7644a07f8f9e45893dfe802e9468e294e8fd03cd
[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 FFmpeg.
10  *
11  * FFmpeg 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  * FFmpeg 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 FFmpeg; 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 "internal.h"
33 #include "mpegvideo.h"
34 #include "dnxhdenc.h"
35 #include "internal.h"
36
37 #define VE AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM | AV_OPT_FLAG_ENCODING_PARAM
38 #define DNX10BIT_QMAT_SHIFT 18 // The largest value that will not lead to overflow for 10bit samples.
39
40 static const AVOption options[]={
41     {"nitris_compat", "encode with Avid Nitris compatibility", offsetof(DNXHDEncContext, nitris_compat), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = 0}, 0, 1, VE},
42 {NULL}
43 };
44
45 static const AVClass class = {
46     .class_name = "dnxhd",
47     .item_name  = av_default_item_name,
48     .option     = options,
49     .version    = LIBAVUTIL_VERSION_INT,
50 };
51
52 #define LAMBDA_FRAC_BITS 10
53
54 static void dnxhd_8bit_get_pixels_8x4_sym(DCTELEM *av_restrict block, const uint8_t *pixels, int line_size)
55 {
56     int i;
57     for (i = 0; i < 4; i++) {
58         block[0] = pixels[0]; block[1] = pixels[1];
59         block[2] = pixels[2]; block[3] = pixels[3];
60         block[4] = pixels[4]; block[5] = pixels[5];
61         block[6] = pixels[6]; block[7] = pixels[7];
62         pixels += line_size;
63         block += 8;
64     }
65     memcpy(block,      block -  8, sizeof(*block) * 8);
66     memcpy(block +  8, block - 16, sizeof(*block) * 8);
67     memcpy(block + 16, block - 24, sizeof(*block) * 8);
68     memcpy(block + 24, block - 32, sizeof(*block) * 8);
69 }
70
71 static av_always_inline void dnxhd_10bit_get_pixels_8x4_sym(DCTELEM *av_restrict block, const uint8_t *pixels, int line_size)
72 {
73     int i;
74     const uint16_t* pixels16 = (const uint16_t*)pixels;
75     line_size >>= 1;
76
77     for (i = 0; i < 4; i++) {
78         block[0] = pixels16[0]; block[1] = pixels16[1];
79         block[2] = pixels16[2]; block[3] = pixels16[3];
80         block[4] = pixels16[4]; block[5] = pixels16[5];
81         block[6] = pixels16[6]; block[7] = pixels16[7];
82         pixels16 += line_size;
83         block += 8;
84     }
85     memcpy(block,      block -  8, sizeof(*block) * 8);
86     memcpy(block +  8, block - 16, sizeof(*block) * 8);
87     memcpy(block + 16, block - 24, sizeof(*block) * 8);
88     memcpy(block + 24, block - 32, sizeof(*block) * 8);
89 }
90
91 static int dnxhd_10bit_dct_quantize(MpegEncContext *ctx, DCTELEM *block,
92                                     int n, int qscale, int *overflow)
93 {
94     const uint8_t *scantable= ctx->intra_scantable.scantable;
95     const int *qmat = n<4 ? ctx->q_intra_matrix[qscale] : ctx->q_chroma_intra_matrix[qscale];
96     int last_non_zero = 0;
97     int i;
98
99     ctx->dsp.fdct(block);
100
101     // Divide by 4 with rounding, to compensate scaling of DCT coefficients
102     block[0] = (block[0] + 2) >> 2;
103
104     for (i = 1; i < 64; ++i) {
105         int j = scantable[i];
106         int sign = block[j] >> 31;
107         int level = (block[j] ^ sign) - sign;
108         level = level * qmat[j] >> DNX10BIT_QMAT_SHIFT;
109         block[j] = (level ^ sign) - sign;
110         if (level)
111             last_non_zero = i;
112     }
113
114     return last_non_zero;
115 }
116
117 static int dnxhd_init_vlc(DNXHDEncContext *ctx)
118 {
119     int i, j, level, run;
120     int max_level = 1<<(ctx->cid_table->bit_depth+2);
121
122     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->vlc_codes, max_level*4*sizeof(*ctx->vlc_codes), fail);
123     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->vlc_bits,  max_level*4*sizeof(*ctx->vlc_bits) , fail);
124     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->run_codes, 63*2,                                fail);
125     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->run_bits,  63,                                  fail);
126
127     ctx->vlc_codes += max_level*2;
128     ctx->vlc_bits  += max_level*2;
129     for (level = -max_level; level < max_level; level++) {
130         for (run = 0; run < 2; run++) {
131             int index = (level<<1)|run;
132             int sign, offset = 0, alevel = level;
133
134             MASK_ABS(sign, alevel);
135             if (alevel > 64) {
136                 offset = (alevel-1)>>6;
137                 alevel -= offset<<6;
138             }
139             for (j = 0; j < 257; j++) {
140                 if (ctx->cid_table->ac_level[j] >> 1 == alevel &&
141                     (!offset || (ctx->cid_table->ac_flags[j] & 1) && offset) &&
142                     (!run    || (ctx->cid_table->ac_flags[j] & 2) && run)) {
143                     av_assert1(!ctx->vlc_codes[index]);
144                     if (alevel) {
145                         ctx->vlc_codes[index] = (ctx->cid_table->ac_codes[j]<<1)|(sign&1);
146                         ctx->vlc_bits [index] = ctx->cid_table->ac_bits[j]+1;
147                     } else {
148                         ctx->vlc_codes[index] = ctx->cid_table->ac_codes[j];
149                         ctx->vlc_bits [index] = ctx->cid_table->ac_bits [j];
150                     }
151                     break;
152                 }
153             }
154             av_assert0(!alevel || j < 257);
155             if (offset) {
156                 ctx->vlc_codes[index] = (ctx->vlc_codes[index]<<ctx->cid_table->index_bits)|offset;
157                 ctx->vlc_bits [index]+= ctx->cid_table->index_bits;
158             }
159         }
160     }
161     for (i = 0; i < 62; i++) {
162         int run = ctx->cid_table->run[i];
163         av_assert0(run < 63);
164         ctx->run_codes[run] = ctx->cid_table->run_codes[i];
165         ctx->run_bits [run] = ctx->cid_table->run_bits[i];
166     }
167     return 0;
168  fail:
169     return -1;
170 }
171
172 static int dnxhd_init_qmat(DNXHDEncContext *ctx, int lbias, int cbias)
173 {
174     // init first elem to 1 to avoid div by 0 in convert_matrix
175     uint16_t weight_matrix[64] = {1,}; // convert_matrix needs uint16_t*
176     int qscale, i;
177     const uint8_t *luma_weight_table   = ctx->cid_table->luma_weight;
178     const uint8_t *chroma_weight_table = ctx->cid_table->chroma_weight;
179
180     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_l,   (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 *     sizeof(int),      fail);
181     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_c,   (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 *     sizeof(int),      fail);
182     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_l16, (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 * 2 * sizeof(uint16_t), fail);
183     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_c16, (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 * 2 * sizeof(uint16_t), fail);
184
185     if (ctx->cid_table->bit_depth == 8) {
186         for (i = 1; i < 64; i++) {
187             int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
188             weight_matrix[j] = ctx->cid_table->luma_weight[i];
189         }
190         ff_convert_matrix(&ctx->m.dsp, ctx->qmatrix_l, ctx->qmatrix_l16, weight_matrix,
191                           ctx->m.intra_quant_bias, 1, ctx->m.avctx->qmax, 1);
192         for (i = 1; i < 64; i++) {
193             int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
194             weight_matrix[j] = ctx->cid_table->chroma_weight[i];
195         }
196         ff_convert_matrix(&ctx->m.dsp, ctx->qmatrix_c, ctx->qmatrix_c16, weight_matrix,
197                           ctx->m.intra_quant_bias, 1, ctx->m.avctx->qmax, 1);
198
199         for (qscale = 1; qscale <= ctx->m.avctx->qmax; qscale++) {
200             for (i = 0; i < 64; i++) {
201                 ctx->qmatrix_l  [qscale]   [i] <<= 2; ctx->qmatrix_c  [qscale]   [i] <<= 2;
202                 ctx->qmatrix_l16[qscale][0][i] <<= 2; ctx->qmatrix_l16[qscale][1][i] <<= 2;
203                 ctx->qmatrix_c16[qscale][0][i] <<= 2; ctx->qmatrix_c16[qscale][1][i] <<= 2;
204             }
205         }
206     } else {
207         // 10-bit
208         for (qscale = 1; qscale <= ctx->m.avctx->qmax; qscale++) {
209             for (i = 1; i < 64; i++) {
210                 int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
211
212                 // The quantization formula from the VC-3 standard is:
213                 // quantized = sign(block[i]) * floor(abs(block[i]/s) * p / (qscale * weight_table[i]))
214                 // Where p is 32 for 8-bit samples and 8 for 10-bit ones.
215                 // The s factor compensates scaling of DCT coefficients done by the DCT routines,
216                 // and therefore is not present in standard.  It's 8 for 8-bit samples and 4 for 10-bit ones.
217                 // We want values of ctx->qtmatrix_l and ctx->qtmatrix_r to be:
218                 // ((1 << DNX10BIT_QMAT_SHIFT) * (p / s)) / (qscale * weight_table[i])
219                 // For 10-bit samples, p / s == 2
220                 ctx->qmatrix_l[qscale][j] = (1 << (DNX10BIT_QMAT_SHIFT + 1)) / (qscale * luma_weight_table[i]);
221                 ctx->qmatrix_c[qscale][j] = (1 << (DNX10BIT_QMAT_SHIFT + 1)) / (qscale * chroma_weight_table[i]);
222             }
223         }
224     }
225
226     ctx->m.q_chroma_intra_matrix16 = ctx->qmatrix_c16;
227     ctx->m.q_chroma_intra_matrix   = ctx->qmatrix_c;
228     ctx->m.q_intra_matrix16        = ctx->qmatrix_l16;
229     ctx->m.q_intra_matrix          = ctx->qmatrix_l;
230
231     return 0;
232  fail:
233     return -1;
234 }
235
236 static int dnxhd_init_rc(DNXHDEncContext *ctx)
237 {
238     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_rc, 8160*ctx->m.avctx->qmax*sizeof(RCEntry), fail);
239     if (ctx->m.avctx->mb_decision != FF_MB_DECISION_RD)
240         FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_cmp, ctx->m.mb_num*sizeof(RCCMPEntry), fail);
241
242     ctx->frame_bits = (ctx->cid_table->coding_unit_size - 640 - 4 - ctx->min_padding) * 8;
243     ctx->qscale = 1;
244     ctx->lambda = 2<<LAMBDA_FRAC_BITS; // qscale 2
245     return 0;
246  fail:
247     return -1;
248 }
249
250 static int dnxhd_encode_init(AVCodecContext *avctx)
251 {
252     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
253     int i, index, bit_depth;
254
255     switch (avctx->pix_fmt) {
256     case PIX_FMT_YUV422P:
257         bit_depth = 8;
258         break;
259     case PIX_FMT_YUV422P10:
260         bit_depth = 10;
261         break;
262     default:
263         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "pixel format is incompatible with DNxHD\n");
264         return -1;
265     }
266
267     ctx->cid = ff_dnxhd_find_cid(avctx, bit_depth);
268     if (!ctx->cid) {
269         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "video parameters incompatible with DNxHD\n");
270         return -1;
271     }
272     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "cid %d\n", ctx->cid);
273
274     index = ff_dnxhd_get_cid_table(ctx->cid);
275     ctx->cid_table = &ff_dnxhd_cid_table[index];
276
277     ctx->m.avctx = avctx;
278     ctx->m.mb_intra = 1;
279     ctx->m.h263_aic = 1;
280
281     avctx->bits_per_raw_sample = ctx->cid_table->bit_depth;
282
283     ff_dct_common_init(&ctx->m);
284     if (!ctx->m.dct_quantize)
285         ctx->m.dct_quantize = ff_dct_quantize_c;
286
287     if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
288        ctx->m.dct_quantize = dnxhd_10bit_dct_quantize;
289        ctx->get_pixels_8x4_sym = dnxhd_10bit_get_pixels_8x4_sym;
290        ctx->block_width_l2 = 4;
291     } else {
292        ctx->get_pixels_8x4_sym = dnxhd_8bit_get_pixels_8x4_sym;
293        ctx->block_width_l2 = 3;
294     }
295
296     if (ARCH_X86)
297         ff_dnxhdenc_init_x86(ctx);
298
299     ctx->m.mb_height = (avctx->height + 15) / 16;
300     ctx->m.mb_width  = (avctx->width  + 15) / 16;
301
302     if (avctx->flags & CODEC_FLAG_INTERLACED_DCT) {
303         ctx->interlaced = 1;
304         ctx->m.mb_height /= 2;
305     }
306
307     ctx->m.mb_num = ctx->m.mb_height * ctx->m.mb_width;
308
309     if (avctx->intra_quant_bias != FF_DEFAULT_QUANT_BIAS)
310         ctx->m.intra_quant_bias = avctx->intra_quant_bias;
311     if (dnxhd_init_qmat(ctx, ctx->m.intra_quant_bias, 0) < 0) // XXX tune lbias/cbias
312         return -1;
313
314     // Avid Nitris hardware decoder requires a minimum amount of padding in the coding unit payload
315     if (ctx->nitris_compat)
316         ctx->min_padding = 1600;
317
318     if (dnxhd_init_vlc(ctx) < 0)
319         return -1;
320     if (dnxhd_init_rc(ctx) < 0)
321         return -1;
322
323     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->slice_size, ctx->m.mb_height*sizeof(uint32_t), fail);
324     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->slice_offs, ctx->m.mb_height*sizeof(uint32_t), fail);
325     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_bits,    ctx->m.mb_num   *sizeof(uint16_t), fail);
326     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_qscale,  ctx->m.mb_num   *sizeof(uint8_t),  fail);
327
328     ctx->frame.key_frame = 1;
329     ctx->frame.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_I;
330     ctx->m.avctx->coded_frame = &ctx->frame;
331
332     if (avctx->thread_count > MAX_THREADS) {
333         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "too many threads\n");
334         return -1;
335     }
336
337     ctx->thread[0] = ctx;
338     for (i = 1; i < avctx->thread_count; i++) {
339         ctx->thread[i] =  av_malloc(sizeof(DNXHDEncContext));
340         memcpy(ctx->thread[i], ctx, sizeof(DNXHDEncContext));
341     }
342
343     return 0;
344  fail: //for FF_ALLOCZ_OR_GOTO
345     return -1;
346 }
347
348 static int dnxhd_write_header(AVCodecContext *avctx, uint8_t *buf)
349 {
350     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
351     const uint8_t header_prefix[5] = { 0x00,0x00,0x02,0x80,0x01 };
352
353     memset(buf, 0, 640);
354
355     memcpy(buf, header_prefix, 5);
356     buf[5] = ctx->interlaced ? ctx->cur_field+2 : 0x01;
357     buf[6] = 0x80; // crc flag off
358     buf[7] = 0xa0; // reserved
359     AV_WB16(buf + 0x18, avctx->height>>ctx->interlaced); // ALPF
360     AV_WB16(buf + 0x1a, avctx->width);  // SPL
361     AV_WB16(buf + 0x1d, avctx->height>>ctx->interlaced); // NAL
362
363     buf[0x21] = ctx->cid_table->bit_depth == 10 ? 0x58 : 0x38;
364     buf[0x22] = 0x88 + (ctx->interlaced<<2);
365     AV_WB32(buf + 0x28, ctx->cid); // CID
366     buf[0x2c] = ctx->interlaced ? 0 : 0x80;
367
368     buf[0x5f] = 0x01; // UDL
369
370     buf[0x167] = 0x02; // reserved
371     AV_WB16(buf + 0x16a, ctx->m.mb_height * 4 + 4); // MSIPS
372     buf[0x16d] = ctx->m.mb_height; // Ns
373     buf[0x16f] = 0x10; // reserved
374
375     ctx->msip = buf + 0x170;
376     return 0;
377 }
378
379 static av_always_inline void dnxhd_encode_dc(DNXHDEncContext *ctx, int diff)
380 {
381     int nbits;
382     if (diff < 0) {
383         nbits = av_log2_16bit(-2*diff);
384         diff--;
385     } else {
386         nbits = av_log2_16bit(2*diff);
387     }
388     put_bits(&ctx->m.pb, ctx->cid_table->dc_bits[nbits] + nbits,
389              (ctx->cid_table->dc_codes[nbits]<<nbits) + (diff & ((1 << nbits) - 1)));
390 }
391
392 static av_always_inline void dnxhd_encode_block(DNXHDEncContext *ctx, DCTELEM *block, int last_index, int n)
393 {
394     int last_non_zero = 0;
395     int slevel, i, j;
396
397     dnxhd_encode_dc(ctx, block[0] - ctx->m.last_dc[n]);
398     ctx->m.last_dc[n] = block[0];
399
400     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
401         j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
402         slevel = block[j];
403         if (slevel) {
404             int run_level = i - last_non_zero - 1;
405             int rlevel = (slevel<<1)|!!run_level;
406             put_bits(&ctx->m.pb, ctx->vlc_bits[rlevel], ctx->vlc_codes[rlevel]);
407             if (run_level)
408                 put_bits(&ctx->m.pb, ctx->run_bits[run_level], ctx->run_codes[run_level]);
409             last_non_zero = i;
410         }
411     }
412     put_bits(&ctx->m.pb, ctx->vlc_bits[0], ctx->vlc_codes[0]); // EOB
413 }
414
415 static av_always_inline void dnxhd_unquantize_c(DNXHDEncContext *ctx, DCTELEM *block, int n, int qscale, int last_index)
416 {
417     const uint8_t *weight_matrix;
418     int level;
419     int i;
420
421     weight_matrix = (n&2) ? ctx->cid_table->chroma_weight : ctx->cid_table->luma_weight;
422
423     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
424         int j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
425         level = block[j];
426         if (level) {
427             if (level < 0) {
428                 level = (1-2*level) * qscale * weight_matrix[i];
429                 if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
430                     if (weight_matrix[i] != 8)
431                         level += 8;
432                     level >>= 4;
433                 } else {
434                     if (weight_matrix[i] != 32)
435                         level += 32;
436                     level >>= 6;
437                 }
438                 level = -level;
439             } else {
440                 level = (2*level+1) * qscale * weight_matrix[i];
441                 if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
442                     if (weight_matrix[i] != 8)
443                         level += 8;
444                     level >>= 4;
445                 } else {
446                     if (weight_matrix[i] != 32)
447                         level += 32;
448                     level >>= 6;
449                 }
450             }
451             block[j] = level;
452         }
453     }
454 }
455
456 static av_always_inline int dnxhd_ssd_block(DCTELEM *qblock, DCTELEM *block)
457 {
458     int score = 0;
459     int i;
460     for (i = 0; i < 64; i++)
461         score += (block[i] - qblock[i]) * (block[i] - qblock[i]);
462     return score;
463 }
464
465 static av_always_inline int dnxhd_calc_ac_bits(DNXHDEncContext *ctx, DCTELEM *block, int last_index)
466 {
467     int last_non_zero = 0;
468     int bits = 0;
469     int i, j, level;
470     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
471         j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
472         level = block[j];
473         if (level) {
474             int run_level = i - last_non_zero - 1;
475             bits += ctx->vlc_bits[(level<<1)|!!run_level]+ctx->run_bits[run_level];
476             last_non_zero = i;
477         }
478     }
479     return bits;
480 }
481
482 static av_always_inline void dnxhd_get_blocks(DNXHDEncContext *ctx, int mb_x, int mb_y)
483 {
484     const int bs = ctx->block_width_l2;
485     const int bw = 1 << bs;
486     const uint8_t *ptr_y = ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y << 4) * ctx->m.linesize)   + (mb_x << bs+1);
487     const uint8_t *ptr_u = ctx->thread[0]->src[1] + ((mb_y << 4) * ctx->m.uvlinesize) + (mb_x << bs);
488     const uint8_t *ptr_v = ctx->thread[0]->src[2] + ((mb_y << 4) * ctx->m.uvlinesize) + (mb_x << bs);
489     DSPContext *dsp = &ctx->m.dsp;
490
491     dsp->get_pixels(ctx->blocks[0], ptr_y,      ctx->m.linesize);
492     dsp->get_pixels(ctx->blocks[1], ptr_y + bw, ctx->m.linesize);
493     dsp->get_pixels(ctx->blocks[2], ptr_u,      ctx->m.uvlinesize);
494     dsp->get_pixels(ctx->blocks[3], ptr_v,      ctx->m.uvlinesize);
495
496     if (mb_y+1 == ctx->m.mb_height && ctx->m.avctx->height == 1080) {
497         if (ctx->interlaced) {
498             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[4], ptr_y + ctx->dct_y_offset,      ctx->m.linesize);
499             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[5], ptr_y + ctx->dct_y_offset + bw, ctx->m.linesize);
500             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[6], ptr_u + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
501             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[7], ptr_v + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
502         } else {
503             dsp->clear_block(ctx->blocks[4]);
504             dsp->clear_block(ctx->blocks[5]);
505             dsp->clear_block(ctx->blocks[6]);
506             dsp->clear_block(ctx->blocks[7]);
507         }
508     } else {
509         dsp->get_pixels(ctx->blocks[4], ptr_y + ctx->dct_y_offset,      ctx->m.linesize);
510         dsp->get_pixels(ctx->blocks[5], ptr_y + ctx->dct_y_offset + bw, ctx->m.linesize);
511         dsp->get_pixels(ctx->blocks[6], ptr_u + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
512         dsp->get_pixels(ctx->blocks[7], ptr_v + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
513     }
514 }
515
516 static av_always_inline int dnxhd_switch_matrix(DNXHDEncContext *ctx, int i)
517 {
518     const static uint8_t component[8]={0,0,1,2,0,0,1,2};
519     return component[i];
520 }
521
522 static int dnxhd_calc_bits_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
523 {
524     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
525     int mb_y = jobnr, mb_x;
526     int qscale = ctx->qscale;
527     LOCAL_ALIGNED_16(DCTELEM, block, [64]);
528     ctx = ctx->thread[threadnr];
529
530     ctx->m.last_dc[0] =
531     ctx->m.last_dc[1] =
532     ctx->m.last_dc[2] = 1 << (ctx->cid_table->bit_depth + 2);
533
534     for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
535         unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
536         int ssd     = 0;
537         int ac_bits = 0;
538         int dc_bits = 0;
539         int i;
540
541         dnxhd_get_blocks(ctx, mb_x, mb_y);
542
543         for (i = 0; i < 8; i++) {
544             DCTELEM *src_block = ctx->blocks[i];
545             int overflow, nbits, diff, last_index;
546             int n = dnxhd_switch_matrix(ctx, i);
547
548             memcpy(block, src_block, 64*sizeof(*block));
549             last_index = ctx->m.dct_quantize(&ctx->m, block, 4&(2*i), qscale, &overflow);
550             ac_bits += dnxhd_calc_ac_bits(ctx, block, last_index);
551
552             diff = block[0] - ctx->m.last_dc[n];
553             if (diff < 0) nbits = av_log2_16bit(-2*diff);
554             else          nbits = av_log2_16bit( 2*diff);
555
556             av_assert1(nbits < ctx->cid_table->bit_depth + 4);
557             dc_bits += ctx->cid_table->dc_bits[nbits] + nbits;
558
559             ctx->m.last_dc[n] = block[0];
560
561             if (avctx->mb_decision == FF_MB_DECISION_RD || !RC_VARIANCE) {
562                 dnxhd_unquantize_c(ctx, block, i, qscale, last_index);
563                 ctx->m.dsp.idct(block);
564                 ssd += dnxhd_ssd_block(block, src_block);
565             }
566         }
567         ctx->mb_rc[qscale][mb].ssd = ssd;
568         ctx->mb_rc[qscale][mb].bits = ac_bits+dc_bits+12+8*ctx->vlc_bits[0];
569     }
570     return 0;
571 }
572
573 static int dnxhd_encode_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
574 {
575     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
576     int mb_y = jobnr, mb_x;
577     ctx = ctx->thread[threadnr];
578     init_put_bits(&ctx->m.pb, (uint8_t *)arg + 640 + ctx->slice_offs[jobnr], ctx->slice_size[jobnr]);
579
580     ctx->m.last_dc[0] =
581     ctx->m.last_dc[1] =
582     ctx->m.last_dc[2] = 1 << (ctx->cid_table->bit_depth + 2);
583     for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
584         unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
585         int qscale = ctx->mb_qscale[mb];
586         int i;
587
588         put_bits(&ctx->m.pb, 12, qscale<<1);
589
590         dnxhd_get_blocks(ctx, mb_x, mb_y);
591
592         for (i = 0; i < 8; i++) {
593             DCTELEM *block = ctx->blocks[i];
594             int overflow, n = dnxhd_switch_matrix(ctx, i);
595             int last_index = ctx->m.dct_quantize(&ctx->m, block, 4&(2*i), qscale, &overflow);
596             //START_TIMER;
597             dnxhd_encode_block(ctx, block, last_index, n);
598             //STOP_TIMER("encode_block");
599         }
600     }
601     if (put_bits_count(&ctx->m.pb)&31)
602         put_bits(&ctx->m.pb, 32-(put_bits_count(&ctx->m.pb)&31), 0);
603     flush_put_bits(&ctx->m.pb);
604     return 0;
605 }
606
607 static void dnxhd_setup_threads_slices(DNXHDEncContext *ctx)
608 {
609     int mb_y, mb_x;
610     int offset = 0;
611     for (mb_y = 0; mb_y < ctx->m.mb_height; mb_y++) {
612         int thread_size;
613         ctx->slice_offs[mb_y] = offset;
614         ctx->slice_size[mb_y] = 0;
615         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
616             unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
617             ctx->slice_size[mb_y] += ctx->mb_bits[mb];
618         }
619         ctx->slice_size[mb_y] = (ctx->slice_size[mb_y]+31)&~31;
620         ctx->slice_size[mb_y] >>= 3;
621         thread_size = ctx->slice_size[mb_y];
622         offset += thread_size;
623     }
624 }
625
626 static int dnxhd_mb_var_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
627 {
628     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
629     int mb_y = jobnr, mb_x;
630     ctx = ctx->thread[threadnr];
631     if (ctx->cid_table->bit_depth == 8) {
632         uint8_t *pix = ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y<<4) * ctx->m.linesize);
633         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; ++mb_x, pix += 16) {
634             unsigned mb  = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
635             int sum = ctx->m.dsp.pix_sum(pix, ctx->m.linesize);
636             int varc = (ctx->m.dsp.pix_norm1(pix, ctx->m.linesize) - (((unsigned)sum*sum)>>8)+128)>>8;
637             ctx->mb_cmp[mb].value = varc;
638             ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
639         }
640     } else { // 10-bit
641         int const linesize = ctx->m.linesize >> 1;
642         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; ++mb_x) {
643             uint16_t *pix = (uint16_t*)ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y << 4) * linesize) + (mb_x << 4);
644             unsigned mb  = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
645             int sum = 0;
646             int sqsum = 0;
647             int mean, sqmean;
648             int i, j;
649             // Macroblocks are 16x16 pixels, unlike DCT blocks which are 8x8.
650             for (i = 0; i < 16; ++i) {
651                 for (j = 0; j < 16; ++j) {
652                     // Turn 16-bit pixels into 10-bit ones.
653                     int const sample = (unsigned)pix[j] >> 6;
654                     sum += sample;
655                     sqsum += sample * sample;
656                     // 2^10 * 2^10 * 16 * 16 = 2^28, which is less than INT_MAX
657                 }
658                 pix += linesize;
659             }
660             mean = sum >> 8; // 16*16 == 2^8
661             sqmean = sqsum >> 8;
662             ctx->mb_cmp[mb].value = sqmean - mean * mean;
663             ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
664         }
665     }
666     return 0;
667 }
668
669 static int dnxhd_encode_rdo(AVCodecContext *avctx, DNXHDEncContext *ctx)
670 {
671     int lambda, up_step, down_step;
672     int last_lower = INT_MAX, last_higher = 0;
673     int x, y, q;
674
675     for (q = 1; q < avctx->qmax; q++) {
676         ctx->qscale = q;
677         avctx->execute2(avctx, dnxhd_calc_bits_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
678     }
679     up_step = down_step = 2<<LAMBDA_FRAC_BITS;
680     lambda = ctx->lambda;
681
682     for (;;) {
683         int bits = 0;
684         int end = 0;
685         if (lambda == last_higher) {
686             lambda++;
687             end = 1; // need to set final qscales/bits
688         }
689         for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
690             for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++) {
691                 unsigned min = UINT_MAX;
692                 int qscale = 1;
693                 int mb = y*ctx->m.mb_width+x;
694                 for (q = 1; q < avctx->qmax; q++) {
695                     unsigned score = ctx->mb_rc[q][mb].bits*lambda+
696                         ((unsigned)ctx->mb_rc[q][mb].ssd<<LAMBDA_FRAC_BITS);
697                     if (score < min) {
698                         min = score;
699                         qscale = q;
700                     }
701                 }
702                 bits += ctx->mb_rc[qscale][mb].bits;
703                 ctx->mb_qscale[mb] = qscale;
704                 ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[qscale][mb].bits;
705             }
706             bits = (bits+31)&~31; // padding
707             if (bits > ctx->frame_bits)
708                 break;
709         }
710         //av_dlog(ctx->m.avctx, "lambda %d, up %u, down %u, bits %d, frame %d\n",
711         //        lambda, last_higher, last_lower, bits, ctx->frame_bits);
712         if (end) {
713             if (bits > ctx->frame_bits)
714                 return -1;
715             break;
716         }
717         if (bits < ctx->frame_bits) {
718             last_lower = FFMIN(lambda, last_lower);
719             if (last_higher != 0)
720                 lambda = (lambda+last_higher)>>1;
721             else
722                 lambda -= down_step;
723             down_step = FFMIN((int64_t)down_step*5, INT_MAX);
724             up_step = 1<<LAMBDA_FRAC_BITS;
725             lambda = FFMAX(1, lambda);
726             if (lambda == last_lower)
727                 break;
728         } else {
729             last_higher = FFMAX(lambda, last_higher);
730             if (last_lower != INT_MAX)
731                 lambda = (lambda+last_lower)>>1;
732             else if ((int64_t)lambda + up_step > INT_MAX)
733                 return -1;
734             else
735                 lambda += up_step;
736             up_step = FFMIN((int64_t)up_step*5, INT_MAX);
737             down_step = 1<<LAMBDA_FRAC_BITS;
738         }
739     }
740     //av_dlog(ctx->m.avctx, "out lambda %d\n", lambda);
741     ctx->lambda = lambda;
742     return 0;
743 }
744
745 static int dnxhd_find_qscale(DNXHDEncContext *ctx)
746 {
747     int bits = 0;
748     int up_step = 1;
749     int down_step = 1;
750     int last_higher = 0;
751     int last_lower = INT_MAX;
752     int qscale;
753     int x, y;
754
755     qscale = ctx->qscale;
756     for (;;) {
757         bits = 0;
758         ctx->qscale = qscale;
759         // XXX avoid recalculating bits
760         ctx->m.avctx->execute2(ctx->m.avctx, dnxhd_calc_bits_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
761         for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
762             for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++)
763                 bits += ctx->mb_rc[qscale][y*ctx->m.mb_width+x].bits;
764             bits = (bits+31)&~31; // padding
765             if (bits > ctx->frame_bits)
766                 break;
767         }
768         //av_dlog(ctx->m.avctx, "%d, qscale %d, bits %d, frame %d, higher %d, lower %d\n",
769         //        ctx->m.avctx->frame_number, qscale, bits, ctx->frame_bits, last_higher, last_lower);
770         if (bits < ctx->frame_bits) {
771             if (qscale == 1)
772                 return 1;
773             if (last_higher == qscale - 1) {
774                 qscale = last_higher;
775                 break;
776             }
777             last_lower = FFMIN(qscale, last_lower);
778             if (last_higher != 0)
779                 qscale = (qscale+last_higher)>>1;
780             else
781                 qscale -= down_step++;
782             if (qscale < 1)
783                 qscale = 1;
784             up_step = 1;
785         } else {
786             if (last_lower == qscale + 1)
787                 break;
788             last_higher = FFMAX(qscale, last_higher);
789             if (last_lower != INT_MAX)
790                 qscale = (qscale+last_lower)>>1;
791             else
792                 qscale += up_step++;
793             down_step = 1;
794             if (qscale >= ctx->m.avctx->qmax)
795                 return -1;
796         }
797     }
798     //av_dlog(ctx->m.avctx, "out qscale %d\n", qscale);
799     ctx->qscale = qscale;
800     return 0;
801 }
802
803 #define BUCKET_BITS 8
804 #define RADIX_PASSES 4
805 #define NBUCKETS (1 << BUCKET_BITS)
806
807 static inline int get_bucket(int value, int shift)
808 {
809     value >>= shift;
810     value &= NBUCKETS - 1;
811     return NBUCKETS - 1 - value;
812 }
813
814 static void radix_count(const RCCMPEntry *data, int size, int buckets[RADIX_PASSES][NBUCKETS])
815 {
816     int i, j;
817     memset(buckets, 0, sizeof(buckets[0][0]) * RADIX_PASSES * NBUCKETS);
818     for (i = 0; i < size; i++) {
819         int v = data[i].value;
820         for (j = 0; j < RADIX_PASSES; j++) {
821             buckets[j][get_bucket(v, 0)]++;
822             v >>= BUCKET_BITS;
823         }
824         av_assert1(!v);
825     }
826     for (j = 0; j < RADIX_PASSES; j++) {
827         int offset = size;
828         for (i = NBUCKETS - 1; i >= 0; i--)
829             buckets[j][i] = offset -= buckets[j][i];
830         av_assert1(!buckets[j][0]);
831     }
832 }
833
834 static void radix_sort_pass(RCCMPEntry *dst, const RCCMPEntry *data, int size, int buckets[NBUCKETS], int pass)
835 {
836     int shift = pass * BUCKET_BITS;
837     int i;
838     for (i = 0; i < size; i++) {
839         int v = get_bucket(data[i].value, shift);
840         int pos = buckets[v]++;
841         dst[pos] = data[i];
842     }
843 }
844
845 static void radix_sort(RCCMPEntry *data, int size)
846 {
847     int buckets[RADIX_PASSES][NBUCKETS];
848     RCCMPEntry *tmp = av_malloc(sizeof(*tmp) * size);
849     radix_count(data, size, buckets);
850     radix_sort_pass(tmp, data, size, buckets[0], 0);
851     radix_sort_pass(data, tmp, size, buckets[1], 1);
852     if (buckets[2][NBUCKETS - 1] || buckets[3][NBUCKETS - 1]) {
853         radix_sort_pass(tmp, data, size, buckets[2], 2);
854         radix_sort_pass(data, tmp, size, buckets[3], 3);
855     }
856     av_free(tmp);
857 }
858
859 static int dnxhd_encode_fast(AVCodecContext *avctx, DNXHDEncContext *ctx)
860 {
861     int max_bits = 0;
862     int ret, x, y;
863     if ((ret = dnxhd_find_qscale(ctx)) < 0)
864         return -1;
865     for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
866         for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++) {
867             int mb = y*ctx->m.mb_width+x;
868             int delta_bits;
869             ctx->mb_qscale[mb] = ctx->qscale;
870             ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits;
871             max_bits += ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits;
872             if (!RC_VARIANCE) {
873                 delta_bits = ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits-ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
874                 ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
875                 ctx->mb_cmp[mb].value = delta_bits ?
876                     ((ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].ssd-ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].ssd)*100)/delta_bits
877                     : INT_MIN; //avoid increasing qscale
878             }
879         }
880         max_bits += 31; //worst padding
881     }
882     if (!ret) {
883         if (RC_VARIANCE)
884             avctx->execute2(avctx, dnxhd_mb_var_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
885         radix_sort(ctx->mb_cmp, ctx->m.mb_num);
886         for (x = 0; x < ctx->m.mb_num && max_bits > ctx->frame_bits; x++) {
887             int mb = ctx->mb_cmp[x].mb;
888             max_bits -= ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits - ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
889             ctx->mb_qscale[mb] = ctx->qscale+1;
890             ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
891         }
892     }
893     return 0;
894 }
895
896 static void dnxhd_load_picture(DNXHDEncContext *ctx, const AVFrame *frame)
897 {
898     int i;
899
900     for (i = 0; i < 3; i++) {
901         ctx->frame.data[i]     = frame->data[i];
902         ctx->frame.linesize[i] = frame->linesize[i];
903     }
904
905     for (i = 0; i < ctx->m.avctx->thread_count; i++) {
906         ctx->thread[i]->m.linesize    = ctx->frame.linesize[0]<<ctx->interlaced;
907         ctx->thread[i]->m.uvlinesize  = ctx->frame.linesize[1]<<ctx->interlaced;
908         ctx->thread[i]->dct_y_offset  = ctx->m.linesize  *8;
909         ctx->thread[i]->dct_uv_offset = ctx->m.uvlinesize*8;
910     }
911
912     ctx->frame.interlaced_frame = frame->interlaced_frame;
913     ctx->cur_field = frame->interlaced_frame && !frame->top_field_first;
914 }
915
916 static int dnxhd_encode_picture(AVCodecContext *avctx, AVPacket *pkt,
917                                 const AVFrame *frame, int *got_packet)
918 {
919     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
920     int first_field = 1;
921     int offset, i, ret;
922     uint8_t *buf;
923
924     if ((ret = ff_alloc_packet2(avctx, pkt, ctx->cid_table->frame_size)) < 0)
925         return ret;
926     buf = pkt->data;
927
928     dnxhd_load_picture(ctx, frame);
929
930  encode_coding_unit:
931     for (i = 0; i < 3; i++) {
932         ctx->src[i] = ctx->frame.data[i];
933         if (ctx->interlaced && ctx->cur_field)
934             ctx->src[i] += ctx->frame.linesize[i];
935     }
936
937     dnxhd_write_header(avctx, buf);
938
939     if (avctx->mb_decision == FF_MB_DECISION_RD)
940         ret = dnxhd_encode_rdo(avctx, ctx);
941     else
942         ret = dnxhd_encode_fast(avctx, ctx);
943     if (ret < 0) {
944         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR,
945                "picture could not fit ratecontrol constraints, increase qmax\n");
946         return -1;
947     }
948
949     dnxhd_setup_threads_slices(ctx);
950
951     offset = 0;
952     for (i = 0; i < ctx->m.mb_height; i++) {
953         AV_WB32(ctx->msip + i * 4, offset);
954         offset += ctx->slice_size[i];
955         av_assert1(!(ctx->slice_size[i] & 3));
956     }
957
958     avctx->execute2(avctx, dnxhd_encode_thread, buf, NULL, ctx->m.mb_height);
959
960     av_assert1(640 + offset + 4 <= ctx->cid_table->coding_unit_size);
961     memset(buf + 640 + offset, 0, ctx->cid_table->coding_unit_size - 4 - offset - 640);
962
963     AV_WB32(buf + ctx->cid_table->coding_unit_size - 4, 0x600DC0DE); // EOF
964
965     if (ctx->interlaced && first_field) {
966         first_field     = 0;
967         ctx->cur_field ^= 1;
968         buf      += ctx->cid_table->coding_unit_size;
969         goto encode_coding_unit;
970     }
971
972     ctx->frame.quality = ctx->qscale*FF_QP2LAMBDA;
973
974     pkt->flags |= AV_PKT_FLAG_KEY;
975     *got_packet = 1;
976     return 0;
977 }
978
979 static int dnxhd_encode_end(AVCodecContext *avctx)
980 {
981     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
982     int max_level = 1<<(ctx->cid_table->bit_depth+2);
983     int i;
984
985     av_free(ctx->vlc_codes-max_level*2);
986     av_free(ctx->vlc_bits -max_level*2);
987     av_freep(&ctx->run_codes);
988     av_freep(&ctx->run_bits);
989
990     av_freep(&ctx->mb_bits);
991     av_freep(&ctx->mb_qscale);
992     av_freep(&ctx->mb_rc);
993     av_freep(&ctx->mb_cmp);
994     av_freep(&ctx->slice_size);
995     av_freep(&ctx->slice_offs);
996
997     av_freep(&ctx->qmatrix_c);
998     av_freep(&ctx->qmatrix_l);
999     av_freep(&ctx->qmatrix_c16);
1000     av_freep(&ctx->qmatrix_l16);
1001
1002     for (i = 1; i < avctx->thread_count; i++)
1003         av_freep(&ctx->thread[i]);
1004
1005     return 0;
1006 }
1007
1008 static const AVCodecDefault dnxhd_defaults[] = {
1009     { "qmax", "1024" }, /* Maximum quantization scale factor allowed for VC-3 */
1010     { NULL },
1011 };
1012
1013 AVCodec ff_dnxhd_encoder = {
1014     .name           = "dnxhd",
1015     .type           = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
1016     .id             = AV_CODEC_ID_DNXHD,
1017     .priv_data_size = sizeof(DNXHDEncContext),
1018     .init           = dnxhd_encode_init,
1019     .encode2        = dnxhd_encode_picture,
1020     .close          = dnxhd_encode_end,
1021     .capabilities   = CODEC_CAP_SLICE_THREADS,
1022     .pix_fmts       = (const enum PixelFormat[]){ PIX_FMT_YUV422P,
1023                                                   PIX_FMT_YUV422P10,
1024                                                   PIX_FMT_NONE },
1025     .long_name      = NULL_IF_CONFIG_SMALL("VC3/DNxHD"),
1026     .priv_class     = &class,
1027     .defaults       = dnxhd_defaults,
1028 };