aacenc_tns: rework TNS descision logic
[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 /* Define this to save a bit, be warned decoders can't deal with it
41  * so it is not lossless despite what the specifications say */
42 // #define TNS_ENABLE_COEF_COMPRESSION
43
44 /* TNS will only be used if the LPC gain is within these margins */
45 #define TNS_GAIN_THRESHOLD_LOW  1.477f
46 #define TNS_GAIN_THRESHOLD_HIGH 7.0f
47 #define TNS_GAIN_THRESHOLD_LOW_IS8  0.16f*TNS_GAIN_THRESHOLD_LOW
48 #define TNS_GAIN_THRESHOLD_HIGH_IS8 0.26f*TNS_GAIN_THRESHOLD_HIGH
49
50 static inline int compress_coeffs(int *coef, int order, int c_bits)
51 {
52     int i;
53     const int low_idx   = c_bits ?  4 : 2;
54     const int shift_val = c_bits ?  8 : 4;
55     const int high_idx  = c_bits ? 11 : 5;
56 #ifndef TNS_ENABLE_COEF_COMPRESSION
57     return 0;
58 #endif /* TNS_ENABLE_COEF_COMPRESSION */
59     for (i = 0; i < order; i++)
60         if (coef[i] >= low_idx && coef[i] <= high_idx)
61             return 0;
62     for (i = 0; i < order; i++)
63         coef[i] -= (coef[i] > high_idx) ? shift_val : 0;
64     return 1;
65 }
66
67 /**
68  * Encode TNS data.
69  * Coefficient compression is simply not lossless as it should be
70  * on any decoder tested and as such is not active.
71  */
72 void ff_aac_encode_tns_info(AACEncContext *s, SingleChannelElement *sce)
73 {
74     int i, w, filt, coef_compress = 0, coef_len;
75     TemporalNoiseShaping *tns = &sce->tns;
76     const int is8 = sce->ics.window_sequence[0] == EIGHT_SHORT_SEQUENCE;
77     const int c_bits = is8 ? TNS_Q_BITS_IS8 == 4 : TNS_Q_BITS == 4;
78
79     if (!sce->tns.present)
80         return;
81
82     for (i = 0; i < sce->ics.num_windows; i++) {
83         put_bits(&s->pb, 2 - is8, sce->tns.n_filt[i]);
84         if (!tns->n_filt[i])
85             continue;
86         put_bits(&s->pb, 1, c_bits);
87         for (filt = 0; filt < tns->n_filt[i]; filt++) {
88             put_bits(&s->pb, 6 - 2 * is8, tns->length[i][filt]);
89             put_bits(&s->pb, 5 - 2 * is8, tns->order[i][filt]);
90             if (!tns->order[i][filt])
91                 continue;
92             put_bits(&s->pb, 1, tns->direction[i][filt]);
93             coef_compress = compress_coeffs(tns->coef_idx[i][filt],
94                                             tns->order[i][filt], c_bits);
95             put_bits(&s->pb, 1, coef_compress);
96             coef_len = c_bits + 3 - coef_compress;
97             for (w = 0; w < tns->order[i][filt]; w++)
98                 put_bits(&s->pb, coef_len, tns->coef_idx[i][filt][w]);
99         }
100     }
101 }
102
103 /* Apply TNS filter */
104 void ff_aac_apply_tns(AACEncContext *s, SingleChannelElement *sce)
105 {
106     TemporalNoiseShaping *tns = &sce->tns;
107     IndividualChannelStream *ics = &sce->ics;
108     int w, filt, m, i, top, order, bottom, start, end, size, inc;
109     const int mmm = FFMIN(ics->tns_max_bands, ics->max_sfb);
110     float lpc[TNS_MAX_ORDER], tmp[TNS_MAX_ORDER+1];
111
112     for (w = 0; w < ics->num_windows; w++) {
113         bottom = ics->num_swb;
114         for (filt = 0; filt < tns->n_filt[w]; filt++) {
115             top    = bottom;
116             bottom = FFMAX(0, top - tns->length[w][filt]);
117             order  = tns->order[w][filt];
118             if (order == 0)
119                 continue;
120
121             // tns_decode_coef
122             compute_lpc_coefs(tns->coef[w][filt], order, lpc, 0, 0, 0);
123
124             start = ics->swb_offset[FFMIN(bottom, mmm)];
125             end   = ics->swb_offset[FFMIN(   top, mmm)];
126             if ((size = end - start) <= 0)
127                 continue;
128             if (tns->direction[w][filt]) {
129                 inc = -1;
130                 start = end - 1;
131             } else {
132                 inc = 1;
133             }
134             start += w * 128;
135
136             if (!s->options.ltp) {     // ar filter
137                 for (m = 0; m < size; m++, start += inc) {
138                     for (i = 1; i <= FFMIN(m, order); i++) {
139                         sce->coeffs[start] += lpc[i-1]*sce->pcoeffs[start - i*inc];
140                     }
141                 }
142             } else {                   // ma filter
143                 for (m = 0; m < size; m++, start += inc) {
144                     tmp[0] = sce->pcoeffs[start];
145                     for (i = 1; i <= FFMIN(m, order); i++)
146                         sce->coeffs[start] += lpc[i-1]*tmp[i];
147                     for (i = order; i > 0; i--)
148                         tmp[i] = tmp[i - 1];
149                 }
150             }
151         }
152     }
153 }
154
155 /*
156  * c_bits - 1 if 4 bit coefficients, 0 if 3 bit coefficients
157  */
158 static inline void quantize_coefs(double *coef, int *idx, float *lpc, int order,
159                                   int c_bits)
160 {
161     int i;
162     const float *quant_arr = tns_tmp2_map[c_bits];
163     for (i = 0; i < order; i++) {
164         idx[i] = quant_array_idx((float)coef[i], quant_arr, c_bits ? 16 : 8);
165         lpc[i] = quant_arr[idx[i]];
166     }
167 }
168
169 /*
170  * 3 bits per coefficient with 8 short windows
171  */
172 void ff_aac_search_for_tns(AACEncContext *s, SingleChannelElement *sce)
173 {
174     TemporalNoiseShaping *tns = &sce->tns;
175     double gain, coefs[MAX_LPC_ORDER];
176     int w, w2, g, count = 0;
177     const int mmm = FFMIN(sce->ics.tns_max_bands, sce->ics.max_sfb);
178     const int is8 = sce->ics.window_sequence[0] == EIGHT_SHORT_SEQUENCE;
179     const int c_bits = is8 ? TNS_Q_BITS_IS8 == 4 : TNS_Q_BITS == 4;
180     const int slant = sce->ics.window_sequence[0] == LONG_STOP_SEQUENCE  ? 1 :
181                       sce->ics.window_sequence[0] == LONG_START_SEQUENCE ? 0 : 2;
182
183     int sfb_start = av_clip(tns_min_sfb[is8][s->samplerate_index], 0, mmm);
184     int sfb_end   = av_clip(sce->ics.num_swb, 0, mmm);
185     int order = is8 ? 5 : s->profile == FF_PROFILE_AAC_LOW ? 12 : TNS_MAX_ORDER;
186
187     for (w = 0; w < sce->ics.num_windows; w++) {
188         float en[2] = {0.0f, 0.0f};
189         int coef_start = w*sce->ics.num_swb + sce->ics.swb_offset[sfb_start];
190         int coef_len = sce->ics.swb_offset[sfb_end] - sce->ics.swb_offset[sfb_start];
191
192         for (g = 0;  g < sce->ics.num_swb; g++) {
193             if (w*16+g < sfb_start || w*16+g > sfb_end)
194                 continue;
195             for (w2 = 0; w2 < sce->ics.group_len[w]; w2++) {
196                 FFPsyBand *band = &s->psy.ch[s->cur_channel].psy_bands[(w+w2)*16+g];
197                 if ((w+w2)*16+g > sfb_start + ((sfb_end - sfb_start)/2))
198                     en[1] += band->energy;
199                 else
200                     en[0] += band->energy;
201             }
202         }
203
204         if (coef_len <= 0 || (sfb_end - sfb_start) <= 0)
205             continue;
206
207         /* LPC */
208         gain = ff_lpc_calc_ref_coefs_f(&s->lpc, &sce->coeffs[coef_start],
209                                        coef_len, order, coefs);
210
211         if (!order || gain < TNS_GAIN_THRESHOLD_LOW || gain > TNS_GAIN_THRESHOLD_HIGH)
212             continue;
213         if (is8 && (gain < TNS_GAIN_THRESHOLD_LOW_IS8 || gain > TNS_GAIN_THRESHOLD_HIGH_IS8))
214                 continue;
215         if (is8 || order < 2) {
216             tns->n_filt[w] = 1;
217             for (g = 0; g < tns->n_filt[w]; g++) {
218                 tns->length[w][g] = sfb_end - sfb_start;
219                 tns->direction[w][g] = slant != 2 ? slant : en[0] < en[1];
220                 tns->order[w][g] = order;
221                 quantize_coefs(coefs, tns->coef_idx[w][g], tns->coef[w][g],
222                                order, c_bits);
223             }
224         } else {  /* 2 filters due to energy disbalance */
225             tns->n_filt[w] = 2;
226             for (g = 0; g < tns->n_filt[w]; g++) {
227                 tns->direction[w][g] = slant != 2 ? slant : en[g] < en[!g];
228                 tns->order[w][g] = !g ? order/2 : order - tns->order[w][g-1];
229                 tns->length[w][g] = !g ? (sfb_end - sfb_start)/2 : \
230                                     (sfb_end - sfb_start) - tns->length[w][g-1];
231                 quantize_coefs(&coefs[!g ? 0 : order - tns->order[w][g-1]],
232                                tns->coef_idx[w][g], tns->coef[w][g],
233                                tns->order[w][g], c_bits);
234             }
235         }
236         count += tns->n_filt[w];
237     }
238     sce->tns.present = !!count;
239 }