dcaenc: Use Huffman codes for Bit Allocation Index
[ffmpeg.git] / libavcodec / dcaenc.c
1 /*
2  * DCA encoder
3  * Copyright (C) 2008-2012 Alexander E. Patrakov
4  *               2010 Benjamin Larsson
5  *               2011 Xiang Wang
6  *
7  * This file is part of FFmpeg.
8  *
9  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
11  * License as published by the Free Software Foundation; either
12  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
13  *
14  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
17  * Lesser General Public License for more details.
18  *
19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
20  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
21  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
22  */
23
24 #include "libavutil/avassert.h"
25 #include "libavutil/channel_layout.h"
26 #include "libavutil/common.h"
27 #include "libavutil/ffmath.h"
28 #include "avcodec.h"
29 #include "dca.h"
30 #include "dcadata.h"
31 #include "dcaenc.h"
32 #include "internal.h"
33 #include "mathops.h"
34 #include "put_bits.h"
35
36 #define MAX_CHANNELS 6
37 #define DCA_MAX_FRAME_SIZE 16384
38 #define DCA_HEADER_SIZE 13
39 #define DCA_LFE_SAMPLES 8
40
41 #define DCAENC_SUBBANDS 32
42 #define SUBFRAMES 1
43 #define SUBSUBFRAMES 2
44 #define SUBBAND_SAMPLES (SUBFRAMES * SUBSUBFRAMES * 8)
45 #define AUBANDS 25
46
47 typedef struct DCAEncContext {
48     PutBitContext pb;
49     int frame_size;
50     int frame_bits;
51     int fullband_channels;
52     int channels;
53     int lfe_channel;
54     int samplerate_index;
55     int bitrate_index;
56     int channel_config;
57     const int32_t *band_interpolation;
58     const int32_t *band_spectrum;
59     int lfe_scale_factor;
60     softfloat lfe_quant;
61     int32_t lfe_peak_cb;
62     const int8_t *channel_order_tab;  ///< channel reordering table, lfe and non lfe
63
64     int32_t history[MAX_CHANNELS][512]; /* This is a circular buffer */
65     int32_t subband[MAX_CHANNELS][DCAENC_SUBBANDS][SUBBAND_SAMPLES];
66     int32_t quantized[MAX_CHANNELS][DCAENC_SUBBANDS][SUBBAND_SAMPLES];
67     int32_t peak_cb[MAX_CHANNELS][DCAENC_SUBBANDS];
68     int32_t downsampled_lfe[DCA_LFE_SAMPLES];
69     int32_t masking_curve_cb[SUBSUBFRAMES][256];
70     int32_t bit_allocation_sel[MAX_CHANNELS];
71     int abits[MAX_CHANNELS][DCAENC_SUBBANDS];
72     int scale_factor[MAX_CHANNELS][DCAENC_SUBBANDS];
73     softfloat quant[MAX_CHANNELS][DCAENC_SUBBANDS];
74     int32_t quant_index_sel[MAX_CHANNELS][DCA_CODE_BOOKS];
75     int32_t eff_masking_curve_cb[256];
76     int32_t band_masking_cb[32];
77     int32_t worst_quantization_noise;
78     int32_t worst_noise_ever;
79     int consumed_bits;
80 } DCAEncContext;
81
82 static int32_t cos_table[2048];
83 static int32_t band_interpolation[2][512];
84 static int32_t band_spectrum[2][8];
85 static int32_t auf[9][AUBANDS][256];
86 static int32_t cb_to_add[256];
87 static int32_t cb_to_level[2048];
88 static int32_t lfe_fir_64i[512];
89
90 /* Transfer function of outer and middle ear, Hz -> dB */
91 static double hom(double f)
92 {
93     double f1 = f / 1000;
94
95     return -3.64 * pow(f1, -0.8)
96            + 6.8 * exp(-0.6 * (f1 - 3.4) * (f1 - 3.4))
97            - 6.0 * exp(-0.15 * (f1 - 8.7) * (f1 - 8.7))
98            - 0.0006 * (f1 * f1) * (f1 * f1);
99 }
100
101 static double gammafilter(int i, double f)
102 {
103     double h = (f - fc[i]) / erb[i];
104
105     h = 1 + h * h;
106     h = 1 / (h * h);
107     return 20 * log10(h);
108 }
109
110 static int encode_init(AVCodecContext *avctx)
111 {
112     DCAEncContext *c = avctx->priv_data;
113     uint64_t layout = avctx->channel_layout;
114     int i, j, min_frame_bits;
115
116     c->fullband_channels = c->channels = avctx->channels;
117     c->lfe_channel = (avctx->channels == 3 || avctx->channels == 6);
118     c->band_interpolation = band_interpolation[1];
119     c->band_spectrum = band_spectrum[1];
120     c->worst_quantization_noise = -2047;
121     c->worst_noise_ever = -2047;
122
123     if (!layout) {
124         av_log(avctx, AV_LOG_WARNING, "No channel layout specified. The "
125                                       "encoder will guess the layout, but it "
126                                       "might be incorrect.\n");
127         layout = av_get_default_channel_layout(avctx->channels);
128     }
129     switch (layout) {
130     case AV_CH_LAYOUT_MONO:         c->channel_config = 0; break;
131     case AV_CH_LAYOUT_STEREO:       c->channel_config = 2; break;
132     case AV_CH_LAYOUT_2_2:          c->channel_config = 8; break;
133     case AV_CH_LAYOUT_5POINT0:      c->channel_config = 9; break;
134     case AV_CH_LAYOUT_5POINT1:      c->channel_config = 9; break;
135     default:
136         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Unsupported channel layout!\n");
137         return AVERROR_PATCHWELCOME;
138     }
139
140     if (c->lfe_channel) {
141         c->fullband_channels--;
142         c->channel_order_tab = channel_reorder_lfe[c->channel_config];
143     } else {
144         c->channel_order_tab = channel_reorder_nolfe[c->channel_config];
145     }
146
147     for (i = 0; i < MAX_CHANNELS; i++) {
148         for (j = 0; j < DCA_CODE_BOOKS; j++) {
149             c->quant_index_sel[i][j] = ff_dca_quant_index_group_size[j];
150         }
151         /* 6 - no Huffman */
152         c->bit_allocation_sel[i] = 6;
153     }
154
155     for (i = 0; i < 9; i++) {
156         if (sample_rates[i] == avctx->sample_rate)
157             break;
158     }
159     if (i == 9)
160         return AVERROR(EINVAL);
161     c->samplerate_index = i;
162
163     if (avctx->bit_rate < 32000 || avctx->bit_rate > 3840000) {
164         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Bit rate %"PRId64" not supported.", (int64_t)avctx->bit_rate);
165         return AVERROR(EINVAL);
166     }
167     for (i = 0; ff_dca_bit_rates[i] < avctx->bit_rate; i++)
168         ;
169     c->bitrate_index = i;
170     c->frame_bits = FFALIGN((avctx->bit_rate * 512 + avctx->sample_rate - 1) / avctx->sample_rate, 32);
171     min_frame_bits = 132 + (493 + 28 * 32) * c->fullband_channels + c->lfe_channel * 72;
172     if (c->frame_bits < min_frame_bits || c->frame_bits > (DCA_MAX_FRAME_SIZE << 3))
173         return AVERROR(EINVAL);
174
175     c->frame_size = (c->frame_bits + 7) / 8;
176
177     avctx->frame_size = 32 * SUBBAND_SAMPLES;
178
179     if (!cos_table[0]) {
180         int j, k;
181
182         cos_table[0] = 0x7fffffff;
183         cos_table[512] = 0;
184         cos_table[1024] = -cos_table[0];
185         for (i = 1; i < 512; i++) {
186             cos_table[i]   = (int32_t)(0x7fffffff * cos(M_PI * i / 1024));
187             cos_table[1024-i] = -cos_table[i];
188             cos_table[1024+i] = -cos_table[i];
189             cos_table[2048-i] = cos_table[i];
190         }
191         for (i = 0; i < 2048; i++) {
192             cb_to_level[i] = (int32_t)(0x7fffffff * ff_exp10(-0.005 * i));
193         }
194
195         for (k = 0; k < 32; k++) {
196             for (j = 0; j < 8; j++) {
197                 lfe_fir_64i[64 * j + k] = (int32_t)(0xffffff800000ULL * ff_dca_lfe_fir_64[8 * k + j]);
198                 lfe_fir_64i[64 * (7-j) + (63 - k)] = (int32_t)(0xffffff800000ULL * ff_dca_lfe_fir_64[8 * k + j]);
199             }
200         }
201
202         for (i = 0; i < 512; i++) {
203             band_interpolation[0][i] = (int32_t)(0x1000000000ULL * ff_dca_fir_32bands_perfect[i]);
204             band_interpolation[1][i] = (int32_t)(0x1000000000ULL * ff_dca_fir_32bands_nonperfect[i]);
205         }
206
207         for (i = 0; i < 9; i++) {
208             for (j = 0; j < AUBANDS; j++) {
209                 for (k = 0; k < 256; k++) {
210                     double freq = sample_rates[i] * (k + 0.5) / 512;
211
212                     auf[i][j][k] = (int32_t)(10 * (hom(freq) + gammafilter(j, freq)));
213                 }
214             }
215         }
216
217         for (i = 0; i < 256; i++) {
218             double add = 1 + ff_exp10(-0.01 * i);
219             cb_to_add[i] = (int32_t)(100 * log10(add));
220         }
221         for (j = 0; j < 8; j++) {
222             double accum = 0;
223             for (i = 0; i < 512; i++) {
224                 double reconst = ff_dca_fir_32bands_perfect[i] * ((i & 64) ? (-1) : 1);
225                 accum += reconst * cos(2 * M_PI * (i + 0.5 - 256) * (j + 0.5) / 512);
226             }
227             band_spectrum[0][j] = (int32_t)(200 * log10(accum));
228         }
229         for (j = 0; j < 8; j++) {
230             double accum = 0;
231             for (i = 0; i < 512; i++) {
232                 double reconst = ff_dca_fir_32bands_nonperfect[i] * ((i & 64) ? (-1) : 1);
233                 accum += reconst * cos(2 * M_PI * (i + 0.5 - 256) * (j + 0.5) / 512);
234             }
235             band_spectrum[1][j] = (int32_t)(200 * log10(accum));
236         }
237     }
238     return 0;
239 }
240
241 static inline int32_t cos_t(int x)
242 {
243     return cos_table[x & 2047];
244 }
245
246 static inline int32_t sin_t(int x)
247 {
248     return cos_t(x - 512);
249 }
250
251 static inline int32_t half32(int32_t a)
252 {
253     return (a + 1) >> 1;
254 }
255
256 static inline int32_t mul32(int32_t a, int32_t b)
257 {
258     int64_t r = (int64_t)a * b + 0x80000000ULL;
259     return r >> 32;
260 }
261
262 static void subband_transform(DCAEncContext *c, const int32_t *input)
263 {
264     int ch, subs, i, k, j;
265
266     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++) {
267         /* History is copied because it is also needed for PSY */
268         int32_t hist[512];
269         int hist_start = 0;
270         const int chi = c->channel_order_tab[ch];
271
272         memcpy(hist, &c->history[ch][0], 512 * sizeof(int32_t));
273
274         for (subs = 0; subs < SUBBAND_SAMPLES; subs++) {
275             int32_t accum[64];
276             int32_t resp;
277             int band;
278
279             /* Calculate the convolutions at once */
280             memset(accum, 0, 64 * sizeof(int32_t));
281
282             for (k = 0, i = hist_start, j = 0;
283                     i < 512; k = (k + 1) & 63, i++, j++)
284                 accum[k] += mul32(hist[i], c->band_interpolation[j]);
285             for (i = 0; i < hist_start; k = (k + 1) & 63, i++, j++)
286                 accum[k] += mul32(hist[i], c->band_interpolation[j]);
287
288             for (k = 16; k < 32; k++)
289                 accum[k] = accum[k] - accum[31 - k];
290             for (k = 32; k < 48; k++)
291                 accum[k] = accum[k] + accum[95 - k];
292
293             for (band = 0; band < 32; band++) {
294                 resp = 0;
295                 for (i = 16; i < 48; i++) {
296                     int s = (2 * band + 1) * (2 * (i + 16) + 1);
297                     resp += mul32(accum[i], cos_t(s << 3)) >> 3;
298                 }
299
300                 c->subband[ch][band][subs] = ((band + 1) & 2) ? -resp : resp;
301             }
302
303             /* Copy in 32 new samples from input */
304             for (i = 0; i < 32; i++)
305                 hist[i + hist_start] = input[(subs * 32 + i) * c->channels + chi];
306
307             hist_start = (hist_start + 32) & 511;
308         }
309     }
310 }
311
312 static void lfe_downsample(DCAEncContext *c, const int32_t *input)
313 {
314     /* FIXME: make 128x LFE downsampling possible */
315     const int lfech = lfe_index[c->channel_config];
316     int i, j, lfes;
317     int32_t hist[512];
318     int32_t accum;
319     int hist_start = 0;
320
321     memcpy(hist, &c->history[c->channels - 1][0], 512 * sizeof(int32_t));
322
323     for (lfes = 0; lfes < DCA_LFE_SAMPLES; lfes++) {
324         /* Calculate the convolution */
325         accum = 0;
326
327         for (i = hist_start, j = 0; i < 512; i++, j++)
328             accum += mul32(hist[i], lfe_fir_64i[j]);
329         for (i = 0; i < hist_start; i++, j++)
330             accum += mul32(hist[i], lfe_fir_64i[j]);
331
332         c->downsampled_lfe[lfes] = accum;
333
334         /* Copy in 64 new samples from input */
335         for (i = 0; i < 64; i++)
336             hist[i + hist_start] = input[(lfes * 64 + i) * c->channels + lfech];
337
338         hist_start = (hist_start + 64) & 511;
339     }
340 }
341
342 typedef struct {
343     int32_t re;
344     int32_t im;
345 } cplx32;
346
347 static void fft(const int32_t in[2 * 256], cplx32 out[256])
348 {
349     cplx32 buf[256], rin[256], rout[256];
350     int i, j, k, l;
351
352     /* do two transforms in parallel */
353     for (i = 0; i < 256; i++) {
354         /* Apply the Hann window */
355         rin[i].re = mul32(in[2 * i], 0x3fffffff - (cos_t(8 * i + 2) >> 1));
356         rin[i].im = mul32(in[2 * i + 1], 0x3fffffff - (cos_t(8 * i + 6) >> 1));
357     }
358     /* pre-rotation */
359     for (i = 0; i < 256; i++) {
360         buf[i].re = mul32(cos_t(4 * i + 2), rin[i].re)
361                   - mul32(sin_t(4 * i + 2), rin[i].im);
362         buf[i].im = mul32(cos_t(4 * i + 2), rin[i].im)
363                   + mul32(sin_t(4 * i + 2), rin[i].re);
364     }
365
366     for (j = 256, l = 1; j != 1; j >>= 1, l <<= 1) {
367         for (k = 0; k < 256; k += j) {
368             for (i = k; i < k + j / 2; i++) {
369                 cplx32 sum, diff;
370                 int t = 8 * l * i;
371
372                 sum.re = buf[i].re + buf[i + j / 2].re;
373                 sum.im = buf[i].im + buf[i + j / 2].im;
374
375                 diff.re = buf[i].re - buf[i + j / 2].re;
376                 diff.im = buf[i].im - buf[i + j / 2].im;
377
378                 buf[i].re = half32(sum.re);
379                 buf[i].im = half32(sum.im);
380
381                 buf[i + j / 2].re = mul32(diff.re, cos_t(t))
382                                   - mul32(diff.im, sin_t(t));
383                 buf[i + j / 2].im = mul32(diff.im, cos_t(t))
384                                   + mul32(diff.re, sin_t(t));
385             }
386         }
387     }
388     /* post-rotation */
389     for (i = 0; i < 256; i++) {
390         int b = ff_reverse[i];
391         rout[i].re = mul32(buf[b].re, cos_t(4 * i))
392                    - mul32(buf[b].im, sin_t(4 * i));
393         rout[i].im = mul32(buf[b].im, cos_t(4 * i))
394                    + mul32(buf[b].re, sin_t(4 * i));
395     }
396     for (i = 0; i < 256; i++) {
397         /* separate the results of the two transforms */
398         cplx32 o1, o2;
399
400         o1.re =  rout[i].re - rout[255 - i].re;
401         o1.im =  rout[i].im + rout[255 - i].im;
402
403         o2.re =  rout[i].im - rout[255 - i].im;
404         o2.im = -rout[i].re - rout[255 - i].re;
405
406         /* combine them into one long transform */
407         out[i].re = mul32( o1.re + o2.re, cos_t(2 * i + 1))
408                   + mul32( o1.im - o2.im, sin_t(2 * i + 1));
409         out[i].im = mul32( o1.im + o2.im, cos_t(2 * i + 1))
410                   + mul32(-o1.re + o2.re, sin_t(2 * i + 1));
411     }
412 }
413
414 static int32_t get_cb(int32_t in)
415 {
416     int i, res;
417
418     res = 0;
419     if (in < 0)
420         in = -in;
421     for (i = 1024; i > 0; i >>= 1) {
422         if (cb_to_level[i + res] >= in)
423             res += i;
424     }
425     return -res;
426 }
427
428 static int32_t add_cb(int32_t a, int32_t b)
429 {
430     if (a < b)
431         FFSWAP(int32_t, a, b);
432
433     if (a - b >= 256)
434         return a;
435     return a + cb_to_add[a - b];
436 }
437
438 static void adjust_jnd(int samplerate_index,
439                        const int32_t in[512], int32_t out_cb[256])
440 {
441     int32_t power[256];
442     cplx32 out[256];
443     int32_t out_cb_unnorm[256];
444     int32_t denom;
445     const int32_t ca_cb = -1114;
446     const int32_t cs_cb = 928;
447     int i, j;
448
449     fft(in, out);
450
451     for (j = 0; j < 256; j++) {
452         power[j] = add_cb(get_cb(out[j].re), get_cb(out[j].im));
453         out_cb_unnorm[j] = -2047; /* and can only grow */
454     }
455
456     for (i = 0; i < AUBANDS; i++) {
457         denom = ca_cb; /* and can only grow */
458         for (j = 0; j < 256; j++)
459             denom = add_cb(denom, power[j] + auf[samplerate_index][i][j]);
460         for (j = 0; j < 256; j++)
461             out_cb_unnorm[j] = add_cb(out_cb_unnorm[j],
462                     -denom + auf[samplerate_index][i][j]);
463     }
464
465     for (j = 0; j < 256; j++)
466         out_cb[j] = add_cb(out_cb[j], -out_cb_unnorm[j] - ca_cb - cs_cb);
467 }
468
469 typedef void (*walk_band_t)(DCAEncContext *c, int band1, int band2, int f,
470                             int32_t spectrum1, int32_t spectrum2, int channel,
471                             int32_t * arg);
472
473 static void walk_band_low(DCAEncContext *c, int band, int channel,
474                           walk_band_t walk, int32_t *arg)
475 {
476     int f;
477
478     if (band == 0) {
479         for (f = 0; f < 4; f++)
480             walk(c, 0, 0, f, 0, -2047, channel, arg);
481     } else {
482         for (f = 0; f < 8; f++)
483             walk(c, band, band - 1, 8 * band - 4 + f,
484                     c->band_spectrum[7 - f], c->band_spectrum[f], channel, arg);
485     }
486 }
487
488 static void walk_band_high(DCAEncContext *c, int band, int channel,
489                            walk_band_t walk, int32_t *arg)
490 {
491     int f;
492
493     if (band == 31) {
494         for (f = 0; f < 4; f++)
495             walk(c, 31, 31, 256 - 4 + f, 0, -2047, channel, arg);
496     } else {
497         for (f = 0; f < 8; f++)
498             walk(c, band, band + 1, 8 * band + 4 + f,
499                     c->band_spectrum[f], c->band_spectrum[7 - f], channel, arg);
500     }
501 }
502
503 static void update_band_masking(DCAEncContext *c, int band1, int band2,
504                                 int f, int32_t spectrum1, int32_t spectrum2,
505                                 int channel, int32_t * arg)
506 {
507     int32_t value = c->eff_masking_curve_cb[f] - spectrum1;
508
509     if (value < c->band_masking_cb[band1])
510         c->band_masking_cb[band1] = value;
511 }
512
513 static void calc_masking(DCAEncContext *c, const int32_t *input)
514 {
515     int i, k, band, ch, ssf;
516     int32_t data[512];
517
518     for (i = 0; i < 256; i++)
519         for (ssf = 0; ssf < SUBSUBFRAMES; ssf++)
520             c->masking_curve_cb[ssf][i] = -2047;
521
522     for (ssf = 0; ssf < SUBSUBFRAMES; ssf++)
523         for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++) {
524             const int chi = c->channel_order_tab[ch];
525
526             for (i = 0, k = 128 + 256 * ssf; k < 512; i++, k++)
527                 data[i] = c->history[ch][k];
528             for (k -= 512; i < 512; i++, k++)
529                 data[i] = input[k * c->channels + chi];
530             adjust_jnd(c->samplerate_index, data, c->masking_curve_cb[ssf]);
531         }
532     for (i = 0; i < 256; i++) {
533         int32_t m = 2048;
534
535         for (ssf = 0; ssf < SUBSUBFRAMES; ssf++)
536             if (c->masking_curve_cb[ssf][i] < m)
537                 m = c->masking_curve_cb[ssf][i];
538         c->eff_masking_curve_cb[i] = m;
539     }
540
541     for (band = 0; band < 32; band++) {
542         c->band_masking_cb[band] = 2048;
543         walk_band_low(c, band, 0, update_band_masking, NULL);
544         walk_band_high(c, band, 0, update_band_masking, NULL);
545     }
546 }
547
548 static void find_peaks(DCAEncContext *c)
549 {
550     int band, ch;
551
552     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++)
553         for (band = 0; band < 32; band++) {
554             int sample;
555             int32_t m = 0;
556
557             for (sample = 0; sample < SUBBAND_SAMPLES; sample++) {
558                 int32_t s = abs(c->subband[ch][band][sample]);
559                 if (m < s)
560                     m = s;
561             }
562             c->peak_cb[ch][band] = get_cb(m);
563         }
564
565     if (c->lfe_channel) {
566         int sample;
567         int32_t m = 0;
568
569         for (sample = 0; sample < DCA_LFE_SAMPLES; sample++)
570             if (m < abs(c->downsampled_lfe[sample]))
571                 m = abs(c->downsampled_lfe[sample]);
572         c->lfe_peak_cb = get_cb(m);
573     }
574 }
575
576 static const int snr_fudge = 128;
577 #define USED_1ABITS 1
578 #define USED_NABITS 2
579 #define USED_26ABITS 4
580
581 static int32_t quantize_value(int32_t value, softfloat quant)
582 {
583     int32_t offset = 1 << (quant.e - 1);
584
585     value = mul32(value, quant.m) + offset;
586     value = value >> quant.e;
587     return value;
588 }
589
590 static int calc_one_scale(int32_t peak_cb, int abits, softfloat *quant)
591 {
592     int32_t peak;
593     int our_nscale, try_remove;
594     softfloat our_quant;
595
596     av_assert0(peak_cb <= 0);
597     av_assert0(peak_cb >= -2047);
598
599     our_nscale = 127;
600     peak = cb_to_level[-peak_cb];
601
602     for (try_remove = 64; try_remove > 0; try_remove >>= 1) {
603         if (scalefactor_inv[our_nscale - try_remove].e + stepsize_inv[abits].e <= 17)
604             continue;
605         our_quant.m = mul32(scalefactor_inv[our_nscale - try_remove].m, stepsize_inv[abits].m);
606         our_quant.e = scalefactor_inv[our_nscale - try_remove].e + stepsize_inv[abits].e - 17;
607         if ((ff_dca_quant_levels[abits] - 1) / 2 < quantize_value(peak, our_quant))
608             continue;
609         our_nscale -= try_remove;
610     }
611
612     if (our_nscale >= 125)
613         our_nscale = 124;
614
615     quant->m = mul32(scalefactor_inv[our_nscale].m, stepsize_inv[abits].m);
616     quant->e = scalefactor_inv[our_nscale].e + stepsize_inv[abits].e - 17;
617     av_assert0((ff_dca_quant_levels[abits] - 1) / 2 >= quantize_value(peak, *quant));
618
619     return our_nscale;
620 }
621
622 static void quantize_all(DCAEncContext *c)
623 {
624     int sample, band, ch;
625
626     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++)
627         for (band = 0; band < 32; band++)
628             for (sample = 0; sample < SUBBAND_SAMPLES; sample++)
629                 c->quantized[ch][band][sample] = quantize_value(c->subband[ch][band][sample], c->quant[ch][band]);
630 }
631
632 static void accumulate_huff_bit_consumption(int abits, int32_t *quantized, uint32_t *result)
633 {
634     uint8_t sel, id = abits - 1;
635     for (sel = 0; sel < ff_dca_quant_index_group_size[id]; sel++)
636         result[sel] += ff_dca_vlc_calc_quant_bits(quantized, SUBBAND_SAMPLES, sel, id);
637 }
638
639 static uint32_t set_best_code(uint32_t vlc_bits[DCA_CODE_BOOKS][7], uint32_t clc_bits[DCA_CODE_BOOKS], int32_t res[DCA_CODE_BOOKS])
640 {
641     uint8_t i, sel;
642     uint32_t best_sel_bits[DCA_CODE_BOOKS];
643     int32_t best_sel_id[DCA_CODE_BOOKS];
644     uint32_t t, bits = 0;
645
646     for (i = 0; i < DCA_CODE_BOOKS; i++) {
647
648         av_assert0(!((!!vlc_bits[i][0]) ^ (!!clc_bits[i])));
649         if (vlc_bits[i][0] == 0) {
650             /* do not transmit adjustment index for empty codebooks */
651             res[i] = ff_dca_quant_index_group_size[i];
652             /* and skip it */
653             continue;
654         }
655
656         best_sel_bits[i] = vlc_bits[i][0];
657         best_sel_id[i] = 0;
658         for (sel = 0; sel < ff_dca_quant_index_group_size[i]; sel++) {
659             if (best_sel_bits[i] > vlc_bits[i][sel] && vlc_bits[i][sel]) {
660                 best_sel_bits[i] = vlc_bits[i][sel];
661                 best_sel_id[i] = sel;
662             }
663         }
664
665         /* 2 bits to transmit scale factor adjustment index */
666         t = best_sel_bits[i] + 2;
667         if (t < clc_bits[i]) {
668             res[i] = best_sel_id[i];
669             bits += t;
670         } else {
671             res[i] = ff_dca_quant_index_group_size[i];
672             bits += clc_bits[i];
673         }
674     }
675     return bits;
676 }
677
678 static uint32_t set_best_abits_code(int abits[DCAENC_SUBBANDS], int bands, int32_t *res)
679 {
680     uint8_t i;
681     uint32_t t;
682     int32_t best_sel = 6;
683     int32_t best_bits = bands * 5;
684
685     /* Check do we have subband which cannot be encoded by Huffman tables */
686     for (i = 0; i < bands; i++) {
687         if (abits[i] > 12) {
688             *res = best_sel;
689             return best_bits;
690         }
691     }
692
693     for (i = 0; i < DCA_BITALLOC_12_COUNT; i++) {
694         t = ff_dca_vlc_calc_alloc_bits(abits, bands, i);
695         if (t < best_bits) {
696             best_bits = t;
697             best_sel = i;
698         }
699     }
700
701     *res = best_sel;
702     return best_bits;
703 }
704
705 static int init_quantization_noise(DCAEncContext *c, int noise)
706 {
707     int ch, band, ret = 0;
708     uint32_t huff_bit_count_accum[MAX_CHANNELS][DCA_CODE_BOOKS][7];
709     uint32_t clc_bit_count_accum[MAX_CHANNELS][DCA_CODE_BOOKS];
710     uint32_t bits_counter = 0;
711
712     c->consumed_bits = 132 + 333 * c->fullband_channels;
713     if (c->lfe_channel)
714         c->consumed_bits += 72;
715
716     /* attempt to guess the bit distribution based on the prevoius frame */
717     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++) {
718         for (band = 0; band < 32; band++) {
719             int snr_cb = c->peak_cb[ch][band] - c->band_masking_cb[band] - noise;
720
721             if (snr_cb >= 1312) {
722                 c->abits[ch][band] = 26;
723                 ret |= USED_26ABITS;
724             } else if (snr_cb >= 222) {
725                 c->abits[ch][band] = 8 + mul32(snr_cb - 222, 69000000);
726                 ret |= USED_NABITS;
727             } else if (snr_cb >= 0) {
728                 c->abits[ch][band] = 2 + mul32(snr_cb, 106000000);
729                 ret |= USED_NABITS;
730             } else {
731                 c->abits[ch][band] = 1;
732                 ret |= USED_1ABITS;
733             }
734         }
735         c->consumed_bits += set_best_abits_code(c->abits[ch], 32, &c->bit_allocation_sel[ch]);
736     }
737
738     /* Recalc scale_factor each time to get bits consumption in case of Huffman coding.
739        It is suboptimal solution */
740     /* TODO: May be cache scaled values */
741     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++) {
742         for (band = 0; band < 32; band++) {
743             c->scale_factor[ch][band] = calc_one_scale(c->peak_cb[ch][band],
744                                                        c->abits[ch][band],
745                                                        &c->quant[ch][band]);
746         }
747     }
748     quantize_all(c);
749
750     memset(huff_bit_count_accum, 0, MAX_CHANNELS * DCA_CODE_BOOKS * 7 * sizeof(uint32_t));
751     memset(clc_bit_count_accum, 0, MAX_CHANNELS * DCA_CODE_BOOKS * sizeof(uint32_t));
752     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++) {
753         for (band = 0; band < 32; band++) {
754             if (c->abits[ch][band] && c->abits[ch][band] <= DCA_CODE_BOOKS) {
755                 accumulate_huff_bit_consumption(c->abits[ch][band], c->quantized[ch][band], huff_bit_count_accum[ch][c->abits[ch][band] - 1]);
756                 clc_bit_count_accum[ch][c->abits[ch][band] - 1] += bit_consumption[c->abits[ch][band]];
757             } else {
758                 bits_counter += bit_consumption[c->abits[ch][band]];
759             }
760         }
761     }
762
763     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++) {
764         bits_counter += set_best_code(huff_bit_count_accum[ch], clc_bit_count_accum[ch], c->quant_index_sel[ch]);
765     }
766
767     c->consumed_bits += bits_counter;
768
769     return ret;
770 }
771
772 static void assign_bits(DCAEncContext *c)
773 {
774     /* Find the bounds where the binary search should work */
775     int low, high, down;
776     int used_abits = 0;
777
778     init_quantization_noise(c, c->worst_quantization_noise);
779     low = high = c->worst_quantization_noise;
780     if (c->consumed_bits > c->frame_bits) {
781         while (c->consumed_bits > c->frame_bits) {
782             av_assert0(used_abits != USED_1ABITS);
783             low = high;
784             high += snr_fudge;
785             used_abits = init_quantization_noise(c, high);
786         }
787     } else {
788         while (c->consumed_bits <= c->frame_bits) {
789             high = low;
790             if (used_abits == USED_26ABITS)
791                 goto out; /* The requested bitrate is too high, pad with zeros */
792             low -= snr_fudge;
793             used_abits = init_quantization_noise(c, low);
794         }
795     }
796
797     /* Now do a binary search between low and high to see what fits */
798     for (down = snr_fudge >> 1; down; down >>= 1) {
799         init_quantization_noise(c, high - down);
800         if (c->consumed_bits <= c->frame_bits)
801             high -= down;
802     }
803     init_quantization_noise(c, high);
804 out:
805     c->worst_quantization_noise = high;
806     if (high > c->worst_noise_ever)
807         c->worst_noise_ever = high;
808 }
809
810 static void shift_history(DCAEncContext *c, const int32_t *input)
811 {
812     int k, ch;
813
814     for (k = 0; k < 512; k++)
815         for (ch = 0; ch < c->channels; ch++) {
816             const int chi = c->channel_order_tab[ch];
817
818             c->history[ch][k] = input[k * c->channels + chi];
819         }
820 }
821
822 static void calc_lfe_scales(DCAEncContext *c)
823 {
824     if (c->lfe_channel)
825         c->lfe_scale_factor = calc_one_scale(c->lfe_peak_cb, 11, &c->lfe_quant);
826 }
827
828 static void put_frame_header(DCAEncContext *c)
829 {
830     /* SYNC */
831     put_bits(&c->pb, 16, 0x7ffe);
832     put_bits(&c->pb, 16, 0x8001);
833
834     /* Frame type: normal */
835     put_bits(&c->pb, 1, 1);
836
837     /* Deficit sample count: none */
838     put_bits(&c->pb, 5, 31);
839
840     /* CRC is not present */
841     put_bits(&c->pb, 1, 0);
842
843     /* Number of PCM sample blocks */
844     put_bits(&c->pb, 7, SUBBAND_SAMPLES - 1);
845
846     /* Primary frame byte size */
847     put_bits(&c->pb, 14, c->frame_size - 1);
848
849     /* Audio channel arrangement */
850     put_bits(&c->pb, 6, c->channel_config);
851
852     /* Core audio sampling frequency */
853     put_bits(&c->pb, 4, bitstream_sfreq[c->samplerate_index]);
854
855     /* Transmission bit rate */
856     put_bits(&c->pb, 5, c->bitrate_index);
857
858     /* Embedded down mix: disabled */
859     put_bits(&c->pb, 1, 0);
860
861     /* Embedded dynamic range flag: not present */
862     put_bits(&c->pb, 1, 0);
863
864     /* Embedded time stamp flag: not present */
865     put_bits(&c->pb, 1, 0);
866
867     /* Auxiliary data flag: not present */
868     put_bits(&c->pb, 1, 0);
869
870     /* HDCD source: no */
871     put_bits(&c->pb, 1, 0);
872
873     /* Extension audio ID: N/A */
874     put_bits(&c->pb, 3, 0);
875
876     /* Extended audio data: not present */
877     put_bits(&c->pb, 1, 0);
878
879     /* Audio sync word insertion flag: after each sub-frame */
880     put_bits(&c->pb, 1, 0);
881
882     /* Low frequency effects flag: not present or 64x subsampling */
883     put_bits(&c->pb, 2, c->lfe_channel ? 2 : 0);
884
885     /* Predictor history switch flag: on */
886     put_bits(&c->pb, 1, 1);
887
888     /* No CRC */
889     /* Multirate interpolator switch: non-perfect reconstruction */
890     put_bits(&c->pb, 1, 0);
891
892     /* Encoder software revision: 7 */
893     put_bits(&c->pb, 4, 7);
894
895     /* Copy history: 0 */
896     put_bits(&c->pb, 2, 0);
897
898     /* Source PCM resolution: 16 bits, not DTS ES */
899     put_bits(&c->pb, 3, 0);
900
901     /* Front sum/difference coding: no */
902     put_bits(&c->pb, 1, 0);
903
904     /* Surrounds sum/difference coding: no */
905     put_bits(&c->pb, 1, 0);
906
907     /* Dialog normalization: 0 dB */
908     put_bits(&c->pb, 4, 0);
909 }
910
911 static void put_primary_audio_header(DCAEncContext *c)
912 {
913     int ch, i;
914     /* Number of subframes */
915     put_bits(&c->pb, 4, SUBFRAMES - 1);
916
917     /* Number of primary audio channels */
918     put_bits(&c->pb, 3, c->fullband_channels - 1);
919
920     /* Subband activity count */
921     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++)
922         put_bits(&c->pb, 5, DCAENC_SUBBANDS - 2);
923
924     /* High frequency VQ start subband */
925     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++)
926         put_bits(&c->pb, 5, DCAENC_SUBBANDS - 1);
927
928     /* Joint intensity coding index: 0, 0 */
929     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++)
930         put_bits(&c->pb, 3, 0);
931
932     /* Transient mode codebook: A4, A4 (arbitrary) */
933     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++)
934         put_bits(&c->pb, 2, 0);
935
936     /* Scale factor code book: 7 bit linear, 7-bit sqrt table (for each channel) */
937     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++)
938         put_bits(&c->pb, 3, 6);
939
940     /* Bit allocation quantizer select: linear 5-bit */
941     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++)
942         put_bits(&c->pb, 3, c->bit_allocation_sel[ch]);
943
944     /* Quantization index codebook select */
945     for (i = 0; i < DCA_CODE_BOOKS; i++)
946         for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++)
947             put_bits(&c->pb, ff_dca_quant_index_sel_nbits[i], c->quant_index_sel[ch][i]);
948
949     /* Scale factor adjustment index: transmitted in case of Huffman coding */
950     for (i = 0; i < DCA_CODE_BOOKS; i++)
951         for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++)
952             if (c->quant_index_sel[ch][i] < ff_dca_quant_index_group_size[i])
953                 put_bits(&c->pb, 2, 0);
954
955     /* Audio header CRC check word: not transmitted */
956 }
957
958 static void put_subframe_samples(DCAEncContext *c, int ss, int band, int ch)
959 {
960     int i, j, sum, bits, sel;
961     if (c->abits[ch][band] <= DCA_CODE_BOOKS) {
962         av_assert0(c->abits[ch][band] > 0);
963         sel = c->quant_index_sel[ch][c->abits[ch][band] - 1];
964         // Huffman codes
965         if (sel < ff_dca_quant_index_group_size[c->abits[ch][band] - 1]) {
966             ff_dca_vlc_enc_quant(&c->pb, &c->quantized[ch][band][ss * 8], 8, sel, c->abits[ch][band] - 1);
967             return;
968         }
969
970         // Block codes
971         if (c->abits[ch][band] <= 7) {
972             for (i = 0; i < 8; i += 4) {
973                 sum = 0;
974                 for (j = 3; j >= 0; j--) {
975                     sum *= ff_dca_quant_levels[c->abits[ch][band]];
976                     sum += c->quantized[ch][band][ss * 8 + i + j];
977                     sum += (ff_dca_quant_levels[c->abits[ch][band]] - 1) / 2;
978                 }
979                 put_bits(&c->pb, bit_consumption[c->abits[ch][band]] / 4, sum);
980             }
981             return;
982         }
983     }
984
985     for (i = 0; i < 8; i++) {
986         bits = bit_consumption[c->abits[ch][band]] / 16;
987         put_sbits(&c->pb, bits, c->quantized[ch][band][ss * 8 + i]);
988     }
989 }
990
991 static void put_subframe(DCAEncContext *c, int subframe)
992 {
993     int i, band, ss, ch;
994
995     /* Subsubframes count */
996     put_bits(&c->pb, 2, SUBSUBFRAMES -1);
997
998     /* Partial subsubframe sample count: dummy */
999     put_bits(&c->pb, 3, 0);
1000
1001     /* Prediction mode: no ADPCM, in each channel and subband */
1002     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++)
1003         for (band = 0; band < DCAENC_SUBBANDS; band++)
1004             put_bits(&c->pb, 1, 0);
1005
1006     /* Prediction VQ address: not transmitted */
1007     /* Bit allocation index */
1008     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++) {
1009         if (c->bit_allocation_sel[ch] == 6) {
1010             for (band = 0; band < DCAENC_SUBBANDS; band++) {
1011                 put_bits(&c->pb, 5, c->abits[ch][band]);
1012             }
1013         } else {
1014             ff_dca_vlc_enc_alloc(&c->pb, c->abits[ch], DCAENC_SUBBANDS, c->bit_allocation_sel[ch]);
1015         }
1016     }
1017
1018     if (SUBSUBFRAMES > 1) {
1019         /* Transition mode: none for each channel and subband */
1020         for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++)
1021             for (band = 0; band < DCAENC_SUBBANDS; band++)
1022                 put_bits(&c->pb, 1, 0); /* codebook A4 */
1023     }
1024
1025     /* Scale factors */
1026     for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++)
1027         for (band = 0; band < DCAENC_SUBBANDS; band++)
1028             put_bits(&c->pb, 7, c->scale_factor[ch][band]);
1029
1030     /* Joint subband scale factor codebook select: not transmitted */
1031     /* Scale factors for joint subband coding: not transmitted */
1032     /* Stereo down-mix coefficients: not transmitted */
1033     /* Dynamic range coefficient: not transmitted */
1034     /* Stde information CRC check word: not transmitted */
1035     /* VQ encoded high frequency subbands: not transmitted */
1036
1037     /* LFE data: 8 samples and scalefactor */
1038     if (c->lfe_channel) {
1039         for (i = 0; i < DCA_LFE_SAMPLES; i++)
1040             put_bits(&c->pb, 8, quantize_value(c->downsampled_lfe[i], c->lfe_quant) & 0xff);
1041         put_bits(&c->pb, 8, c->lfe_scale_factor);
1042     }
1043
1044     /* Audio data (subsubframes) */
1045     for (ss = 0; ss < SUBSUBFRAMES ; ss++)
1046         for (ch = 0; ch < c->fullband_channels; ch++)
1047             for (band = 0; band < DCAENC_SUBBANDS; band++)
1048                     put_subframe_samples(c, ss, band, ch);
1049
1050     /* DSYNC */
1051     put_bits(&c->pb, 16, 0xffff);
1052 }
1053
1054 static int encode_frame(AVCodecContext *avctx, AVPacket *avpkt,
1055                         const AVFrame *frame, int *got_packet_ptr)
1056 {
1057     DCAEncContext *c = avctx->priv_data;
1058     const int32_t *samples;
1059     int ret, i;
1060
1061     if ((ret = ff_alloc_packet2(avctx, avpkt, c->frame_size, 0)) < 0)
1062         return ret;
1063
1064     samples = (const int32_t *)frame->data[0];
1065
1066     subband_transform(c, samples);
1067     if (c->lfe_channel)
1068         lfe_downsample(c, samples);
1069
1070     calc_masking(c, samples);
1071     find_peaks(c);
1072     assign_bits(c);
1073     calc_lfe_scales(c);
1074     shift_history(c, samples);
1075
1076     init_put_bits(&c->pb, avpkt->data, avpkt->size);
1077     put_frame_header(c);
1078     put_primary_audio_header(c);
1079     for (i = 0; i < SUBFRAMES; i++)
1080         put_subframe(c, i);
1081
1082
1083     for (i = put_bits_count(&c->pb); i < 8*c->frame_size; i++)
1084         put_bits(&c->pb, 1, 0);
1085
1086     flush_put_bits(&c->pb);
1087
1088     avpkt->pts      = frame->pts;
1089     avpkt->duration = ff_samples_to_time_base(avctx, frame->nb_samples);
1090     avpkt->size     = put_bits_count(&c->pb) >> 3;
1091     *got_packet_ptr = 1;
1092     return 0;
1093 }
1094
1095 static const AVCodecDefault defaults[] = {
1096     { "b",          "1411200" },
1097     { NULL },
1098 };
1099
1100 AVCodec ff_dca_encoder = {
1101     .name                  = "dca",
1102     .long_name             = NULL_IF_CONFIG_SMALL("DCA (DTS Coherent Acoustics)"),
1103     .type                  = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
1104     .id                    = AV_CODEC_ID_DTS,
1105     .priv_data_size        = sizeof(DCAEncContext),
1106     .init                  = encode_init,
1107     .encode2               = encode_frame,
1108     .capabilities          = AV_CODEC_CAP_EXPERIMENTAL,
1109     .sample_fmts           = (const enum AVSampleFormat[]){ AV_SAMPLE_FMT_S32,
1110                                                             AV_SAMPLE_FMT_NONE },
1111     .supported_samplerates = sample_rates,
1112     .channel_layouts       = (const uint64_t[]) { AV_CH_LAYOUT_MONO,
1113                                                   AV_CH_LAYOUT_STEREO,
1114                                                   AV_CH_LAYOUT_2_2,
1115                                                   AV_CH_LAYOUT_5POINT0,
1116                                                   AV_CH_LAYOUT_5POINT1,
1117                                                   0 },
1118     .defaults              = defaults,
1119 };