optimize branchless C CABAC decoder
[ffmpeg.git] / libavcodec / cabac.c
1 /*
2  * H.26L/H.264/AVC/JVT/14496-10/... encoder/decoder
3  * Copyright (c) 2003 Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
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 /**
24  * @file cabac.c
25  * Context Adaptive Binary Arithmetic Coder.
26  */
27
28 #include <string.h>
29
30 #include "common.h"
31 #include "bitstream.h"
32 #include "cabac.h"
33
34 const uint8_t ff_h264_lps_range[64][4]= {
35 {128,176,208,240}, {128,167,197,227}, {128,158,187,216}, {123,150,178,205},
36 {116,142,169,195}, {111,135,160,185}, {105,128,152,175}, {100,122,144,166},
37 { 95,116,137,158}, { 90,110,130,150}, { 85,104,123,142}, { 81, 99,117,135},
38 { 77, 94,111,128}, { 73, 89,105,122}, { 69, 85,100,116}, { 66, 80, 95,110},
39 { 62, 76, 90,104}, { 59, 72, 86, 99}, { 56, 69, 81, 94}, { 53, 65, 77, 89},
40 { 51, 62, 73, 85}, { 48, 59, 69, 80}, { 46, 56, 66, 76}, { 43, 53, 63, 72},
41 { 41, 50, 59, 69}, { 39, 48, 56, 65}, { 37, 45, 54, 62}, { 35, 43, 51, 59},
42 { 33, 41, 48, 56}, { 32, 39, 46, 53}, { 30, 37, 43, 50}, { 29, 35, 41, 48},
43 { 27, 33, 39, 45}, { 26, 31, 37, 43}, { 24, 30, 35, 41}, { 23, 28, 33, 39},
44 { 22, 27, 32, 37}, { 21, 26, 30, 35}, { 20, 24, 29, 33}, { 19, 23, 27, 31},
45 { 18, 22, 26, 30}, { 17, 21, 25, 28}, { 16, 20, 23, 27}, { 15, 19, 22, 25},
46 { 14, 18, 21, 24}, { 14, 17, 20, 23}, { 13, 16, 19, 22}, { 12, 15, 18, 21},
47 { 12, 14, 17, 20}, { 11, 14, 16, 19}, { 11, 13, 15, 18}, { 10, 12, 15, 17},
48 { 10, 12, 14, 16}, {  9, 11, 13, 15}, {  9, 11, 12, 14}, {  8, 10, 12, 14},
49 {  8,  9, 11, 13}, {  7,  9, 11, 12}, {  7,  9, 10, 12}, {  7,  8, 10, 11},
50 {  6,  8,  9, 11}, {  6,  7,  9, 10}, {  6,  7,  8,  9}, {  2,  2,  2,  2},
51 };
52
53 const uint8_t ff_h264_mps_state[64]= {
54   1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,
55   9,10,11,12,13,14,15,16,
56  17,18,19,20,21,22,23,24,
57  25,26,27,28,29,30,31,32,
58  33,34,35,36,37,38,39,40,
59  41,42,43,44,45,46,47,48,
60  49,50,51,52,53,54,55,56,
61  57,58,59,60,61,62,62,63,
62 };
63
64 const uint8_t ff_h264_lps_state[64]= {
65   0, 0, 1, 2, 2, 4, 4, 5,
66   6, 7, 8, 9, 9,11,11,12,
67  13,13,15,15,16,16,18,18,
68  19,19,21,21,22,22,23,24,
69  24,25,26,26,27,27,28,29,
70  29,30,30,30,31,32,32,33,
71  33,33,34,34,35,35,35,36,
72  36,36,37,37,37,38,38,63,
73 };
74
75 const uint8_t ff_h264_norm_shift[128]= {
76  7,6,5,5,4,4,4,4,3,3,3,3,3,3,3,3,
77  2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,
78  1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
79  1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
80  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
81  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
82  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
83  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
84 };
85
86 /**
87  *
88  * @param buf_size size of buf in bits
89  */
90 void ff_init_cabac_encoder(CABACContext *c, uint8_t *buf, int buf_size){
91     init_put_bits(&c->pb, buf, buf_size);
92
93     c->low= 0;
94     c->range= 0x1FE;
95     c->outstanding_count= 0;
96 #ifdef STRICT_LIMITS
97     c->sym_count =0;
98 #endif
99
100     c->pb.bit_left++; //avoids firstBitFlag
101 }
102
103 /**
104  *
105  * @param buf_size size of buf in bits
106  */
107 void ff_init_cabac_decoder(CABACContext *c, const uint8_t *buf, int buf_size){
108     c->bytestream_start=
109     c->bytestream= buf;
110     c->bytestream_end= buf + buf_size;
111
112 #if CABAC_BITS == 16
113     c->low =  (*c->bytestream++)<<18;
114     c->low+=  (*c->bytestream++)<<10;
115 #else
116     c->low =  (*c->bytestream++)<<10;
117 #endif
118     c->low+= ((*c->bytestream++)<<2) + 2;
119     c->range= 0x1FE<<(CABAC_BITS + 1);
120 }
121
122 void ff_init_cabac_states(CABACContext *c, uint8_t const (*lps_range)[4],
123                           uint8_t const *mps_state, uint8_t const *lps_state, int state_count){
124     int i, j;
125
126     for(i=0; i<state_count; i++){
127         for(j=0; j<4; j++){ //FIXME check if this is worth the 1 shift we save
128             c->lps_range[2*i+2][j+4]=
129             c->lps_range[2*i+3][j+4]= lps_range[i][j];
130         }
131
132         c->mps_state[2*i+2]= 2*mps_state[i]+2;
133         c->mps_state[2*i+3]= 2*mps_state[i]+3;
134
135         if( i ){
136 #ifdef BRANCHLESS_CABAD
137             c->mps_state[-2*i-3]= 2*lps_state[i]+2; //FIXME yes this is not valid C but iam lazy, cleanup welcome
138             c->mps_state[-2*i-4]= 2*lps_state[i]+3;
139         }else{
140             c->mps_state[-2*i-3]= 3;
141             c->mps_state[-2*i-4]= 2;
142 #else
143             c->lps_state[2*i+2]= 2*lps_state[i]+2;
144             c->lps_state[2*i+3]= 2*lps_state[i]+3;
145         }else{
146             c->lps_state[2*i+2]= 3;
147             c->lps_state[2*i+3]= 2;
148 #endif
149         }
150     }
151 }
152
153 #if 0 //selftest
154 #define SIZE 10240
155
156 #include "avcodec.h"
157
158 int main(){
159     CABACContext c;
160     uint8_t b[9*SIZE];
161     uint8_t r[9*SIZE];
162     int i;
163     uint8_t state[10]= {0};
164
165     ff_init_cabac_encoder(&c, b, SIZE);
166     ff_init_cabac_states(&c, ff_h264_lps_range, ff_h264_mps_state, ff_h264_lps_state, 64);
167
168     for(i=0; i<SIZE; i++){
169         r[i]= random()%7;
170     }
171
172     for(i=0; i<SIZE; i++){
173 START_TIMER
174         put_cabac_bypass(&c, r[i]&1);
175 STOP_TIMER("put_cabac_bypass")
176     }
177
178     for(i=0; i<SIZE; i++){
179 START_TIMER
180         put_cabac(&c, state, r[i]&1);
181 STOP_TIMER("put_cabac")
182     }
183
184     for(i=0; i<SIZE; i++){
185 START_TIMER
186         put_cabac_u(&c, state, r[i], 6, 3, i&1);
187 STOP_TIMER("put_cabac_u")
188     }
189
190     for(i=0; i<SIZE; i++){
191 START_TIMER
192         put_cabac_ueg(&c, state, r[i], 3, 0, 1, 2);
193 STOP_TIMER("put_cabac_ueg")
194     }
195
196     put_cabac_terminate(&c, 1);
197
198     ff_init_cabac_decoder(&c, b, SIZE);
199
200     memset(state, 0, sizeof(state));
201
202     for(i=0; i<SIZE; i++){
203 START_TIMER
204         if( (r[i]&1) != get_cabac_bypass(&c) )
205             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC bypass failure at %d\n", i);
206 STOP_TIMER("get_cabac_bypass")
207     }
208
209     for(i=0; i<SIZE; i++){
210 START_TIMER
211         if( (r[i]&1) != get_cabac(&c, state) )
212             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC failure at %d\n", i);
213 STOP_TIMER("get_cabac")
214     }
215 #if 0
216     for(i=0; i<SIZE; i++){
217 START_TIMER
218         if( r[i] != get_cabac_u(&c, state, (i&1) ? 6 : 7, 3, i&1) )
219             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC unary (truncated) binarization failure at %d\n", i);
220 STOP_TIMER("get_cabac_u")
221     }
222
223     for(i=0; i<SIZE; i++){
224 START_TIMER
225         if( r[i] != get_cabac_ueg(&c, state, 3, 0, 1, 2))
226             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC unary (truncated) binarization failure at %d\n", i);
227 STOP_TIMER("get_cabac_ueg")
228     }
229 #endif
230     if(!get_cabac_terminate(&c))
231         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "where's the Terminator?\n");
232
233     return 0;
234 }
235
236 #endif