cabac: Remove ff_h264_lps_state array.
[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 Libav.
6  *
7  * Libav 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  * Libav 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 Libav; 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  * Context Adaptive Binary Arithmetic Coder.
25  */
26
27 #include <string.h>
28
29 #include "libavutil/common.h"
30 #include "get_bits.h"
31 #include "cabac.h"
32
33 static const uint8_t lps_range[64][4]= {
34 {128,176,208,240}, {128,167,197,227}, {128,158,187,216}, {123,150,178,205},
35 {116,142,169,195}, {111,135,160,185}, {105,128,152,175}, {100,122,144,166},
36 { 95,116,137,158}, { 90,110,130,150}, { 85,104,123,142}, { 81, 99,117,135},
37 { 77, 94,111,128}, { 73, 89,105,122}, { 69, 85,100,116}, { 66, 80, 95,110},
38 { 62, 76, 90,104}, { 59, 72, 86, 99}, { 56, 69, 81, 94}, { 53, 65, 77, 89},
39 { 51, 62, 73, 85}, { 48, 59, 69, 80}, { 46, 56, 66, 76}, { 43, 53, 63, 72},
40 { 41, 50, 59, 69}, { 39, 48, 56, 65}, { 37, 45, 54, 62}, { 35, 43, 51, 59},
41 { 33, 41, 48, 56}, { 32, 39, 46, 53}, { 30, 37, 43, 50}, { 29, 35, 41, 48},
42 { 27, 33, 39, 45}, { 26, 31, 37, 43}, { 24, 30, 35, 41}, { 23, 28, 33, 39},
43 { 22, 27, 32, 37}, { 21, 26, 30, 35}, { 20, 24, 29, 33}, { 19, 23, 27, 31},
44 { 18, 22, 26, 30}, { 17, 21, 25, 28}, { 16, 20, 23, 27}, { 15, 19, 22, 25},
45 { 14, 18, 21, 24}, { 14, 17, 20, 23}, { 13, 16, 19, 22}, { 12, 15, 18, 21},
46 { 12, 14, 17, 20}, { 11, 14, 16, 19}, { 11, 13, 15, 18}, { 10, 12, 15, 17},
47 { 10, 12, 14, 16}, {  9, 11, 13, 15}, {  9, 11, 12, 14}, {  8, 10, 12, 14},
48 {  8,  9, 11, 13}, {  7,  9, 11, 12}, {  7,  9, 10, 12}, {  7,  8, 10, 11},
49 {  6,  8,  9, 11}, {  6,  7,  9, 10}, {  6,  7,  8,  9}, {  2,  2,  2,  2},
50 };
51
52 uint8_t ff_h264_mlps_state[4*64];
53 uint8_t ff_h264_lps_range[4*2*64];
54 uint8_t ff_h264_mps_state[2*64];
55
56 static const uint8_t mps_state[64]= {
57   1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,
58   9,10,11,12,13,14,15,16,
59  17,18,19,20,21,22,23,24,
60  25,26,27,28,29,30,31,32,
61  33,34,35,36,37,38,39,40,
62  41,42,43,44,45,46,47,48,
63  49,50,51,52,53,54,55,56,
64  57,58,59,60,61,62,62,63,
65 };
66
67 static const uint8_t lps_state[64]= {
68   0, 0, 1, 2, 2, 4, 4, 5,
69   6, 7, 8, 9, 9,11,11,12,
70  13,13,15,15,16,16,18,18,
71  19,19,21,21,22,22,23,24,
72  24,25,26,26,27,27,28,29,
73  29,30,30,30,31,32,32,33,
74  33,33,34,34,35,35,35,36,
75  36,36,37,37,37,38,38,63,
76 };
77
78 const uint8_t ff_h264_norm_shift[512]= {
79  9,8,7,7,6,6,6,6,5,5,5,5,5,5,5,5,
80  4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,
81  3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,
82  3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,
83  2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,
84  2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,
85  2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,
86  2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,
87  1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
88  1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
89  1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
90  1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
91  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
92  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
93  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
94  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
95  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
96  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
97  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
98  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
99 };
100
101 /**
102  *
103  * @param buf_size size of buf in bits
104  */
105 void ff_init_cabac_encoder(CABACContext *c, uint8_t *buf, int buf_size){
106     init_put_bits(&c->pb, buf, buf_size);
107
108     c->low= 0;
109     c->range= 0x1FE;
110     c->outstanding_count= 0;
111     c->pb.bit_left++; //avoids firstBitFlag
112 }
113
114 /**
115  *
116  * @param buf_size size of buf in bits
117  */
118 void ff_init_cabac_decoder(CABACContext *c, const uint8_t *buf, int buf_size){
119     c->bytestream_start=
120     c->bytestream= buf;
121     c->bytestream_end= buf + buf_size;
122
123 #if CABAC_BITS == 16
124     c->low =  (*c->bytestream++)<<18;
125     c->low+=  (*c->bytestream++)<<10;
126 #else
127     c->low =  (*c->bytestream++)<<10;
128 #endif
129     c->low+= ((*c->bytestream++)<<2) + 2;
130     c->range= 0x1FE;
131 }
132
133 void ff_init_cabac_states(CABACContext *c){
134     int i, j;
135
136     for(i=0; i<64; i++){
137         for(j=0; j<4; j++){ //FIXME check if this is worth the 1 shift we save
138             ff_h264_lps_range[j*2*64+2*i+0]=
139             ff_h264_lps_range[j*2*64+2*i+1]= lps_range[i][j];
140         }
141
142         ff_h264_mlps_state[128+2*i+0]=
143         ff_h264_mps_state[2*i+0]= 2*mps_state[i]+0;
144         ff_h264_mlps_state[128+2*i+1]=
145         ff_h264_mps_state[2*i+1]= 2*mps_state[i]+1;
146
147         if( i ){
148             ff_h264_mlps_state[128-2*i-1]= 2*lps_state[i]+0;
149             ff_h264_mlps_state[128-2*i-2]= 2*lps_state[i]+1;
150         }else{
151             ff_h264_mlps_state[128-2*i-1]= 1;
152             ff_h264_mlps_state[128-2*i-2]= 0;
153         }
154     }
155 }
156
157 #ifdef TEST
158 #define SIZE 10240
159
160 #include "libavutil/lfg.h"
161 #include "avcodec.h"
162 #include "cabac.h"
163
164 static inline void put_cabac_bit(CABACContext *c, int b){
165     put_bits(&c->pb, 1, b);
166     for(;c->outstanding_count; c->outstanding_count--){
167         put_bits(&c->pb, 1, 1-b);
168     }
169 }
170
171 static inline void renorm_cabac_encoder(CABACContext *c){
172     while(c->range < 0x100){
173         //FIXME optimize
174         if(c->low<0x100){
175             put_cabac_bit(c, 0);
176         }else if(c->low<0x200){
177             c->outstanding_count++;
178             c->low -= 0x100;
179         }else{
180             put_cabac_bit(c, 1);
181             c->low -= 0x200;
182         }
183
184         c->range+= c->range;
185         c->low += c->low;
186     }
187 }
188
189 static void put_cabac(CABACContext *c, uint8_t * const state, int bit){
190     int RangeLPS= ff_h264_lps_range[2*(c->range&0xC0) + *state];
191
192     if(bit == ((*state)&1)){
193         c->range -= RangeLPS;
194         *state= ff_h264_mps_state[*state];
195     }else{
196         c->low += c->range - RangeLPS;
197         c->range = RangeLPS;
198     }
199
200     renorm_cabac_encoder(c);
201 }
202
203 /**
204  * @param bit 0 -> write zero bit, !=0 write one bit
205  */
206 static void put_cabac_bypass(CABACContext *c, int bit){
207     c->low += c->low;
208
209     if(bit){
210         c->low += c->range;
211     }
212 //FIXME optimize
213     if(c->low<0x200){
214         put_cabac_bit(c, 0);
215     }else if(c->low<0x400){
216         c->outstanding_count++;
217         c->low -= 0x200;
218     }else{
219         put_cabac_bit(c, 1);
220         c->low -= 0x400;
221     }
222 }
223
224 /**
225  *
226  * @return the number of bytes written
227  */
228 static int put_cabac_terminate(CABACContext *c, int bit){
229     c->range -= 2;
230
231     if(!bit){
232         renorm_cabac_encoder(c);
233     }else{
234         c->low += c->range;
235         c->range= 2;
236
237         renorm_cabac_encoder(c);
238
239         assert(c->low <= 0x1FF);
240         put_cabac_bit(c, c->low>>9);
241         put_bits(&c->pb, 2, ((c->low>>7)&3)|1);
242
243         flush_put_bits(&c->pb); //FIXME FIXME FIXME XXX wrong
244     }
245
246     return (put_bits_count(&c->pb)+7)>>3;
247 }
248
249 int main(void){
250     CABACContext c;
251     uint8_t b[9*SIZE];
252     uint8_t r[9*SIZE];
253     int i;
254     uint8_t state[10]= {0};
255     AVLFG prng;
256
257     av_lfg_init(&prng, 1);
258     ff_init_cabac_encoder(&c, b, SIZE);
259     ff_init_cabac_states(&c);
260
261     for(i=0; i<SIZE; i++){
262         r[i] = av_lfg_get(&prng) % 7;
263     }
264
265     for(i=0; i<SIZE; i++){
266 START_TIMER
267         put_cabac_bypass(&c, r[i]&1);
268 STOP_TIMER("put_cabac_bypass")
269     }
270
271     for(i=0; i<SIZE; i++){
272 START_TIMER
273         put_cabac(&c, state, r[i]&1);
274 STOP_TIMER("put_cabac")
275     }
276
277     put_cabac_terminate(&c, 1);
278
279     ff_init_cabac_decoder(&c, b, SIZE);
280
281     memset(state, 0, sizeof(state));
282
283     for(i=0; i<SIZE; i++){
284 START_TIMER
285         if( (r[i]&1) != get_cabac_bypass(&c) )
286             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC bypass failure at %d\n", i);
287 STOP_TIMER("get_cabac_bypass")
288     }
289
290     for(i=0; i<SIZE; i++){
291 START_TIMER
292         if( (r[i]&1) != get_cabac(&c, state) )
293             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC failure at %d\n", i);
294 STOP_TIMER("get_cabac")
295     }
296     if(!get_cabac_terminate(&c))
297         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "where's the Terminator?\n");
298
299     return 0;
300 }
301
302 #endif /* TEST */