3fb10d43803290d96c58f84de776536471c35794
[ffmpeg.git] / libavcodec / dnxhdenc.c
1 /*
2  * VC3/DNxHD encoder
3  * Copyright (c) 2007 Baptiste Coudurier <baptiste dot coudurier at smartjog dot com>
4  * Copyright (c) 2011 MirriAd Ltd
5  *
6  * VC-3 encoder funded by the British Broadcasting Corporation
7  * 10 bit support added by MirriAd Ltd, Joseph Artsimovich <joseph@mirriad.com>
8  *
9  * This file is part of Libav.
10  *
11  * Libav is free software; you can redistribute it and/or
12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
13  * License as published by the Free Software Foundation; either
14  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
15  *
16  * Libav is distributed in the hope that it will be useful,
17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
19  * Lesser General Public License for more details.
20  *
21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
22  * License along with Libav; if not, write to the Free Software
23  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
24  */
25
26 //#define DEBUG
27 #define RC_VARIANCE 1 // use variance or ssd for fast rc
28
29 #include "libavutil/opt.h"
30 #include "avcodec.h"
31 #include "dsputil.h"
32 #include "mpegvideo.h"
33 #include "mpegvideo_common.h"
34 #include "dnxhdenc.h"
35
36 #define VE AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM | AV_OPT_FLAG_ENCODING_PARAM
37 #define DNX10BIT_QMAT_SHIFT 18 // The largest value that will not lead to overflow for 10bit samples.
38
39 static const AVOption options[]={
40     {"nitris_compat", "encode with Avid Nitris compatibility", offsetof(DNXHDEncContext, nitris_compat), FF_OPT_TYPE_INT, {.dbl = 0}, 0, 1, VE},
41 {NULL}
42 };
43 static const AVClass class = { "dnxhd", av_default_item_name, options, LIBAVUTIL_VERSION_INT };
44
45 #define LAMBDA_FRAC_BITS 10
46
47 static void dnxhd_8bit_get_pixels_8x4_sym(DCTELEM *restrict block, const uint8_t *pixels, int line_size)
48 {
49     int i;
50     for (i = 0; i < 4; i++) {
51         block[0] = pixels[0]; block[1] = pixels[1];
52         block[2] = pixels[2]; block[3] = pixels[3];
53         block[4] = pixels[4]; block[5] = pixels[5];
54         block[6] = pixels[6]; block[7] = pixels[7];
55         pixels += line_size;
56         block += 8;
57     }
58     memcpy(block,      block -  8, sizeof(*block) * 8);
59     memcpy(block +  8, block - 16, sizeof(*block) * 8);
60     memcpy(block + 16, block - 24, sizeof(*block) * 8);
61     memcpy(block + 24, block - 32, sizeof(*block) * 8);
62 }
63
64 static av_always_inline void dnxhd_10bit_get_pixels_8x4_sym(DCTELEM *restrict block, const uint8_t *pixels, int line_size)
65 {
66     int i;
67
68     block += 32;
69
70     for (i = 0; i < 4; i++) {
71         memcpy(block + i     * 8, pixels + i * line_size, 8 * sizeof(*block));
72         memcpy(block - (i+1) * 8, pixels + i * line_size, 8 * sizeof(*block));
73     }
74 }
75
76 static int dnxhd_10bit_dct_quantize(MpegEncContext *ctx, DCTELEM *block,
77                                     int n, int qscale, int *overflow)
78 {
79     const uint8_t *scantable= ctx->intra_scantable.scantable;
80     const int *qmat = ctx->q_intra_matrix[qscale];
81     int last_non_zero = 0;
82
83     ctx->dsp.fdct(block);
84
85     // Divide by 4 with rounding, to compensate scaling of DCT coefficients
86     block[0] = (block[0] + 2) >> 2;
87
88     for (int i = 1; i < 64; ++i) {
89         int j = scantable[i];
90         int sign = block[j] >> 31;
91         int level = (block[j] ^ sign) - sign;
92         level = level * qmat[j] >> DNX10BIT_QMAT_SHIFT;
93         block[j] = (level ^ sign) - sign;
94         if (level)
95             last_non_zero = i;
96     }
97
98     return last_non_zero;
99 }
100
101 static int dnxhd_init_vlc(DNXHDEncContext *ctx)
102 {
103     int i, j, level, run;
104     int max_level = 1<<(ctx->cid_table->bit_depth+2);
105
106     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->vlc_codes, max_level*4*sizeof(*ctx->vlc_codes), fail);
107     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->vlc_bits,  max_level*4*sizeof(*ctx->vlc_bits) , fail);
108     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->run_codes, 63*2,                                fail);
109     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->run_bits,  63,                                  fail);
110
111     ctx->vlc_codes += max_level*2;
112     ctx->vlc_bits  += max_level*2;
113     for (level = -max_level; level < max_level; level++) {
114         for (run = 0; run < 2; run++) {
115             int index = (level<<1)|run;
116             int sign, offset = 0, alevel = level;
117
118             MASK_ABS(sign, alevel);
119             if (alevel > 64) {
120                 offset = (alevel-1)>>6;
121                 alevel -= offset<<6;
122             }
123             for (j = 0; j < 257; j++) {
124                 if (ctx->cid_table->ac_level[j] == alevel &&
125                     (!offset || (ctx->cid_table->ac_index_flag[j] && offset)) &&
126                     (!run    || (ctx->cid_table->ac_run_flag  [j] && run))) {
127                     assert(!ctx->vlc_codes[index]);
128                     if (alevel) {
129                         ctx->vlc_codes[index] = (ctx->cid_table->ac_codes[j]<<1)|(sign&1);
130                         ctx->vlc_bits [index] = ctx->cid_table->ac_bits[j]+1;
131                     } else {
132                         ctx->vlc_codes[index] = ctx->cid_table->ac_codes[j];
133                         ctx->vlc_bits [index] = ctx->cid_table->ac_bits [j];
134                     }
135                     break;
136                 }
137             }
138             assert(!alevel || j < 257);
139             if (offset) {
140                 ctx->vlc_codes[index] = (ctx->vlc_codes[index]<<ctx->cid_table->index_bits)|offset;
141                 ctx->vlc_bits [index]+= ctx->cid_table->index_bits;
142             }
143         }
144     }
145     for (i = 0; i < 62; i++) {
146         int run = ctx->cid_table->run[i];
147         assert(run < 63);
148         ctx->run_codes[run] = ctx->cid_table->run_codes[i];
149         ctx->run_bits [run] = ctx->cid_table->run_bits[i];
150     }
151     return 0;
152  fail:
153     return -1;
154 }
155
156 static int dnxhd_init_qmat(DNXHDEncContext *ctx, int lbias, int cbias)
157 {
158     // init first elem to 1 to avoid div by 0 in convert_matrix
159     uint16_t weight_matrix[64] = {1,}; // convert_matrix needs uint16_t*
160     int qscale, i;
161     const uint8_t *luma_weight_table   = ctx->cid_table->luma_weight;
162     const uint8_t *chroma_weight_table = ctx->cid_table->chroma_weight;
163
164     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_l,   (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 *     sizeof(int),      fail);
165     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_c,   (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 *     sizeof(int),      fail);
166     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_l16, (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 * 2 * sizeof(uint16_t), fail);
167     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_c16, (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 * 2 * sizeof(uint16_t), fail);
168
169     if (ctx->cid_table->bit_depth == 8) {
170         for (i = 1; i < 64; i++) {
171             int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
172             weight_matrix[j] = ctx->cid_table->luma_weight[i];
173         }
174         ff_convert_matrix(&ctx->m.dsp, ctx->qmatrix_l, ctx->qmatrix_l16, weight_matrix,
175                           ctx->m.intra_quant_bias, 1, ctx->m.avctx->qmax, 1);
176         for (i = 1; i < 64; i++) {
177             int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
178             weight_matrix[j] = ctx->cid_table->chroma_weight[i];
179         }
180         ff_convert_matrix(&ctx->m.dsp, ctx->qmatrix_c, ctx->qmatrix_c16, weight_matrix,
181                           ctx->m.intra_quant_bias, 1, ctx->m.avctx->qmax, 1);
182
183         for (qscale = 1; qscale <= ctx->m.avctx->qmax; qscale++) {
184             for (i = 0; i < 64; i++) {
185                 ctx->qmatrix_l  [qscale]   [i] <<= 2; ctx->qmatrix_c  [qscale]   [i] <<= 2;
186                 ctx->qmatrix_l16[qscale][0][i] <<= 2; ctx->qmatrix_l16[qscale][1][i] <<= 2;
187                 ctx->qmatrix_c16[qscale][0][i] <<= 2; ctx->qmatrix_c16[qscale][1][i] <<= 2;
188             }
189         }
190     } else {
191         // 10-bit
192         for (qscale = 1; qscale <= ctx->m.avctx->qmax; qscale++) {
193             for (i = 1; i < 64; i++) {
194                 int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
195
196                 // The quantization formula from the VC-3 standard is:
197                 // quantized = sign(block[i]) * floor(abs(block[i]/s) * p / (qscale * weight_table[i]))
198                 // Where p is 32 for 8-bit samples and 8 for 10-bit ones.
199                 // The s factor compensates scaling of DCT coefficients done by the DCT routines,
200                 // and therefore is not present in standard.  It's 8 for 8-bit samples and 4 for 10-bit ones.
201                 // We want values of ctx->qtmatrix_l and ctx->qtmatrix_r to be:
202                 // ((1 << DNX10BIT_QMAT_SHIFT) * (p / s)) / (qscale * weight_table[i])
203                 // For 10-bit samples, p / s == 2
204                 ctx->qmatrix_l[qscale][j] = (1 << (DNX10BIT_QMAT_SHIFT + 1)) / (qscale * luma_weight_table[i]);
205                 ctx->qmatrix_c[qscale][j] = (1 << (DNX10BIT_QMAT_SHIFT + 1)) / (qscale * chroma_weight_table[i]);
206             }
207         }
208     }
209
210     return 0;
211  fail:
212     return -1;
213 }
214
215 static int dnxhd_init_rc(DNXHDEncContext *ctx)
216 {
217     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_rc, 8160*ctx->m.avctx->qmax*sizeof(RCEntry), fail);
218     if (ctx->m.avctx->mb_decision != FF_MB_DECISION_RD)
219         FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_cmp, ctx->m.mb_num*sizeof(RCCMPEntry), fail);
220
221     ctx->frame_bits = (ctx->cid_table->coding_unit_size - 640 - 4 - ctx->min_padding) * 8;
222     ctx->qscale = 1;
223     ctx->lambda = 2<<LAMBDA_FRAC_BITS; // qscale 2
224     return 0;
225  fail:
226     return -1;
227 }
228
229 static int dnxhd_encode_init(AVCodecContext *avctx)
230 {
231     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
232     int i, index, bit_depth;
233
234     switch (avctx->pix_fmt) {
235     case PIX_FMT_YUV422P:
236         bit_depth = 8;
237         break;
238     case PIX_FMT_YUV422P10:
239         bit_depth = 10;
240         break;
241     default:
242         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "pixel format is incompatible with DNxHD\n");
243         return -1;
244     }
245
246     ctx->cid = ff_dnxhd_find_cid(avctx, bit_depth);
247     if (!ctx->cid) {
248         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "video parameters incompatible with DNxHD\n");
249         return -1;
250     }
251     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "cid %d\n", ctx->cid);
252
253     index = ff_dnxhd_get_cid_table(ctx->cid);
254     ctx->cid_table = &ff_dnxhd_cid_table[index];
255
256     ctx->m.avctx = avctx;
257     ctx->m.mb_intra = 1;
258     ctx->m.h263_aic = 1;
259
260     avctx->bits_per_raw_sample = ctx->cid_table->bit_depth;
261
262     dsputil_init(&ctx->m.dsp, avctx);
263     ff_dct_common_init(&ctx->m);
264     if (!ctx->m.dct_quantize)
265         ctx->m.dct_quantize = dct_quantize_c;
266
267     if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
268        ctx->m.dct_quantize = dnxhd_10bit_dct_quantize;
269        ctx->get_pixels_8x4_sym = dnxhd_10bit_get_pixels_8x4_sym;
270        ctx->block_width_l2 = 4;
271     } else {
272        ctx->get_pixels_8x4_sym = dnxhd_8bit_get_pixels_8x4_sym;
273        ctx->block_width_l2 = 3;
274     }
275
276 #if HAVE_MMX
277     ff_dnxhd_init_mmx(ctx);
278 #endif
279
280     ctx->m.mb_height = (avctx->height + 15) / 16;
281     ctx->m.mb_width  = (avctx->width  + 15) / 16;
282
283     if (avctx->flags & CODEC_FLAG_INTERLACED_DCT) {
284         ctx->interlaced = 1;
285         ctx->m.mb_height /= 2;
286     }
287
288     ctx->m.mb_num = ctx->m.mb_height * ctx->m.mb_width;
289
290     if (avctx->intra_quant_bias != FF_DEFAULT_QUANT_BIAS)
291         ctx->m.intra_quant_bias = avctx->intra_quant_bias;
292     if (dnxhd_init_qmat(ctx, ctx->m.intra_quant_bias, 0) < 0) // XXX tune lbias/cbias
293         return -1;
294
295     // Avid Nitris hardware decoder requires a minimum amount of padding in the coding unit payload
296     if (ctx->nitris_compat)
297         ctx->min_padding = 1600;
298
299     if (dnxhd_init_vlc(ctx) < 0)
300         return -1;
301     if (dnxhd_init_rc(ctx) < 0)
302         return -1;
303
304     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->slice_size, ctx->m.mb_height*sizeof(uint32_t), fail);
305     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->slice_offs, ctx->m.mb_height*sizeof(uint32_t), fail);
306     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_bits,    ctx->m.mb_num   *sizeof(uint16_t), fail);
307     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_qscale,  ctx->m.mb_num   *sizeof(uint8_t),  fail);
308
309     ctx->frame.key_frame = 1;
310     ctx->frame.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_I;
311     ctx->m.avctx->coded_frame = &ctx->frame;
312
313     if (avctx->thread_count > MAX_THREADS) {
314         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "too many threads\n");
315         return -1;
316     }
317
318     ctx->thread[0] = ctx;
319     for (i = 1; i < avctx->thread_count; i++) {
320         ctx->thread[i] =  av_malloc(sizeof(DNXHDEncContext));
321         memcpy(ctx->thread[i], ctx, sizeof(DNXHDEncContext));
322     }
323
324     return 0;
325  fail: //for FF_ALLOCZ_OR_GOTO
326     return -1;
327 }
328
329 static int dnxhd_write_header(AVCodecContext *avctx, uint8_t *buf)
330 {
331     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
332     const uint8_t header_prefix[5] = { 0x00,0x00,0x02,0x80,0x01 };
333
334     memset(buf, 0, 640);
335
336     memcpy(buf, header_prefix, 5);
337     buf[5] = ctx->interlaced ? ctx->cur_field+2 : 0x01;
338     buf[6] = 0x80; // crc flag off
339     buf[7] = 0xa0; // reserved
340     AV_WB16(buf + 0x18, avctx->height>>ctx->interlaced); // ALPF
341     AV_WB16(buf + 0x1a, avctx->width);  // SPL
342     AV_WB16(buf + 0x1d, avctx->height>>ctx->interlaced); // NAL
343
344     buf[0x21] = ctx->cid_table->bit_depth == 10 ? 0x58 : 0x38;
345     buf[0x22] = 0x88 + (ctx->interlaced<<2);
346     AV_WB32(buf + 0x28, ctx->cid); // CID
347     buf[0x2c] = ctx->interlaced ? 0 : 0x80;
348
349     buf[0x5f] = 0x01; // UDL
350
351     buf[0x167] = 0x02; // reserved
352     AV_WB16(buf + 0x16a, ctx->m.mb_height * 4 + 4); // MSIPS
353     buf[0x16d] = ctx->m.mb_height; // Ns
354     buf[0x16f] = 0x10; // reserved
355
356     ctx->msip = buf + 0x170;
357     return 0;
358 }
359
360 static av_always_inline void dnxhd_encode_dc(DNXHDEncContext *ctx, int diff)
361 {
362     int nbits;
363     if (diff < 0) {
364         nbits = av_log2_16bit(-2*diff);
365         diff--;
366     } else {
367         nbits = av_log2_16bit(2*diff);
368     }
369     put_bits(&ctx->m.pb, ctx->cid_table->dc_bits[nbits] + nbits,
370              (ctx->cid_table->dc_codes[nbits]<<nbits) + (diff & ((1 << nbits) - 1)));
371 }
372
373 static av_always_inline void dnxhd_encode_block(DNXHDEncContext *ctx, DCTELEM *block, int last_index, int n)
374 {
375     int last_non_zero = 0;
376     int slevel, i, j;
377
378     dnxhd_encode_dc(ctx, block[0] - ctx->m.last_dc[n]);
379     ctx->m.last_dc[n] = block[0];
380
381     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
382         j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
383         slevel = block[j];
384         if (slevel) {
385             int run_level = i - last_non_zero - 1;
386             int rlevel = (slevel<<1)|!!run_level;
387             put_bits(&ctx->m.pb, ctx->vlc_bits[rlevel], ctx->vlc_codes[rlevel]);
388             if (run_level)
389                 put_bits(&ctx->m.pb, ctx->run_bits[run_level], ctx->run_codes[run_level]);
390             last_non_zero = i;
391         }
392     }
393     put_bits(&ctx->m.pb, ctx->vlc_bits[0], ctx->vlc_codes[0]); // EOB
394 }
395
396 static av_always_inline void dnxhd_unquantize_c(DNXHDEncContext *ctx, DCTELEM *block, int n, int qscale, int last_index)
397 {
398     const uint8_t *weight_matrix;
399     int level;
400     int i;
401
402     weight_matrix = (n&2) ? ctx->cid_table->chroma_weight : ctx->cid_table->luma_weight;
403
404     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
405         int j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
406         level = block[j];
407         if (level) {
408             if (level < 0) {
409                 level = (1-2*level) * qscale * weight_matrix[i];
410                 if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
411                     if (weight_matrix[i] != 8)
412                         level += 8;
413                     level >>= 4;
414                 } else {
415                     if (weight_matrix[i] != 32)
416                         level += 32;
417                     level >>= 6;
418                 }
419                 level = -level;
420             } else {
421                 level = (2*level+1) * qscale * weight_matrix[i];
422                 if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
423                     if (weight_matrix[i] != 8)
424                         level += 8;
425                     level >>= 4;
426                 } else {
427                     if (weight_matrix[i] != 32)
428                         level += 32;
429                     level >>= 6;
430                 }
431             }
432             block[j] = level;
433         }
434     }
435 }
436
437 static av_always_inline int dnxhd_ssd_block(DCTELEM *qblock, DCTELEM *block)
438 {
439     int score = 0;
440     int i;
441     for (i = 0; i < 64; i++)
442         score += (block[i] - qblock[i]) * (block[i] - qblock[i]);
443     return score;
444 }
445
446 static av_always_inline int dnxhd_calc_ac_bits(DNXHDEncContext *ctx, DCTELEM *block, int last_index)
447 {
448     int last_non_zero = 0;
449     int bits = 0;
450     int i, j, level;
451     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
452         j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
453         level = block[j];
454         if (level) {
455             int run_level = i - last_non_zero - 1;
456             bits += ctx->vlc_bits[(level<<1)|!!run_level]+ctx->run_bits[run_level];
457             last_non_zero = i;
458         }
459     }
460     return bits;
461 }
462
463 static av_always_inline void dnxhd_get_blocks(DNXHDEncContext *ctx, int mb_x, int mb_y)
464 {
465     const int bs = ctx->block_width_l2;
466     const int bw = 1 << bs;
467     const uint8_t *ptr_y = ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y << 4) * ctx->m.linesize)   + (mb_x << bs+1);
468     const uint8_t *ptr_u = ctx->thread[0]->src[1] + ((mb_y << 4) * ctx->m.uvlinesize) + (mb_x << bs);
469     const uint8_t *ptr_v = ctx->thread[0]->src[2] + ((mb_y << 4) * ctx->m.uvlinesize) + (mb_x << bs);
470     DSPContext *dsp = &ctx->m.dsp;
471
472     dsp->get_pixels(ctx->blocks[0], ptr_y,      ctx->m.linesize);
473     dsp->get_pixels(ctx->blocks[1], ptr_y + bw, ctx->m.linesize);
474     dsp->get_pixels(ctx->blocks[2], ptr_u,      ctx->m.uvlinesize);
475     dsp->get_pixels(ctx->blocks[3], ptr_v,      ctx->m.uvlinesize);
476
477     if (mb_y+1 == ctx->m.mb_height && ctx->m.avctx->height == 1080) {
478         if (ctx->interlaced) {
479             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[4], ptr_y + ctx->dct_y_offset,      ctx->m.linesize);
480             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[5], ptr_y + ctx->dct_y_offset + bw, ctx->m.linesize);
481             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[6], ptr_u + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
482             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[7], ptr_v + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
483         } else {
484             dsp->clear_block(ctx->blocks[4]);
485             dsp->clear_block(ctx->blocks[5]);
486             dsp->clear_block(ctx->blocks[6]);
487             dsp->clear_block(ctx->blocks[7]);
488         }
489     } else {
490         dsp->get_pixels(ctx->blocks[4], ptr_y + ctx->dct_y_offset,      ctx->m.linesize);
491         dsp->get_pixels(ctx->blocks[5], ptr_y + ctx->dct_y_offset + bw, ctx->m.linesize);
492         dsp->get_pixels(ctx->blocks[6], ptr_u + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
493         dsp->get_pixels(ctx->blocks[7], ptr_v + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
494     }
495 }
496
497 static av_always_inline int dnxhd_switch_matrix(DNXHDEncContext *ctx, int i)
498 {
499     if (i&2) {
500         ctx->m.q_intra_matrix16 = ctx->qmatrix_c16;
501         ctx->m.q_intra_matrix   = ctx->qmatrix_c;
502         return 1 + (i&1);
503     } else {
504         ctx->m.q_intra_matrix16 = ctx->qmatrix_l16;
505         ctx->m.q_intra_matrix   = ctx->qmatrix_l;
506         return 0;
507     }
508 }
509
510 static int dnxhd_calc_bits_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
511 {
512     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
513     int mb_y = jobnr, mb_x;
514     int qscale = ctx->qscale;
515     LOCAL_ALIGNED_16(DCTELEM, block, [64]);
516     ctx = ctx->thread[threadnr];
517
518     ctx->m.last_dc[0] =
519     ctx->m.last_dc[1] =
520     ctx->m.last_dc[2] = 1 << (ctx->cid_table->bit_depth + 2);
521
522     for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
523         unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
524         int ssd     = 0;
525         int ac_bits = 0;
526         int dc_bits = 0;
527         int i;
528
529         dnxhd_get_blocks(ctx, mb_x, mb_y);
530
531         for (i = 0; i < 8; i++) {
532             DCTELEM *src_block = ctx->blocks[i];
533             int overflow, nbits, diff, last_index;
534             int n = dnxhd_switch_matrix(ctx, i);
535
536             memcpy(block, src_block, 64*sizeof(*block));
537             last_index = ctx->m.dct_quantize(&ctx->m, block, i, qscale, &overflow);
538             ac_bits += dnxhd_calc_ac_bits(ctx, block, last_index);
539
540             diff = block[0] - ctx->m.last_dc[n];
541             if (diff < 0) nbits = av_log2_16bit(-2*diff);
542             else          nbits = av_log2_16bit( 2*diff);
543
544             assert(nbits < ctx->cid_table->bit_depth + 4);
545             dc_bits += ctx->cid_table->dc_bits[nbits] + nbits;
546
547             ctx->m.last_dc[n] = block[0];
548
549             if (avctx->mb_decision == FF_MB_DECISION_RD || !RC_VARIANCE) {
550                 dnxhd_unquantize_c(ctx, block, i, qscale, last_index);
551                 ctx->m.dsp.idct(block);
552                 ssd += dnxhd_ssd_block(block, src_block);
553             }
554         }
555         ctx->mb_rc[qscale][mb].ssd = ssd;
556         ctx->mb_rc[qscale][mb].bits = ac_bits+dc_bits+12+8*ctx->vlc_bits[0];
557     }
558     return 0;
559 }
560
561 static int dnxhd_encode_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
562 {
563     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
564     int mb_y = jobnr, mb_x;
565     ctx = ctx->thread[threadnr];
566     init_put_bits(&ctx->m.pb, (uint8_t *)arg + 640 + ctx->slice_offs[jobnr], ctx->slice_size[jobnr]);
567
568     ctx->m.last_dc[0] =
569     ctx->m.last_dc[1] =
570     ctx->m.last_dc[2] = 1 << (ctx->cid_table->bit_depth + 2);
571     for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
572         unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
573         int qscale = ctx->mb_qscale[mb];
574         int i;
575
576         put_bits(&ctx->m.pb, 12, qscale<<1);
577
578         dnxhd_get_blocks(ctx, mb_x, mb_y);
579
580         for (i = 0; i < 8; i++) {
581             DCTELEM *block = ctx->blocks[i];
582             int last_index, overflow;
583             int n = dnxhd_switch_matrix(ctx, i);
584             last_index = ctx->m.dct_quantize(&ctx->m, block, i, qscale, &overflow);
585             //START_TIMER;
586             dnxhd_encode_block(ctx, block, last_index, n);
587             //STOP_TIMER("encode_block");
588         }
589     }
590     if (put_bits_count(&ctx->m.pb)&31)
591         put_bits(&ctx->m.pb, 32-(put_bits_count(&ctx->m.pb)&31), 0);
592     flush_put_bits(&ctx->m.pb);
593     return 0;
594 }
595
596 static void dnxhd_setup_threads_slices(DNXHDEncContext *ctx)
597 {
598     int mb_y, mb_x;
599     int offset = 0;
600     for (mb_y = 0; mb_y < ctx->m.mb_height; mb_y++) {
601         int thread_size;
602         ctx->slice_offs[mb_y] = offset;
603         ctx->slice_size[mb_y] = 0;
604         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
605             unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
606             ctx->slice_size[mb_y] += ctx->mb_bits[mb];
607         }
608         ctx->slice_size[mb_y] = (ctx->slice_size[mb_y]+31)&~31;
609         ctx->slice_size[mb_y] >>= 3;
610         thread_size = ctx->slice_size[mb_y];
611         offset += thread_size;
612     }
613 }
614
615 static int dnxhd_mb_var_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
616 {
617     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
618     int mb_y = jobnr, mb_x;
619     ctx = ctx->thread[threadnr];
620     if (ctx->cid_table->bit_depth == 8) {
621         uint8_t *pix = ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y<<4) * ctx->m.linesize);
622         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; ++mb_x, pix += 16) {
623             unsigned mb  = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
624             int sum = ctx->m.dsp.pix_sum(pix, ctx->m.linesize);
625             int varc = (ctx->m.dsp.pix_norm1(pix, ctx->m.linesize) - (((unsigned)(sum*sum))>>8)+128)>>8;
626             ctx->mb_cmp[mb].value = varc;
627             ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
628         }
629     } else { // 10-bit
630         int const linesize = ctx->m.linesize >> 1;
631         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; ++mb_x) {
632             uint16_t *pix = (uint16_t*)ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y << 4) * linesize) + (mb_x << 4);
633             unsigned mb  = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
634             int sum = 0;
635             int sqsum = 0;
636             int mean, sqmean;
637             // Macroblocks are 16x16 pixels, unlike DCT blocks which are 8x8.
638             for (int i = 0; i < 16; ++i) {
639                 for (int j = 0; j < 16; ++j) {
640                     // Turn 16-bit pixels into 10-bit ones.
641                     int const sample = (unsigned)pix[j] >> 6;
642                     sum += sample;
643                     sqsum += sample * sample;
644                     // 2^10 * 2^10 * 16 * 16 = 2^28, which is less than INT_MAX
645                 }
646                 pix += linesize;
647             }
648             mean = sum >> 8; // 16*16 == 2^8
649             sqmean = sqsum >> 8;
650             ctx->mb_cmp[mb].value = sqmean - mean * mean;
651             ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
652         }
653     }
654     return 0;
655 }
656
657 static int dnxhd_encode_rdo(AVCodecContext *avctx, DNXHDEncContext *ctx)
658 {
659     int lambda, up_step, down_step;
660     int last_lower = INT_MAX, last_higher = 0;
661     int x, y, q;
662
663     for (q = 1; q < avctx->qmax; q++) {
664         ctx->qscale = q;
665         avctx->execute2(avctx, dnxhd_calc_bits_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
666     }
667     up_step = down_step = 2<<LAMBDA_FRAC_BITS;
668     lambda = ctx->lambda;
669
670     for (;;) {
671         int bits = 0;
672         int end = 0;
673         if (lambda == last_higher) {
674             lambda++;
675             end = 1; // need to set final qscales/bits
676         }
677         for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
678             for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++) {
679                 unsigned min = UINT_MAX;
680                 int qscale = 1;
681                 int mb = y*ctx->m.mb_width+x;
682                 for (q = 1; q < avctx->qmax; q++) {
683                     unsigned score = ctx->mb_rc[q][mb].bits*lambda+(ctx->mb_rc[q][mb].ssd<<LAMBDA_FRAC_BITS);
684                     if (score < min) {
685                         min = score;
686                         qscale = q;
687                     }
688                 }
689                 bits += ctx->mb_rc[qscale][mb].bits;
690                 ctx->mb_qscale[mb] = qscale;
691                 ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[qscale][mb].bits;
692             }
693             bits = (bits+31)&~31; // padding
694             if (bits > ctx->frame_bits)
695                 break;
696         }
697         //av_dlog(ctx->m.avctx, "lambda %d, up %u, down %u, bits %d, frame %d\n",
698         //        lambda, last_higher, last_lower, bits, ctx->frame_bits);
699         if (end) {
700             if (bits > ctx->frame_bits)
701                 return -1;
702             break;
703         }
704         if (bits < ctx->frame_bits) {
705             last_lower = FFMIN(lambda, last_lower);
706             if (last_higher != 0)
707                 lambda = (lambda+last_higher)>>1;
708             else
709                 lambda -= down_step;
710             down_step *= 5; // XXX tune ?
711             up_step = 1<<LAMBDA_FRAC_BITS;
712             lambda = FFMAX(1, lambda);
713             if (lambda == last_lower)
714                 break;
715         } else {
716             last_higher = FFMAX(lambda, last_higher);
717             if (last_lower != INT_MAX)
718                 lambda = (lambda+last_lower)>>1;
719             else if ((int64_t)lambda + up_step > INT_MAX)
720                 return -1;
721             else
722                 lambda += up_step;
723             up_step = FFMIN((int64_t)up_step*5, INT_MAX);
724             down_step = 1<<LAMBDA_FRAC_BITS;
725         }
726     }
727     //av_dlog(ctx->m.avctx, "out lambda %d\n", lambda);
728     ctx->lambda = lambda;
729     return 0;
730 }
731
732 static int dnxhd_find_qscale(DNXHDEncContext *ctx)
733 {
734     int bits = 0;
735     int up_step = 1;
736     int down_step = 1;
737     int last_higher = 0;
738     int last_lower = INT_MAX;
739     int qscale;
740     int x, y;
741
742     qscale = ctx->qscale;
743     for (;;) {
744         bits = 0;
745         ctx->qscale = qscale;
746         // XXX avoid recalculating bits
747         ctx->m.avctx->execute2(ctx->m.avctx, dnxhd_calc_bits_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
748         for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
749             for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++)
750                 bits += ctx->mb_rc[qscale][y*ctx->m.mb_width+x].bits;
751             bits = (bits+31)&~31; // padding
752             if (bits > ctx->frame_bits)
753                 break;
754         }
755         //av_dlog(ctx->m.avctx, "%d, qscale %d, bits %d, frame %d, higher %d, lower %d\n",
756         //        ctx->m.avctx->frame_number, qscale, bits, ctx->frame_bits, last_higher, last_lower);
757         if (bits < ctx->frame_bits) {
758             if (qscale == 1)
759                 return 1;
760             if (last_higher == qscale - 1) {
761                 qscale = last_higher;
762                 break;
763             }
764             last_lower = FFMIN(qscale, last_lower);
765             if (last_higher != 0)
766                 qscale = (qscale+last_higher)>>1;
767             else
768                 qscale -= down_step++;
769             if (qscale < 1)
770                 qscale = 1;
771             up_step = 1;
772         } else {
773             if (last_lower == qscale + 1)
774                 break;
775             last_higher = FFMAX(qscale, last_higher);
776             if (last_lower != INT_MAX)
777                 qscale = (qscale+last_lower)>>1;
778             else
779                 qscale += up_step++;
780             down_step = 1;
781             if (qscale >= ctx->m.avctx->qmax)
782                 return -1;
783         }
784     }
785     //av_dlog(ctx->m.avctx, "out qscale %d\n", qscale);
786     ctx->qscale = qscale;
787     return 0;
788 }
789
790 #define BUCKET_BITS 8
791 #define RADIX_PASSES 4
792 #define NBUCKETS (1 << BUCKET_BITS)
793
794 static inline int get_bucket(int value, int shift)
795 {
796     value >>= shift;
797     value &= NBUCKETS - 1;
798     return NBUCKETS - 1 - value;
799 }
800
801 static void radix_count(const RCCMPEntry *data, int size, int buckets[RADIX_PASSES][NBUCKETS])
802 {
803     int i, j;
804     memset(buckets, 0, sizeof(buckets[0][0]) * RADIX_PASSES * NBUCKETS);
805     for (i = 0; i < size; i++) {
806         int v = data[i].value;
807         for (j = 0; j < RADIX_PASSES; j++) {
808             buckets[j][get_bucket(v, 0)]++;
809             v >>= BUCKET_BITS;
810         }
811         assert(!v);
812     }
813     for (j = 0; j < RADIX_PASSES; j++) {
814         int offset = size;
815         for (i = NBUCKETS - 1; i >= 0; i--)
816             buckets[j][i] = offset -= buckets[j][i];
817         assert(!buckets[j][0]);
818     }
819 }
820
821 static void radix_sort_pass(RCCMPEntry *dst, const RCCMPEntry *data, int size, int buckets[NBUCKETS], int pass)
822 {
823     int shift = pass * BUCKET_BITS;
824     int i;
825     for (i = 0; i < size; i++) {
826         int v = get_bucket(data[i].value, shift);
827         int pos = buckets[v]++;
828         dst[pos] = data[i];
829     }
830 }
831
832 static void radix_sort(RCCMPEntry *data, int size)
833 {
834     int buckets[RADIX_PASSES][NBUCKETS];
835     RCCMPEntry *tmp = av_malloc(sizeof(*tmp) * size);
836     radix_count(data, size, buckets);
837     radix_sort_pass(tmp, data, size, buckets[0], 0);
838     radix_sort_pass(data, tmp, size, buckets[1], 1);
839     if (buckets[2][NBUCKETS - 1] || buckets[3][NBUCKETS - 1]) {
840         radix_sort_pass(tmp, data, size, buckets[2], 2);
841         radix_sort_pass(data, tmp, size, buckets[3], 3);
842     }
843     av_free(tmp);
844 }
845
846 static int dnxhd_encode_fast(AVCodecContext *avctx, DNXHDEncContext *ctx)
847 {
848     int max_bits = 0;
849     int ret, x, y;
850     if ((ret = dnxhd_find_qscale(ctx)) < 0)
851         return -1;
852     for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
853         for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++) {
854             int mb = y*ctx->m.mb_width+x;
855             int delta_bits;
856             ctx->mb_qscale[mb] = ctx->qscale;
857             ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits;
858             max_bits += ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits;
859             if (!RC_VARIANCE) {
860                 delta_bits = ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits-ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
861                 ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
862                 ctx->mb_cmp[mb].value = delta_bits ?
863                     ((ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].ssd-ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].ssd)*100)/delta_bits
864                     : INT_MIN; //avoid increasing qscale
865             }
866         }
867         max_bits += 31; //worst padding
868     }
869     if (!ret) {
870         if (RC_VARIANCE)
871             avctx->execute2(avctx, dnxhd_mb_var_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
872         radix_sort(ctx->mb_cmp, ctx->m.mb_num);
873         for (x = 0; x < ctx->m.mb_num && max_bits > ctx->frame_bits; x++) {
874             int mb = ctx->mb_cmp[x].mb;
875             max_bits -= ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits - ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
876             ctx->mb_qscale[mb] = ctx->qscale+1;
877             ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
878         }
879     }
880     return 0;
881 }
882
883 static void dnxhd_load_picture(DNXHDEncContext *ctx, const AVFrame *frame)
884 {
885     int i;
886
887     for (i = 0; i < 3; i++) {
888         ctx->frame.data[i]     = frame->data[i];
889         ctx->frame.linesize[i] = frame->linesize[i];
890     }
891
892     for (i = 0; i < ctx->m.avctx->thread_count; i++) {
893         ctx->thread[i]->m.linesize    = ctx->frame.linesize[0]<<ctx->interlaced;
894         ctx->thread[i]->m.uvlinesize  = ctx->frame.linesize[1]<<ctx->interlaced;
895         ctx->thread[i]->dct_y_offset  = ctx->m.linesize  *8;
896         ctx->thread[i]->dct_uv_offset = ctx->m.uvlinesize*8;
897     }
898
899     ctx->frame.interlaced_frame = frame->interlaced_frame;
900     ctx->cur_field = frame->interlaced_frame && !frame->top_field_first;
901 }
902
903 static int dnxhd_encode_picture(AVCodecContext *avctx, unsigned char *buf, int buf_size, void *data)
904 {
905     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
906     int first_field = 1;
907     int offset, i, ret;
908
909     if (buf_size < ctx->cid_table->frame_size) {
910         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "output buffer is too small to compress picture\n");
911         return -1;
912     }
913
914     dnxhd_load_picture(ctx, data);
915
916  encode_coding_unit:
917     for (i = 0; i < 3; i++) {
918         ctx->src[i] = ctx->frame.data[i];
919         if (ctx->interlaced && ctx->cur_field)
920             ctx->src[i] += ctx->frame.linesize[i];
921     }
922
923     dnxhd_write_header(avctx, buf);
924
925     if (avctx->mb_decision == FF_MB_DECISION_RD)
926         ret = dnxhd_encode_rdo(avctx, ctx);
927     else
928         ret = dnxhd_encode_fast(avctx, ctx);
929     if (ret < 0) {
930         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR,
931                "picture could not fit ratecontrol constraints, increase qmax\n");
932         return -1;
933     }
934
935     dnxhd_setup_threads_slices(ctx);
936
937     offset = 0;
938     for (i = 0; i < ctx->m.mb_height; i++) {
939         AV_WB32(ctx->msip + i * 4, offset);
940         offset += ctx->slice_size[i];
941         assert(!(ctx->slice_size[i] & 3));
942     }
943
944     avctx->execute2(avctx, dnxhd_encode_thread, buf, NULL, ctx->m.mb_height);
945
946     assert(640 + offset + 4 <= ctx->cid_table->coding_unit_size);
947     memset(buf + 640 + offset, 0, ctx->cid_table->coding_unit_size - 4 - offset - 640);
948
949     AV_WB32(buf + ctx->cid_table->coding_unit_size - 4, 0x600DC0DE); // EOF
950
951     if (ctx->interlaced && first_field) {
952         first_field     = 0;
953         ctx->cur_field ^= 1;
954         buf      += ctx->cid_table->coding_unit_size;
955         buf_size -= ctx->cid_table->coding_unit_size;
956         goto encode_coding_unit;
957     }
958
959     ctx->frame.quality = ctx->qscale*FF_QP2LAMBDA;
960
961     return ctx->cid_table->frame_size;
962 }
963
964 static int dnxhd_encode_end(AVCodecContext *avctx)
965 {
966     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
967     int max_level = 1<<(ctx->cid_table->bit_depth+2);
968     int i;
969
970     av_free(ctx->vlc_codes-max_level*2);
971     av_free(ctx->vlc_bits -max_level*2);
972     av_freep(&ctx->run_codes);
973     av_freep(&ctx->run_bits);
974
975     av_freep(&ctx->mb_bits);
976     av_freep(&ctx->mb_qscale);
977     av_freep(&ctx->mb_rc);
978     av_freep(&ctx->mb_cmp);
979     av_freep(&ctx->slice_size);
980     av_freep(&ctx->slice_offs);
981
982     av_freep(&ctx->qmatrix_c);
983     av_freep(&ctx->qmatrix_l);
984     av_freep(&ctx->qmatrix_c16);
985     av_freep(&ctx->qmatrix_l16);
986
987     for (i = 1; i < avctx->thread_count; i++)
988         av_freep(&ctx->thread[i]);
989
990     return 0;
991 }
992
993 AVCodec ff_dnxhd_encoder = {
994     "dnxhd",
995     AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
996     CODEC_ID_DNXHD,
997     sizeof(DNXHDEncContext),
998     dnxhd_encode_init,
999     dnxhd_encode_picture,
1000     dnxhd_encode_end,
1001     .capabilities = CODEC_CAP_SLICE_THREADS,
1002     .pix_fmts = (const enum PixelFormat[]){PIX_FMT_YUV422P, PIX_FMT_YUV422P10, PIX_FMT_NONE},
1003     .long_name = NULL_IF_CONFIG_SMALL("VC3/DNxHD"),
1004     .priv_class = &class,
1005 };