213     }
 214     temp = malloc((2*w+12)*sizeof(*temp));
 215     seek = argc<5 ? 0 : atoi(argv[4]);
 216     fseek(f[seek<0], seek < 0 ? -seek : seek, SEEK_SET);
 217
 218 #if HAVE_ISATTY
 219     istty = isatty(0) && isatty(2);
 220 #endif
 221     for( frames=0;; frames++ )
 222     {
 223         uint64_t ssd_one[3];
 224         double ssim_one[3];
 225         if( fread(buf[0], frame_size, 1, f[0]) != 1) break;
 226         if( fread(buf[1], frame_size, 1, f[1]) != 1) break;
 227         for( i=0; i<3; i++ )
 228         {
 229             ssd_one[i]  = ssd_plane ( plane[0][i], plane[1][i], w*h>>2*!!i );
 230             ssim_one[i] = ssim_plane( plane[0][i], w>>!!i,
 231                                      plane[1][i], w>>!!i,
 232                                      w>>!!i, h>>!!i, temp, NULL );
 233             ssd[i] += ssd_one[i];
 234             ssim[i] += ssim_one[i];
 235         }
 236
 237         printf("Frame %d | ", frames);
 238         print_results(ssd_one, ssim_one, 1, w, h);
 239         if (istty) {
 240             printf("                \r");
 241             fflush(stdout);
 242         } else
 243             printf("\n");
 244     }
 245
 246     if( !frames ) return 0;
 247
 248     printf("Total %d frames | ", frames);
 249     print_results(ssd, ssim, frames, w, h);
 250     printf("\n");
 251
 252     return 0;
 253 }