Merge remote-tracking branch 'qatar/master'
[ffmpeg.git] / libavcodec / alac.c
1 /*
2  * ALAC (Apple Lossless Audio Codec) decoder
3  * Copyright (c) 2005 David Hammerton
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  * ALAC (Apple Lossless Audio Codec) decoder
25  * @author 2005 David Hammerton
26  * @see http://crazney.net/programs/itunes/alac.html
27  *
28  * Note: This decoder expects a 36-byte QuickTime atom to be
29  * passed through the extradata[_size] fields. This atom is tacked onto
30  * the end of an 'alac' stsd atom and has the following format:
31  *
32  * 32bit  atom size
33  * 32bit  tag                  ("alac")
34  * 32bit  tag version          (0)
35  * 32bit  samples per frame    (used when not set explicitly in the frames)
36  *  8bit  compatible version   (0)
37  *  8bit  sample size
38  *  8bit  history mult         (40)
39  *  8bit  initial history      (14)
40  *  8bit  rice param limit     (10)
41  *  8bit  channels
42  * 16bit  maxRun               (255)
43  * 32bit  max coded frame size (0 means unknown)
44  * 32bit  average bitrate      (0 means unknown)
45  * 32bit  samplerate
46  */
47
48 #include "libavutil/channel_layout.h"
49 #include "avcodec.h"
50 #include "get_bits.h"
51 #include "bytestream.h"
52 #include "internal.h"
53 #include "unary.h"
54 #include "mathops.h"
55 #include "alac_data.h"
56
57 #define ALAC_EXTRADATA_SIZE 36
58
59 typedef struct {
60     AVCodecContext *avctx;
61     AVFrame frame;
62     GetBitContext gb;
63     int channels;
64
65     int32_t *predict_error_buffer[2];
66     int32_t *output_samples_buffer[2];
67     int32_t *extra_bits_buffer[2];
68
69     uint32_t max_samples_per_frame;
70     uint8_t  sample_size;
71     uint8_t  rice_history_mult;
72     uint8_t  rice_initial_history;
73     uint8_t  rice_limit;
74
75     int extra_bits;     /**< number of extra bits beyond 16-bit */
76     int nb_samples;     /**< number of samples in the current frame */
77
78     int direct_output;
79 } ALACContext;
80
81 static inline unsigned int decode_scalar(GetBitContext *gb, int k, int bps)
82 {
83     unsigned int x = get_unary_0_9(gb);
84
85     if (x > 8) { /* RICE THRESHOLD */
86         /* use alternative encoding */
87         x = get_bits_long(gb, bps);
88     } else if (k != 1) {
89         int extrabits = show_bits(gb, k);
90
91         /* multiply x by 2^k - 1, as part of their strange algorithm */
92         x = (x << k) - x;
93
94         if (extrabits > 1) {
95             x += extrabits - 1;
96             skip_bits(gb, k);
97         } else
98             skip_bits(gb, k - 1);
99     }
100     return x;
101 }
102
103 static int rice_decompress(ALACContext *alac, int32_t *output_buffer,
104                             int nb_samples, int bps, int rice_history_mult)
105 {
106     int i;
107     unsigned int history = alac->rice_initial_history;
108     int sign_modifier = 0;
109
110     for (i = 0; i < nb_samples; i++) {
111         int k;
112         unsigned int x;
113
114         if(get_bits_left(&alac->gb) <= 0)
115             return -1;
116
117         /* calculate rice param and decode next value */
118         k = av_log2((history >> 9) + 3);
119         k = FFMIN(k, alac->rice_limit);
120         x = decode_scalar(&alac->gb, k, bps);
121         x += sign_modifier;
122         sign_modifier = 0;
123         output_buffer[i] = (x >> 1) ^ -(x & 1);
124
125         /* update the history */
126         if (x > 0xffff)
127             history = 0xffff;
128         else
129             history +=         x * rice_history_mult -
130                        ((history * rice_history_mult) >> 9);
131
132         /* special case: there may be compressed blocks of 0 */
133         if ((history < 128) && (i + 1 < nb_samples)) {
134             int block_size;
135
136             /* calculate rice param and decode block size */
137             k = 7 - av_log2(history) + ((history + 16) >> 6);
138             k = FFMIN(k, alac->rice_limit);
139             block_size = decode_scalar(&alac->gb, k, 16);
140
141             if (block_size > 0) {
142                 if (block_size >= nb_samples - i) {
143                     av_log(alac->avctx, AV_LOG_ERROR,
144                            "invalid zero block size of %d %d %d\n", block_size,
145                            nb_samples, i);
146                     block_size = nb_samples - i - 1;
147                 }
148                 memset(&output_buffer[i + 1], 0,
149                        block_size * sizeof(*output_buffer));
150                 i += block_size;
151             }
152             if (block_size <= 0xffff)
153                 sign_modifier = 1;
154             history = 0;
155         }
156     }
157     return 0;
158 }
159
160 static inline int sign_only(int v)
161 {
162     return v ? FFSIGN(v) : 0;
163 }
164
165 static void lpc_prediction(int32_t *error_buffer, int32_t *buffer_out,
166                            int nb_samples, int bps, int16_t *lpc_coefs,
167                            int lpc_order, int lpc_quant)
168 {
169     int i;
170     int32_t *pred = buffer_out;
171
172     /* first sample always copies */
173     *buffer_out = *error_buffer;
174
175     if (nb_samples <= 1)
176         return;
177
178     if (!lpc_order) {
179         memcpy(&buffer_out[1], &error_buffer[1],
180                (nb_samples - 1) * sizeof(*buffer_out));
181         return;
182     }
183
184     if (lpc_order == 31) {
185         /* simple 1st-order prediction */
186         for (i = 1; i < nb_samples; i++) {
187             buffer_out[i] = sign_extend(buffer_out[i - 1] + error_buffer[i],
188                                         bps);
189         }
190         return;
191     }
192
193     /* read warm-up samples */
194     for (i = 1; i <= lpc_order && i < nb_samples; i++)
195         buffer_out[i] = sign_extend(buffer_out[i - 1] + error_buffer[i], bps);
196
197     /* NOTE: 4 and 8 are very common cases that could be optimized. */
198
199     for (; i < nb_samples; i++) {
200         int j;
201         int val = 0;
202         int error_val = error_buffer[i];
203         int error_sign;
204         int d = *pred++;
205
206         /* LPC prediction */
207         for (j = 0; j < lpc_order; j++)
208             val += (pred[j] - d) * lpc_coefs[j];
209         val = (val + (1 << (lpc_quant - 1))) >> lpc_quant;
210         val += d + error_val;
211         buffer_out[i] = sign_extend(val, bps);
212
213         /* adapt LPC coefficients */
214         error_sign = sign_only(error_val);
215         if (error_sign) {
216             for (j = 0; j < lpc_order && error_val * error_sign > 0; j++) {
217                 int sign;
218                 val  = d - pred[j];
219                 sign = sign_only(val) * error_sign;
220                 lpc_coefs[j] -= sign;
221                 val *= sign;
222                 error_val -= (val >> lpc_quant) * (j + 1);
223             }
224         }
225     }
226 }
227
228 static void decorrelate_stereo(int32_t *buffer[2], int nb_samples,
229                                int decorr_shift, int decorr_left_weight)
230 {
231     int i;
232
233     for (i = 0; i < nb_samples; i++) {
234         int32_t a, b;
235
236         a = buffer[0][i];
237         b = buffer[1][i];
238
239         a -= (b * decorr_left_weight) >> decorr_shift;
240         b += a;
241
242         buffer[0][i] = b;
243         buffer[1][i] = a;
244     }
245 }
246
247 static void append_extra_bits(int32_t *buffer[2], int32_t *extra_bits_buffer[2],
248                               int extra_bits, int channels, int nb_samples)
249 {
250     int i, ch;
251
252     for (ch = 0; ch < channels; ch++)
253         for (i = 0; i < nb_samples; i++)
254             buffer[ch][i] = (buffer[ch][i] << extra_bits) | extra_bits_buffer[ch][i];
255 }
256
257 static int decode_element(AVCodecContext *avctx, void *data, int ch_index,
258                           int channels)
259 {
260     ALACContext *alac = avctx->priv_data;
261     int has_size, bps, is_compressed, decorr_shift, decorr_left_weight, ret;
262     uint32_t output_samples;
263     int i, ch;
264
265     skip_bits(&alac->gb, 4);  /* element instance tag */
266     skip_bits(&alac->gb, 12); /* unused header bits */
267
268     /* the number of output samples is stored in the frame */
269     has_size = get_bits1(&alac->gb);
270
271     alac->extra_bits = get_bits(&alac->gb, 2) << 3;
272     bps = alac->sample_size - alac->extra_bits + channels - 1;
273     if (bps > 32U) {
274         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "bps is unsupported: %d\n", bps);
275         return AVERROR_PATCHWELCOME;
276     }
277
278     /* whether the frame is compressed */
279     is_compressed = !get_bits1(&alac->gb);
280
281     if (has_size)
282         output_samples = get_bits_long(&alac->gb, 32);
283     else
284         output_samples = alac->max_samples_per_frame;
285     if (!output_samples || output_samples > alac->max_samples_per_frame) {
286         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid samples per frame: %d\n",
287                output_samples);
288         return AVERROR_INVALIDDATA;
289     }
290     if (!alac->nb_samples) {
291         /* get output buffer */
292         alac->frame.nb_samples = output_samples;
293         if ((ret = ff_get_buffer(avctx, &alac->frame)) < 0) {
294             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "get_buffer() failed\n");
295             return ret;
296         }
297     } else if (output_samples != alac->nb_samples) {
298         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "sample count mismatch: %u != %d\n",
299                output_samples, alac->nb_samples);
300         return AVERROR_INVALIDDATA;
301     }
302     alac->nb_samples = output_samples;
303     if (alac->direct_output) {
304         for (ch = 0; ch < channels; ch++)
305             alac->output_samples_buffer[ch] = (int32_t *)alac->frame.extended_data[ch_index + ch];
306     }
307
308     if (is_compressed) {
309         int16_t lpc_coefs[2][32];
310         int lpc_order[2];
311         int prediction_type[2];
312         int lpc_quant[2];
313         int rice_history_mult[2];
314
315         decorr_shift       = get_bits(&alac->gb, 8);
316         decorr_left_weight = get_bits(&alac->gb, 8);
317
318         for (ch = 0; ch < channels; ch++) {
319             prediction_type[ch]   = get_bits(&alac->gb, 4);
320             lpc_quant[ch]         = get_bits(&alac->gb, 4);
321             rice_history_mult[ch] = get_bits(&alac->gb, 3);
322             lpc_order[ch]         = get_bits(&alac->gb, 5);
323
324             /* read the predictor table */
325             for (i = lpc_order[ch] - 1; i >= 0; i--)
326                 lpc_coefs[ch][i] = get_sbits(&alac->gb, 16);
327         }
328
329         if (alac->extra_bits) {
330             for (i = 0; i < alac->nb_samples; i++) {
331                 if(get_bits_left(&alac->gb) <= 0)
332                     return -1;
333                 for (ch = 0; ch < channels; ch++)
334                     alac->extra_bits_buffer[ch][i] = get_bits(&alac->gb, alac->extra_bits);
335             }
336         }
337         for (ch = 0; ch < channels; ch++) {
338             int ret=rice_decompress(alac, alac->predict_error_buffer[ch],
339                             alac->nb_samples, bps,
340                             rice_history_mult[ch] * alac->rice_history_mult / 4);
341             if(ret<0)
342                 return ret;
343
344             /* adaptive FIR filter */
345             if (prediction_type[ch] == 15) {
346                 /* Prediction type 15 runs the adaptive FIR twice.
347                  * The first pass uses the special-case coef_num = 31, while
348                  * the second pass uses the coefs from the bitstream.
349                  *
350                  * However, this prediction type is not currently used by the
351                  * reference encoder.
352                  */
353                 lpc_prediction(alac->predict_error_buffer[ch],
354                                alac->predict_error_buffer[ch],
355                                alac->nb_samples, bps, NULL, 31, 0);
356             } else if (prediction_type[ch] > 0) {
357                 av_log(avctx, AV_LOG_WARNING, "unknown prediction type: %i\n",
358                        prediction_type[ch]);
359             }
360             lpc_prediction(alac->predict_error_buffer[ch],
361                            alac->output_samples_buffer[ch], alac->nb_samples,
362                            bps, lpc_coefs[ch], lpc_order[ch], lpc_quant[ch]);
363         }
364     } else {
365         /* not compressed, easy case */
366         for (i = 0; i < alac->nb_samples; i++) {
367             if(get_bits_left(&alac->gb) <= 0)
368                 return -1;
369             for (ch = 0; ch < channels; ch++) {
370                 alac->output_samples_buffer[ch][i] =
371                          get_sbits_long(&alac->gb, alac->sample_size);
372             }
373         }
374         alac->extra_bits   = 0;
375         decorr_shift       = 0;
376         decorr_left_weight = 0;
377     }
378
379     if (channels == 2 && decorr_left_weight) {
380         decorrelate_stereo(alac->output_samples_buffer, alac->nb_samples,
381                            decorr_shift, decorr_left_weight);
382     }
383
384     if (alac->extra_bits) {
385         append_extra_bits(alac->output_samples_buffer, alac->extra_bits_buffer,
386                           alac->extra_bits, channels, alac->nb_samples);
387     }
388
389     if(av_sample_fmt_is_planar(avctx->sample_fmt)) {
390     switch(alac->sample_size) {
391     case 16: {
392         for (ch = 0; ch < channels; ch++) {
393             int16_t *outbuffer = (int16_t *)alac->frame.extended_data[ch_index + ch];
394             for (i = 0; i < alac->nb_samples; i++)
395                 *outbuffer++ = alac->output_samples_buffer[ch][i];
396         }}
397         break;
398     case 24: {
399         for (ch = 0; ch < channels; ch++) {
400             for (i = 0; i < alac->nb_samples; i++)
401                 alac->output_samples_buffer[ch][i] <<= 8;
402         }}
403         break;
404     }
405     }else{
406         switch(alac->sample_size) {
407         case 16: {
408             int16_t *outbuffer = ((int16_t *)alac->frame.extended_data[0]) + ch_index;
409             for (i = 0; i < alac->nb_samples; i++) {
410                 for (ch = 0; ch < channels; ch++)
411                     *outbuffer++ = alac->output_samples_buffer[ch][i];
412                 outbuffer += alac->channels - channels;
413             }
414             }
415             break;
416         case 24: {
417             int32_t *outbuffer = ((int32_t *)alac->frame.extended_data[0]) + ch_index;
418             for (i = 0; i < alac->nb_samples; i++) {
419                 for (ch = 0; ch < channels; ch++)
420                     *outbuffer++ = alac->output_samples_buffer[ch][i] << 8;
421                 outbuffer += alac->channels - channels;
422             }
423             }
424             break;
425         case 32: {
426             int32_t *outbuffer = ((int32_t *)alac->frame.extended_data[0]) + ch_index;
427             for (i = 0; i < alac->nb_samples; i++) {
428                 for (ch = 0; ch < channels; ch++)
429                     *outbuffer++ = alac->output_samples_buffer[ch][i];
430                 outbuffer += alac->channels - channels;
431             }
432             }
433             break;
434         }
435     }
436
437     return 0;
438 }
439
440 static int alac_decode_frame(AVCodecContext *avctx, void *data,
441                              int *got_frame_ptr, AVPacket *avpkt)
442 {
443     ALACContext *alac = avctx->priv_data;
444     enum AlacRawDataBlockType element;
445     int channels;
446     int ch, ret, got_end;
447
448     init_get_bits(&alac->gb, avpkt->data, avpkt->size * 8);
449
450     got_end = 0;
451     alac->nb_samples = 0;
452     ch = 0;
453     while (get_bits_left(&alac->gb) >= 3) {
454         element = get_bits(&alac->gb, 3);
455         if (element == TYPE_END) {
456             got_end = 1;
457             break;
458         }
459         if (element > TYPE_CPE && element != TYPE_LFE) {
460             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "syntax element unsupported: %d\n", element);
461             return AVERROR_PATCHWELCOME;
462         }
463
464         channels = (element == TYPE_CPE) ? 2 : 1;
465         if (   ch + channels > alac->channels
466             || ff_alac_channel_layout_offsets[alac->channels - 1][ch] + channels > alac->channels
467         ) {
468             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid element channel count\n");
469             return AVERROR_INVALIDDATA;
470         }
471
472         ret = decode_element(avctx, data,
473                              ff_alac_channel_layout_offsets[alac->channels - 1][ch],
474                              channels);
475         if (ret < 0 && get_bits_left(&alac->gb))
476             return ret;
477
478         ch += channels;
479     }
480     if (!got_end) {
481         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "no end tag found. incomplete packet.\n");
482         return AVERROR_INVALIDDATA;
483     }
484
485     if (avpkt->size * 8 - get_bits_count(&alac->gb) > 8) {
486         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Error : %d bits left\n",
487                avpkt->size * 8 - get_bits_count(&alac->gb));
488     }
489
490     *got_frame_ptr   = 1;
491     *(AVFrame *)data = alac->frame;
492
493     return avpkt->size;
494 }
495
496 static av_cold int alac_decode_close(AVCodecContext *avctx)
497 {
498     ALACContext *alac = avctx->priv_data;
499
500     int ch;
501     for (ch = 0; ch < FFMIN(alac->channels, 2); ch++) {
502         av_freep(&alac->predict_error_buffer[ch]);
503         if (!alac->direct_output)
504             av_freep(&alac->output_samples_buffer[ch]);
505         av_freep(&alac->extra_bits_buffer[ch]);
506     }
507
508     return 0;
509 }
510
511 static int allocate_buffers(ALACContext *alac)
512 {
513     int ch;
514     int buf_size;
515
516     if (alac->max_samples_per_frame > INT_MAX / sizeof(int32_t))
517         goto buf_alloc_fail;
518     buf_size = alac->max_samples_per_frame * sizeof(int32_t);
519
520     for (ch = 0; ch < FFMIN(alac->channels, 2); ch++) {
521         FF_ALLOC_OR_GOTO(alac->avctx, alac->predict_error_buffer[ch],
522                          buf_size, buf_alloc_fail);
523
524         alac->direct_output = alac->sample_size > 16 && av_sample_fmt_is_planar(alac->avctx->sample_fmt);
525         if (!alac->direct_output) {
526             FF_ALLOC_OR_GOTO(alac->avctx, alac->output_samples_buffer[ch],
527                              buf_size, buf_alloc_fail);
528         }
529
530         FF_ALLOC_OR_GOTO(alac->avctx, alac->extra_bits_buffer[ch],
531                          buf_size, buf_alloc_fail);
532     }
533     return 0;
534 buf_alloc_fail:
535     alac_decode_close(alac->avctx);
536     return AVERROR(ENOMEM);
537 }
538
539 static int alac_set_info(ALACContext *alac)
540 {
541     GetByteContext gb;
542
543     bytestream2_init(&gb, alac->avctx->extradata,
544                      alac->avctx->extradata_size);
545
546     bytestream2_skipu(&gb, 12); // size:4, alac:4, version:4
547
548     alac->max_samples_per_frame = bytestream2_get_be32u(&gb);
549     if (!alac->max_samples_per_frame || alac->max_samples_per_frame > INT_MAX) {
550         av_log(alac->avctx, AV_LOG_ERROR, "max samples per frame invalid: %u\n",
551                alac->max_samples_per_frame);
552         return AVERROR_INVALIDDATA;
553     }
554     bytestream2_skipu(&gb, 1);  // compatible version
555     alac->sample_size          = bytestream2_get_byteu(&gb);
556     alac->rice_history_mult    = bytestream2_get_byteu(&gb);
557     alac->rice_initial_history = bytestream2_get_byteu(&gb);
558     alac->rice_limit           = bytestream2_get_byteu(&gb);
559     alac->channels             = bytestream2_get_byteu(&gb);
560     bytestream2_get_be16u(&gb); // maxRun
561     bytestream2_get_be32u(&gb); // max coded frame size
562     bytestream2_get_be32u(&gb); // average bitrate
563     bytestream2_get_be32u(&gb); // samplerate
564
565     return 0;
566 }
567
568 static av_cold int alac_decode_init(AVCodecContext * avctx)
569 {
570     int ret;
571     int req_packed;
572     ALACContext *alac = avctx->priv_data;
573     alac->avctx = avctx;
574
575     /* initialize from the extradata */
576     if (alac->avctx->extradata_size != ALAC_EXTRADATA_SIZE) {
577         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "expected %d extradata bytes\n",
578             ALAC_EXTRADATA_SIZE);
579         return -1;
580     }
581     if (alac_set_info(alac)) {
582         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "set_info failed\n");
583         return -1;
584     }
585
586     req_packed = LIBAVCODEC_VERSION_MAJOR < 55 && !av_sample_fmt_is_planar(avctx->request_sample_fmt);
587     switch (alac->sample_size) {
588     case 16: avctx->sample_fmt = req_packed ? AV_SAMPLE_FMT_S16 : AV_SAMPLE_FMT_S16P;
589              break;
590     case 24:
591     case 32: avctx->sample_fmt = req_packed ? AV_SAMPLE_FMT_S32 : AV_SAMPLE_FMT_S32P;
592              break;
593     default: av_log_ask_for_sample(avctx, "Sample depth %d is not supported.\n",
594                                    alac->sample_size);
595              return AVERROR_PATCHWELCOME;
596     }
597     avctx->bits_per_raw_sample = alac->sample_size;
598
599     if (alac->channels < 1) {
600         av_log(avctx, AV_LOG_WARNING, "Invalid channel count\n");
601         alac->channels = avctx->channels;
602     } else {
603         if (alac->channels > ALAC_MAX_CHANNELS)
604             alac->channels = avctx->channels;
605         else
606             avctx->channels = alac->channels;
607     }
608     if (avctx->channels > ALAC_MAX_CHANNELS || avctx->channels <= 0 ) {
609         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Unsupported channel count: %d\n",
610                avctx->channels);
611         return AVERROR_PATCHWELCOME;
612     }
613     avctx->channel_layout = ff_alac_channel_layouts[alac->channels - 1];
614
615     if ((ret = allocate_buffers(alac)) < 0) {
616         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Error allocating buffers\n");
617         return ret;
618     }
619
620     avcodec_get_frame_defaults(&alac->frame);
621     avctx->coded_frame = &alac->frame;
622
623     return 0;
624 }
625
626 AVCodec ff_alac_decoder = {
627     .name           = "alac",
628     .type           = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
629     .id             = AV_CODEC_ID_ALAC,
630     .priv_data_size = sizeof(ALACContext),
631     .init           = alac_decode_init,
632     .close          = alac_decode_close,
633     .decode         = alac_decode_frame,
634     .capabilities   = CODEC_CAP_DR1,
635     .long_name      = NULL_IF_CONFIG_SMALL("ALAC (Apple Lossless Audio Codec)"),
636 };