AAC encoder: TNS fixes on short windows
[ffmpeg.git] / libavcodec / aacenc_tns.c
1 /*
2  * AAC encoder TNS
3  * Copyright (C) 2015 Rostislav Pehlivanov
4  *
5  * This file is part of FFmpeg.
6  *
7  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
8  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
9  * License as published by the Free Software Foundation; either
10  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
11  *
12  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
13  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
15  * Lesser General Public License for more details.
16  *
17  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
18  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
19  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
20  */
21
22 /**
23  * @file
24  * AAC encoder temporal noise shaping
25  * @author Rostislav Pehlivanov ( atomnuker gmail com )
26  */
27
28 #include "aacenc.h"
29 #include "aacenc_tns.h"
30 #include "aactab.h"
31 #include "aacenc_utils.h"
32 #include "aacenc_quantization.h"
33
34 /* Could be set to 3 to save an additional bit at the cost of little quality */
35 #define TNS_Q_BITS 4
36
37 /* Coefficient resolution in short windows */
38 #define TNS_Q_BITS_IS8 4
39
40 /* We really need the bits we save here elsewhere */
41 #define TNS_ENABLE_COEF_COMPRESSION
42
43 /* TNS will only be used if the LPC gain is within these margins */
44 #define TNS_GAIN_THRESHOLD_LOW      1.4f
45 #define TNS_GAIN_THRESHOLD_HIGH     1.16f*TNS_GAIN_THRESHOLD_LOW
46
47 static inline int compress_coeffs(int *coef, int order, int c_bits)
48 {
49     int i;
50     const int low_idx   = c_bits ?  4 : 2;
51     const int shift_val = c_bits ?  8 : 4;
52     const int high_idx  = c_bits ? 11 : 5;
53 #ifndef TNS_ENABLE_COEF_COMPRESSION
54     return 0;
55 #endif /* TNS_ENABLE_COEF_COMPRESSION */
56     for (i = 0; i < order; i++)
57         if (coef[i] >= low_idx && coef[i] <= high_idx)
58             return 0;
59     for (i = 0; i < order; i++)
60         coef[i] -= (coef[i] > high_idx) ? shift_val : 0;
61     return 1;
62 }
63
64 /**
65  * Encode TNS data.
66  * Coefficient compression is simply not lossless as it should be
67  * on any decoder tested and as such is not active.
68  */
69 void ff_aac_encode_tns_info(AACEncContext *s, SingleChannelElement *sce)
70 {
71     TemporalNoiseShaping *tns = &sce->tns;
72     int i, w, filt, coef_compress = 0, coef_len;
73     const int is8 = sce->ics.window_sequence[0] == EIGHT_SHORT_SEQUENCE;
74     const int c_bits = is8 ? TNS_Q_BITS_IS8 == 4 : TNS_Q_BITS == 4;
75
76     if (!sce->tns.present)
77         return;
78
79     for (i = 0; i < sce->ics.num_windows; i++) {
80         put_bits(&s->pb, 2 - is8, sce->tns.n_filt[i]);
81         if (!tns->n_filt[i])
82             continue;
83         put_bits(&s->pb, 1, c_bits);
84         for (filt = 0; filt < tns->n_filt[i]; filt++) {
85             put_bits(&s->pb, 6 - 2 * is8, tns->length[i][filt]);
86             put_bits(&s->pb, 5 - 2 * is8, tns->order[i][filt]);
87             if (!tns->order[i][filt])
88                 continue;
89             put_bits(&s->pb, 1, tns->direction[i][filt]);
90             coef_compress = compress_coeffs(tns->coef_idx[i][filt],
91                                             tns->order[i][filt], c_bits);
92             put_bits(&s->pb, 1, coef_compress);
93             coef_len = c_bits + 3 - coef_compress;
94             for (w = 0; w < tns->order[i][filt]; w++)
95                 put_bits(&s->pb, coef_len, tns->coef_idx[i][filt][w]);
96         }
97     }
98 }
99
100 /* Apply TNS filter */
101 void ff_aac_apply_tns(AACEncContext *s, SingleChannelElement *sce)
102 {
103     TemporalNoiseShaping *tns = &sce->tns;
104     IndividualChannelStream *ics = &sce->ics;
105     int w, filt, m, i, top, order, bottom, start, end, size, inc;
106     const int mmm = FFMIN(ics->tns_max_bands, ics->max_sfb);
107     float lpc[TNS_MAX_ORDER];
108
109     for (w = 0; w < ics->num_windows; w++) {
110         bottom = ics->num_swb;
111         for (filt = 0; filt < tns->n_filt[w]; filt++) {
112             top    = bottom;
113             bottom = FFMAX(0, top - tns->length[w][filt]);
114             order  = tns->order[w][filt];
115             if (order == 0)
116                 continue;
117
118             // tns_decode_coef
119             compute_lpc_coefs(tns->coef[w][filt], order, lpc, 0, 0, 0);
120
121             start = ics->swb_offset[FFMIN(bottom, mmm)];
122             end   = ics->swb_offset[FFMIN(   top, mmm)];
123             if ((size = end - start) <= 0)
124                 continue;
125             if (tns->direction[w][filt]) {
126                 inc = -1;
127                 start = end - 1;
128             } else {
129                 inc = 1;
130             }
131             start += w * 128;
132
133             /* AR filter */
134             for (m = 0; m < size; m++, start += inc) {
135                 for (i = 1; i <= FFMIN(m, order); i++) {
136                     sce->coeffs[start] += lpc[i-1]*sce->pcoeffs[start - i*inc];
137                 }
138             }
139         }
140     }
141 }
142
143 /*
144  * c_bits - 1 if 4 bit coefficients, 0 if 3 bit coefficients
145  */
146 static inline void quantize_coefs(double *coef, int *idx, float *lpc, int order,
147                                   int c_bits)
148 {
149     int i;
150     const float *quant_arr = tns_tmp2_map[c_bits];
151     for (i = 0; i < order; i++) {
152         idx[i] = quant_array_idx(coef[i], quant_arr, c_bits ? 16 : 8);
153         lpc[i] = quant_arr[idx[i]];
154     }
155 }
156
157 /*
158  * 3 bits per coefficient with 8 short windows
159  */
160 void ff_aac_search_for_tns(AACEncContext *s, SingleChannelElement *sce)
161 {
162     TemporalNoiseShaping *tns = &sce->tns;
163     int w, w2, g, count = 0;
164     double gain, coefs[MAX_LPC_ORDER];
165     const int mmm = FFMIN(sce->ics.tns_max_bands, sce->ics.max_sfb);
166     const int is8 = sce->ics.window_sequence[0] == EIGHT_SHORT_SEQUENCE;
167     const int c_bits = is8 ? TNS_Q_BITS_IS8 == 4 : TNS_Q_BITS == 4;
168     const int sfb_start = av_clip(tns_min_sfb[is8][s->samplerate_index], 0, mmm);
169     const int sfb_end   = av_clip(sce->ics.num_swb, 0, mmm);
170     const int order = is8 ? 7 : s->profile == FF_PROFILE_AAC_LOW ? 12 : TNS_MAX_ORDER;
171     const int slant = sce->ics.window_sequence[0] == LONG_STOP_SEQUENCE  ? 1 :
172                       sce->ics.window_sequence[0] == LONG_START_SEQUENCE ? 0 : 2;
173
174     for (w = 0; w < sce->ics.num_windows; w++) {
175         float en[2] = {0.0f, 0.0f};
176         int oc_start = 0, os_start = 0;
177         int coef_start = w*sce->ics.num_swb + sce->ics.swb_offset[sfb_start];
178         int coef_len = sce->ics.swb_offset[sfb_end] - sce->ics.swb_offset[sfb_start];
179         const int sfb_len = sfb_end - sfb_start;
180
181         for (g = sfb_start; g < sce->ics.num_swb && g <= sfb_end; g++) {
182             FFPsyBand *band = &s->psy.ch[s->cur_channel].psy_bands[w*16+g];
183             if (g > sfb_start + (sfb_len/2))
184                 en[1] += band->energy;
185             else
186                 en[0] += band->energy;
187         }
188
189         if (coef_len <= 0 || sfb_len <= 0)
190             continue;
191
192         /* LPC */
193         gain = ff_lpc_calc_ref_coefs_f(&s->lpc, &sce->coeffs[w*128 + coef_start],
194                                        coef_len, order, coefs);
195
196         if (!order || gain < TNS_GAIN_THRESHOLD_LOW || gain > TNS_GAIN_THRESHOLD_HIGH)
197             continue;
198
199         tns->n_filt[w] = is8 ? 1 : order != TNS_MAX_ORDER ? 2 : 3;
200         for (g = 0; g < tns->n_filt[w]; g++) {
201             tns->direction[w][g] = slant != 2 ? slant : en[g] < en[!g];
202             tns->order[w][g] = g < tns->n_filt[w] ? order/tns->n_filt[w] : order - oc_start;
203             tns->length[w][g] = g < tns->n_filt[w] ? sfb_len/tns->n_filt[w] : sfb_len - os_start;
204             quantize_coefs(&coefs[oc_start], tns->coef_idx[w][g], tns->coef[w][g],
205                             tns->order[w][g], c_bits);
206             oc_start += tns->order[w][g];
207             os_start += tns->length[w][g];
208         }
209         count++;
210     }
211     sce->tns.present = !!count;
212 }