920fa456e919c12b62a8e0f838144418a449e895
[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/attributes.h"
30 #include "libavutil/internal.h"
31 #include "libavutil/opt.h"
32 #include "avcodec.h"
33 #include "dsputil.h"
34 #include "internal.h"
35 #include "mpegvideo.h"
36 #include "dnxhdenc.h"
37
38 #define VE AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM | AV_OPT_FLAG_ENCODING_PARAM
39 #define DNX10BIT_QMAT_SHIFT 18 // The largest value that will not lead to overflow for 10bit samples.
40
41 static const AVOption options[]={
42     {"nitris_compat", "encode with Avid Nitris compatibility", offsetof(DNXHDEncContext, nitris_compat), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = 0}, 0, 1, VE},
43 {NULL}
44 };
45 static const AVClass class = { "dnxhd", av_default_item_name, options, LIBAVUTIL_VERSION_INT };
46
47 #define LAMBDA_FRAC_BITS 10
48
49 static void dnxhd_8bit_get_pixels_8x4_sym(int16_t *restrict block, const uint8_t *pixels, int line_size)
50 {
51     int i;
52     for (i = 0; i < 4; i++) {
53         block[0] = pixels[0]; block[1] = pixels[1];
54         block[2] = pixels[2]; block[3] = pixels[3];
55         block[4] = pixels[4]; block[5] = pixels[5];
56         block[6] = pixels[6]; block[7] = pixels[7];
57         pixels += line_size;
58         block += 8;
59     }
60     memcpy(block,      block -  8, sizeof(*block) * 8);
61     memcpy(block +  8, block - 16, sizeof(*block) * 8);
62     memcpy(block + 16, block - 24, sizeof(*block) * 8);
63     memcpy(block + 24, block - 32, sizeof(*block) * 8);
64 }
65
66 static av_always_inline void dnxhd_10bit_get_pixels_8x4_sym(int16_t *restrict block, const uint8_t *pixels, int line_size)
67 {
68     int i;
69
70     block += 32;
71
72     for (i = 0; i < 4; i++) {
73         memcpy(block + i     * 8, pixels + i * line_size, 8 * sizeof(*block));
74         memcpy(block - (i+1) * 8, pixels + i * line_size, 8 * sizeof(*block));
75     }
76 }
77
78 static int dnxhd_10bit_dct_quantize(MpegEncContext *ctx, int16_t *block,
79                                     int n, int qscale, int *overflow)
80 {
81     const uint8_t *scantable= ctx->intra_scantable.scantable;
82     const int *qmat = ctx->q_intra_matrix[qscale];
83     int last_non_zero = 0;
84     int i;
85
86     ctx->dsp.fdct(block);
87
88     // Divide by 4 with rounding, to compensate scaling of DCT coefficients
89     block[0] = (block[0] + 2) >> 2;
90
91     for (i = 1; i < 64; ++i) {
92         int j = scantable[i];
93         int sign = block[j] >> 31;
94         int level = (block[j] ^ sign) - sign;
95         level = level * qmat[j] >> DNX10BIT_QMAT_SHIFT;
96         block[j] = (level ^ sign) - sign;
97         if (level)
98             last_non_zero = i;
99     }
100
101     return last_non_zero;
102 }
103
104 static av_cold int dnxhd_init_vlc(DNXHDEncContext *ctx)
105 {
106     int i, j, level, run;
107     int max_level = 1<<(ctx->cid_table->bit_depth+2);
108
109     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->vlc_codes, max_level*4*sizeof(*ctx->vlc_codes), fail);
110     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->vlc_bits,  max_level*4*sizeof(*ctx->vlc_bits) , fail);
111     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->run_codes, 63*2,                                fail);
112     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->run_bits,  63,                                  fail);
113
114     ctx->vlc_codes += max_level*2;
115     ctx->vlc_bits  += max_level*2;
116     for (level = -max_level; level < max_level; level++) {
117         for (run = 0; run < 2; run++) {
118             int index = (level<<1)|run;
119             int sign, offset = 0, alevel = level;
120
121             MASK_ABS(sign, alevel);
122             if (alevel > 64) {
123                 offset = (alevel-1)>>6;
124                 alevel -= offset<<6;
125             }
126             for (j = 0; j < 257; j++) {
127                 if (ctx->cid_table->ac_level[j] == alevel &&
128                     (!offset || (ctx->cid_table->ac_index_flag[j] && offset)) &&
129                     (!run    || (ctx->cid_table->ac_run_flag  [j] && run))) {
130                     assert(!ctx->vlc_codes[index]);
131                     if (alevel) {
132                         ctx->vlc_codes[index] = (ctx->cid_table->ac_codes[j]<<1)|(sign&1);
133                         ctx->vlc_bits [index] = ctx->cid_table->ac_bits[j]+1;
134                     } else {
135                         ctx->vlc_codes[index] = ctx->cid_table->ac_codes[j];
136                         ctx->vlc_bits [index] = ctx->cid_table->ac_bits [j];
137                     }
138                     break;
139                 }
140             }
141             assert(!alevel || j < 257);
142             if (offset) {
143                 ctx->vlc_codes[index] = (ctx->vlc_codes[index]<<ctx->cid_table->index_bits)|offset;
144                 ctx->vlc_bits [index]+= ctx->cid_table->index_bits;
145             }
146         }
147     }
148     for (i = 0; i < 62; i++) {
149         int run = ctx->cid_table->run[i];
150         assert(run < 63);
151         ctx->run_codes[run] = ctx->cid_table->run_codes[i];
152         ctx->run_bits [run] = ctx->cid_table->run_bits[i];
153     }
154     return 0;
155  fail:
156     return -1;
157 }
158
159 static av_cold int dnxhd_init_qmat(DNXHDEncContext *ctx, int lbias, int cbias)
160 {
161     // init first elem to 1 to avoid div by 0 in convert_matrix
162     uint16_t weight_matrix[64] = {1,}; // convert_matrix needs uint16_t*
163     int qscale, i;
164     const uint8_t *luma_weight_table   = ctx->cid_table->luma_weight;
165     const uint8_t *chroma_weight_table = ctx->cid_table->chroma_weight;
166
167     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_l,   (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 *     sizeof(int),      fail);
168     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_c,   (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 *     sizeof(int),      fail);
169     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_l16, (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 * 2 * sizeof(uint16_t), fail);
170     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_c16, (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 * 2 * sizeof(uint16_t), fail);
171
172     if (ctx->cid_table->bit_depth == 8) {
173         for (i = 1; i < 64; i++) {
174             int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
175             weight_matrix[j] = ctx->cid_table->luma_weight[i];
176         }
177         ff_convert_matrix(&ctx->m.dsp, ctx->qmatrix_l, ctx->qmatrix_l16, weight_matrix,
178                           ctx->m.intra_quant_bias, 1, ctx->m.avctx->qmax, 1);
179         for (i = 1; i < 64; i++) {
180             int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
181             weight_matrix[j] = ctx->cid_table->chroma_weight[i];
182         }
183         ff_convert_matrix(&ctx->m.dsp, ctx->qmatrix_c, ctx->qmatrix_c16, weight_matrix,
184                           ctx->m.intra_quant_bias, 1, ctx->m.avctx->qmax, 1);
185
186         for (qscale = 1; qscale <= ctx->m.avctx->qmax; qscale++) {
187             for (i = 0; i < 64; i++) {
188                 ctx->qmatrix_l  [qscale]   [i] <<= 2; ctx->qmatrix_c  [qscale]   [i] <<= 2;
189                 ctx->qmatrix_l16[qscale][0][i] <<= 2; ctx->qmatrix_l16[qscale][1][i] <<= 2;
190                 ctx->qmatrix_c16[qscale][0][i] <<= 2; ctx->qmatrix_c16[qscale][1][i] <<= 2;
191             }
192         }
193     } else {
194         // 10-bit
195         for (qscale = 1; qscale <= ctx->m.avctx->qmax; qscale++) {
196             for (i = 1; i < 64; i++) {
197                 int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
198
199                 // The quantization formula from the VC-3 standard is:
200                 // quantized = sign(block[i]) * floor(abs(block[i]/s) * p / (qscale * weight_table[i]))
201                 // Where p is 32 for 8-bit samples and 8 for 10-bit ones.
202                 // The s factor compensates scaling of DCT coefficients done by the DCT routines,
203                 // and therefore is not present in standard.  It's 8 for 8-bit samples and 4 for 10-bit ones.
204                 // We want values of ctx->qtmatrix_l and ctx->qtmatrix_r to be:
205                 // ((1 << DNX10BIT_QMAT_SHIFT) * (p / s)) / (qscale * weight_table[i])
206                 // For 10-bit samples, p / s == 2
207                 ctx->qmatrix_l[qscale][j] = (1 << (DNX10BIT_QMAT_SHIFT + 1)) / (qscale * luma_weight_table[i]);
208                 ctx->qmatrix_c[qscale][j] = (1 << (DNX10BIT_QMAT_SHIFT + 1)) / (qscale * chroma_weight_table[i]);
209             }
210         }
211     }
212
213     return 0;
214  fail:
215     return -1;
216 }
217
218 static av_cold int dnxhd_init_rc(DNXHDEncContext *ctx)
219 {
220     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_rc, 8160*ctx->m.avctx->qmax*sizeof(RCEntry), fail);
221     if (ctx->m.avctx->mb_decision != FF_MB_DECISION_RD)
222         FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_cmp, ctx->m.mb_num*sizeof(RCCMPEntry), fail);
223
224     ctx->frame_bits = (ctx->cid_table->coding_unit_size - 640 - 4 - ctx->min_padding) * 8;
225     ctx->qscale = 1;
226     ctx->lambda = 2<<LAMBDA_FRAC_BITS; // qscale 2
227     return 0;
228  fail:
229     return -1;
230 }
231
232 static av_cold int dnxhd_encode_init(AVCodecContext *avctx)
233 {
234     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
235     int i, index, bit_depth;
236
237     switch (avctx->pix_fmt) {
238     case AV_PIX_FMT_YUV422P:
239         bit_depth = 8;
240         break;
241     case AV_PIX_FMT_YUV422P10:
242         bit_depth = 10;
243         break;
244     default:
245         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "pixel format is incompatible with DNxHD\n");
246         return -1;
247     }
248
249     ctx->cid = ff_dnxhd_find_cid(avctx, bit_depth);
250     if (!ctx->cid) {
251         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "video parameters incompatible with DNxHD\n");
252         return -1;
253     }
254     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "cid %d\n", ctx->cid);
255
256     index = ff_dnxhd_get_cid_table(ctx->cid);
257     ctx->cid_table = &ff_dnxhd_cid_table[index];
258
259     ctx->m.avctx = avctx;
260     ctx->m.mb_intra = 1;
261     ctx->m.h263_aic = 1;
262
263     avctx->bits_per_raw_sample = ctx->cid_table->bit_depth;
264
265     ff_dsputil_init(&ctx->m.dsp, avctx);
266     ff_dct_common_init(&ctx->m);
267     if (!ctx->m.dct_quantize)
268         ctx->m.dct_quantize = ff_dct_quantize_c;
269
270     if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
271        ctx->m.dct_quantize = dnxhd_10bit_dct_quantize;
272        ctx->get_pixels_8x4_sym = dnxhd_10bit_get_pixels_8x4_sym;
273        ctx->block_width_l2 = 4;
274     } else {
275        ctx->get_pixels_8x4_sym = dnxhd_8bit_get_pixels_8x4_sym;
276        ctx->block_width_l2 = 3;
277     }
278
279     if (ARCH_X86)
280         ff_dnxhdenc_init_x86(ctx);
281
282     ctx->m.mb_height = (avctx->height + 15) / 16;
283     ctx->m.mb_width  = (avctx->width  + 15) / 16;
284
285     if (avctx->flags & CODEC_FLAG_INTERLACED_DCT) {
286         ctx->interlaced = 1;
287         ctx->m.mb_height /= 2;
288     }
289
290     ctx->m.mb_num = ctx->m.mb_height * ctx->m.mb_width;
291
292     if (avctx->intra_quant_bias != FF_DEFAULT_QUANT_BIAS)
293         ctx->m.intra_quant_bias = avctx->intra_quant_bias;
294     if (dnxhd_init_qmat(ctx, ctx->m.intra_quant_bias, 0) < 0) // XXX tune lbias/cbias
295         return -1;
296
297     // Avid Nitris hardware decoder requires a minimum amount of padding in the coding unit payload
298     if (ctx->nitris_compat)
299         ctx->min_padding = 1600;
300
301     if (dnxhd_init_vlc(ctx) < 0)
302         return -1;
303     if (dnxhd_init_rc(ctx) < 0)
304         return -1;
305
306     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->slice_size, ctx->m.mb_height*sizeof(uint32_t), fail);
307     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->slice_offs, ctx->m.mb_height*sizeof(uint32_t), fail);
308     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_bits,    ctx->m.mb_num   *sizeof(uint16_t), fail);
309     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_qscale,  ctx->m.mb_num   *sizeof(uint8_t),  fail);
310
311     ctx->frame.key_frame = 1;
312     ctx->frame.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_I;
313     ctx->m.avctx->coded_frame = &ctx->frame;
314
315     if (avctx->thread_count > MAX_THREADS) {
316         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "too many threads\n");
317         return -1;
318     }
319
320     ctx->thread[0] = ctx;
321     for (i = 1; i < avctx->thread_count; i++) {
322         ctx->thread[i] =  av_malloc(sizeof(DNXHDEncContext));
323         memcpy(ctx->thread[i], ctx, sizeof(DNXHDEncContext));
324     }
325
326     return 0;
327  fail: //for FF_ALLOCZ_OR_GOTO
328     return -1;
329 }
330
331 static int dnxhd_write_header(AVCodecContext *avctx, uint8_t *buf)
332 {
333     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
334     const uint8_t header_prefix[5] = { 0x00,0x00,0x02,0x80,0x01 };
335
336     memset(buf, 0, 640);
337
338     memcpy(buf, header_prefix, 5);
339     buf[5] = ctx->interlaced ? ctx->cur_field+2 : 0x01;
340     buf[6] = 0x80; // crc flag off
341     buf[7] = 0xa0; // reserved
342     AV_WB16(buf + 0x18, avctx->height>>ctx->interlaced); // ALPF
343     AV_WB16(buf + 0x1a, avctx->width);  // SPL
344     AV_WB16(buf + 0x1d, avctx->height>>ctx->interlaced); // NAL
345
346     buf[0x21] = ctx->cid_table->bit_depth == 10 ? 0x58 : 0x38;
347     buf[0x22] = 0x88 + (ctx->interlaced<<2);
348     AV_WB32(buf + 0x28, ctx->cid); // CID
349     buf[0x2c] = ctx->interlaced ? 0 : 0x80;
350
351     buf[0x5f] = 0x01; // UDL
352
353     buf[0x167] = 0x02; // reserved
354     AV_WB16(buf + 0x16a, ctx->m.mb_height * 4 + 4); // MSIPS
355     buf[0x16d] = ctx->m.mb_height; // Ns
356     buf[0x16f] = 0x10; // reserved
357
358     ctx->msip = buf + 0x170;
359     return 0;
360 }
361
362 static av_always_inline void dnxhd_encode_dc(DNXHDEncContext *ctx, int diff)
363 {
364     int nbits;
365     if (diff < 0) {
366         nbits = av_log2_16bit(-2*diff);
367         diff--;
368     } else {
369         nbits = av_log2_16bit(2*diff);
370     }
371     put_bits(&ctx->m.pb, ctx->cid_table->dc_bits[nbits] + nbits,
372              (ctx->cid_table->dc_codes[nbits]<<nbits) + (diff & ((1 << nbits) - 1)));
373 }
374
375 static av_always_inline void dnxhd_encode_block(DNXHDEncContext *ctx, int16_t *block, int last_index, int n)
376 {
377     int last_non_zero = 0;
378     int slevel, i, j;
379
380     dnxhd_encode_dc(ctx, block[0] - ctx->m.last_dc[n]);
381     ctx->m.last_dc[n] = block[0];
382
383     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
384         j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
385         slevel = block[j];
386         if (slevel) {
387             int run_level = i - last_non_zero - 1;
388             int rlevel = (slevel<<1)|!!run_level;
389             put_bits(&ctx->m.pb, ctx->vlc_bits[rlevel], ctx->vlc_codes[rlevel]);
390             if (run_level)
391                 put_bits(&ctx->m.pb, ctx->run_bits[run_level], ctx->run_codes[run_level]);
392             last_non_zero = i;
393         }
394     }
395     put_bits(&ctx->m.pb, ctx->vlc_bits[0], ctx->vlc_codes[0]); // EOB
396 }
397
398 static av_always_inline void dnxhd_unquantize_c(DNXHDEncContext *ctx, int16_t *block, int n, int qscale, int last_index)
399 {
400     const uint8_t *weight_matrix;
401     int level;
402     int i;
403
404     weight_matrix = (n&2) ? ctx->cid_table->chroma_weight : ctx->cid_table->luma_weight;
405
406     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
407         int j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
408         level = block[j];
409         if (level) {
410             if (level < 0) {
411                 level = (1-2*level) * qscale * weight_matrix[i];
412                 if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
413                     if (weight_matrix[i] != 8)
414                         level += 8;
415                     level >>= 4;
416                 } else {
417                     if (weight_matrix[i] != 32)
418                         level += 32;
419                     level >>= 6;
420                 }
421                 level = -level;
422             } else {
423                 level = (2*level+1) * qscale * weight_matrix[i];
424                 if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
425                     if (weight_matrix[i] != 8)
426                         level += 8;
427                     level >>= 4;
428                 } else {
429                     if (weight_matrix[i] != 32)
430                         level += 32;
431                     level >>= 6;
432                 }
433             }
434             block[j] = level;
435         }
436     }
437 }
438
439 static av_always_inline int dnxhd_ssd_block(int16_t *qblock, int16_t *block)
440 {
441     int score = 0;
442     int i;
443     for (i = 0; i < 64; i++)
444         score += (block[i] - qblock[i]) * (block[i] - qblock[i]);
445     return score;
446 }
447
448 static av_always_inline int dnxhd_calc_ac_bits(DNXHDEncContext *ctx, int16_t *block, int last_index)
449 {
450     int last_non_zero = 0;
451     int bits = 0;
452     int i, j, level;
453     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
454         j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
455         level = block[j];
456         if (level) {
457             int run_level = i - last_non_zero - 1;
458             bits += ctx->vlc_bits[(level<<1)|!!run_level]+ctx->run_bits[run_level];
459             last_non_zero = i;
460         }
461     }
462     return bits;
463 }
464
465 static av_always_inline void dnxhd_get_blocks(DNXHDEncContext *ctx, int mb_x, int mb_y)
466 {
467     const int bs = ctx->block_width_l2;
468     const int bw = 1 << bs;
469     const uint8_t *ptr_y = ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y << 4) * ctx->m.linesize)   + (mb_x << bs+1);
470     const uint8_t *ptr_u = ctx->thread[0]->src[1] + ((mb_y << 4) * ctx->m.uvlinesize) + (mb_x << bs);
471     const uint8_t *ptr_v = ctx->thread[0]->src[2] + ((mb_y << 4) * ctx->m.uvlinesize) + (mb_x << bs);
472     DSPContext *dsp = &ctx->m.dsp;
473
474     dsp->get_pixels(ctx->blocks[0], ptr_y,      ctx->m.linesize);
475     dsp->get_pixels(ctx->blocks[1], ptr_y + bw, ctx->m.linesize);
476     dsp->get_pixels(ctx->blocks[2], ptr_u,      ctx->m.uvlinesize);
477     dsp->get_pixels(ctx->blocks[3], ptr_v,      ctx->m.uvlinesize);
478
479     if (mb_y+1 == ctx->m.mb_height && ctx->m.avctx->height == 1080) {
480         if (ctx->interlaced) {
481             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[4], ptr_y + ctx->dct_y_offset,      ctx->m.linesize);
482             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[5], ptr_y + ctx->dct_y_offset + bw, ctx->m.linesize);
483             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[6], ptr_u + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
484             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[7], ptr_v + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
485         } else {
486             dsp->clear_block(ctx->blocks[4]);
487             dsp->clear_block(ctx->blocks[5]);
488             dsp->clear_block(ctx->blocks[6]);
489             dsp->clear_block(ctx->blocks[7]);
490         }
491     } else {
492         dsp->get_pixels(ctx->blocks[4], ptr_y + ctx->dct_y_offset,      ctx->m.linesize);
493         dsp->get_pixels(ctx->blocks[5], ptr_y + ctx->dct_y_offset + bw, ctx->m.linesize);
494         dsp->get_pixels(ctx->blocks[6], ptr_u + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
495         dsp->get_pixels(ctx->blocks[7], ptr_v + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
496     }
497 }
498
499 static av_always_inline int dnxhd_switch_matrix(DNXHDEncContext *ctx, int i)
500 {
501     if (i&2) {
502         ctx->m.q_intra_matrix16 = ctx->qmatrix_c16;
503         ctx->m.q_intra_matrix   = ctx->qmatrix_c;
504         return 1 + (i&1);
505     } else {
506         ctx->m.q_intra_matrix16 = ctx->qmatrix_l16;
507         ctx->m.q_intra_matrix   = ctx->qmatrix_l;
508         return 0;
509     }
510 }
511
512 static int dnxhd_calc_bits_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
513 {
514     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
515     int mb_y = jobnr, mb_x;
516     int qscale = ctx->qscale;
517     LOCAL_ALIGNED_16(int16_t, block, [64]);
518     ctx = ctx->thread[threadnr];
519
520     ctx->m.last_dc[0] =
521     ctx->m.last_dc[1] =
522     ctx->m.last_dc[2] = 1 << (ctx->cid_table->bit_depth + 2);
523
524     for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
525         unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
526         int ssd     = 0;
527         int ac_bits = 0;
528         int dc_bits = 0;
529         int i;
530
531         dnxhd_get_blocks(ctx, mb_x, mb_y);
532
533         for (i = 0; i < 8; i++) {
534             int16_t *src_block = ctx->blocks[i];
535             int overflow, nbits, diff, last_index;
536             int n = dnxhd_switch_matrix(ctx, i);
537
538             memcpy(block, src_block, 64*sizeof(*block));
539             last_index = ctx->m.dct_quantize(&ctx->m, block, i, qscale, &overflow);
540             ac_bits += dnxhd_calc_ac_bits(ctx, block, last_index);
541
542             diff = block[0] - ctx->m.last_dc[n];
543             if (diff < 0) nbits = av_log2_16bit(-2*diff);
544             else          nbits = av_log2_16bit( 2*diff);
545
546             assert(nbits < ctx->cid_table->bit_depth + 4);
547             dc_bits += ctx->cid_table->dc_bits[nbits] + nbits;
548
549             ctx->m.last_dc[n] = block[0];
550
551             if (avctx->mb_decision == FF_MB_DECISION_RD || !RC_VARIANCE) {
552                 dnxhd_unquantize_c(ctx, block, i, qscale, last_index);
553                 ctx->m.dsp.idct(block);
554                 ssd += dnxhd_ssd_block(block, src_block);
555             }
556         }
557         ctx->mb_rc[qscale][mb].ssd = ssd;
558         ctx->mb_rc[qscale][mb].bits = ac_bits+dc_bits+12+8*ctx->vlc_bits[0];
559     }
560     return 0;
561 }
562
563 static int dnxhd_encode_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
564 {
565     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
566     int mb_y = jobnr, mb_x;
567     ctx = ctx->thread[threadnr];
568     init_put_bits(&ctx->m.pb, (uint8_t *)arg + 640 + ctx->slice_offs[jobnr], ctx->slice_size[jobnr]);
569
570     ctx->m.last_dc[0] =
571     ctx->m.last_dc[1] =
572     ctx->m.last_dc[2] = 1 << (ctx->cid_table->bit_depth + 2);
573     for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
574         unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
575         int qscale = ctx->mb_qscale[mb];
576         int i;
577
578         put_bits(&ctx->m.pb, 12, qscale<<1);
579
580         dnxhd_get_blocks(ctx, mb_x, mb_y);
581
582         for (i = 0; i < 8; i++) {
583             int16_t *block = ctx->blocks[i];
584             int overflow, n = dnxhd_switch_matrix(ctx, i);
585             int last_index = ctx->m.dct_quantize(&ctx->m, block, i,
586                                                  qscale, &overflow);
587             //START_TIMER;
588             dnxhd_encode_block(ctx, block, last_index, n);
589             //STOP_TIMER("encode_block");
590         }
591     }
592     if (put_bits_count(&ctx->m.pb)&31)
593         put_bits(&ctx->m.pb, 32-(put_bits_count(&ctx->m.pb)&31), 0);
594     flush_put_bits(&ctx->m.pb);
595     return 0;
596 }
597
598 static void dnxhd_setup_threads_slices(DNXHDEncContext *ctx)
599 {
600     int mb_y, mb_x;
601     int offset = 0;
602     for (mb_y = 0; mb_y < ctx->m.mb_height; mb_y++) {
603         int thread_size;
604         ctx->slice_offs[mb_y] = offset;
605         ctx->slice_size[mb_y] = 0;
606         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
607             unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
608             ctx->slice_size[mb_y] += ctx->mb_bits[mb];
609         }
610         ctx->slice_size[mb_y] = (ctx->slice_size[mb_y]+31)&~31;
611         ctx->slice_size[mb_y] >>= 3;
612         thread_size = ctx->slice_size[mb_y];
613         offset += thread_size;
614     }
615 }
616
617 static int dnxhd_mb_var_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
618 {
619     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
620     int mb_y = jobnr, mb_x, x, y;
621     int partial_last_row = (mb_y == ctx->m.mb_height - 1) &&
622                            ((avctx->height >> ctx->interlaced) & 0xF);
623
624     ctx = ctx->thread[threadnr];
625     if (ctx->cid_table->bit_depth == 8) {
626         uint8_t *pix = ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y<<4) * ctx->m.linesize);
627         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; ++mb_x, pix += 16) {
628             unsigned mb  = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
629             int sum;
630             int varc;
631
632             if (!partial_last_row && mb_x * 16 <= avctx->width - 16) {
633                 sum  = ctx->m.dsp.pix_sum(pix, ctx->m.linesize);
634                 varc = ctx->m.dsp.pix_norm1(pix, ctx->m.linesize);
635             } else {
636                 int bw = FFMIN(avctx->width - 16 * mb_x, 16);
637                 int bh = FFMIN((avctx->height >> ctx->interlaced) - 16 * mb_y, 16);
638                 sum = varc = 0;
639                 for (y = 0; y < bh; y++) {
640                     for (x = 0; x < bw; x++) {
641                         uint8_t val = pix[x + y * ctx->m.linesize];
642                         sum  += val;
643                         varc += val * val;
644                     }
645                 }
646             }
647             varc = (varc - (((unsigned)sum * sum) >> 8) + 128) >> 8;
648
649             ctx->mb_cmp[mb].value = varc;
650             ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
651         }
652     } else { // 10-bit
653         int const linesize = ctx->m.linesize >> 1;
654         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; ++mb_x) {
655             uint16_t *pix = (uint16_t*)ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y << 4) * linesize) + (mb_x << 4);
656             unsigned mb  = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
657             int sum = 0;
658             int sqsum = 0;
659             int mean, sqmean;
660             int i, j;
661             // Macroblocks are 16x16 pixels, unlike DCT blocks which are 8x8.
662             for (i = 0; i < 16; ++i) {
663                 for (j = 0; j < 16; ++j) {
664                     // Turn 16-bit pixels into 10-bit ones.
665                     int const sample = (unsigned)pix[j] >> 6;
666                     sum += sample;
667                     sqsum += sample * sample;
668                     // 2^10 * 2^10 * 16 * 16 = 2^28, which is less than INT_MAX
669                 }
670                 pix += linesize;
671             }
672             mean = sum >> 8; // 16*16 == 2^8
673             sqmean = sqsum >> 8;
674             ctx->mb_cmp[mb].value = sqmean - mean * mean;
675             ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
676         }
677     }
678     return 0;
679 }
680
681 static int dnxhd_encode_rdo(AVCodecContext *avctx, DNXHDEncContext *ctx)
682 {
683     int lambda, up_step, down_step;
684     int last_lower = INT_MAX, last_higher = 0;
685     int x, y, q;
686
687     for (q = 1; q < avctx->qmax; q++) {
688         ctx->qscale = q;
689         avctx->execute2(avctx, dnxhd_calc_bits_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
690     }
691     up_step = down_step = 2<<LAMBDA_FRAC_BITS;
692     lambda = ctx->lambda;
693
694     for (;;) {
695         int bits = 0;
696         int end = 0;
697         if (lambda == last_higher) {
698             lambda++;
699             end = 1; // need to set final qscales/bits
700         }
701         for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
702             for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++) {
703                 unsigned min = UINT_MAX;
704                 int qscale = 1;
705                 int mb = y*ctx->m.mb_width+x;
706                 for (q = 1; q < avctx->qmax; q++) {
707                     unsigned score = ctx->mb_rc[q][mb].bits*lambda+
708                         ((unsigned)ctx->mb_rc[q][mb].ssd<<LAMBDA_FRAC_BITS);
709                     if (score < min) {
710                         min = score;
711                         qscale = q;
712                     }
713                 }
714                 bits += ctx->mb_rc[qscale][mb].bits;
715                 ctx->mb_qscale[mb] = qscale;
716                 ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[qscale][mb].bits;
717             }
718             bits = (bits+31)&~31; // padding
719             if (bits > ctx->frame_bits)
720                 break;
721         }
722         //av_dlog(ctx->m.avctx, "lambda %d, up %u, down %u, bits %d, frame %d\n",
723         //        lambda, last_higher, last_lower, bits, ctx->frame_bits);
724         if (end) {
725             if (bits > ctx->frame_bits)
726                 return -1;
727             break;
728         }
729         if (bits < ctx->frame_bits) {
730             last_lower = FFMIN(lambda, last_lower);
731             if (last_higher != 0)
732                 lambda = (lambda+last_higher)>>1;
733             else
734                 lambda -= down_step;
735             down_step = FFMIN((int64_t)down_step*5, INT_MAX);
736             up_step = 1<<LAMBDA_FRAC_BITS;
737             lambda = FFMAX(1, lambda);
738             if (lambda == last_lower)
739                 break;
740         } else {
741             last_higher = FFMAX(lambda, last_higher);
742             if (last_lower != INT_MAX)
743                 lambda = (lambda+last_lower)>>1;
744             else if ((int64_t)lambda + up_step > INT_MAX)
745                 return -1;
746             else
747                 lambda += up_step;
748             up_step = FFMIN((int64_t)up_step*5, INT_MAX);
749             down_step = 1<<LAMBDA_FRAC_BITS;
750         }
751     }
752     //av_dlog(ctx->m.avctx, "out lambda %d\n", lambda);
753     ctx->lambda = lambda;
754     return 0;
755 }
756
757 static int dnxhd_find_qscale(DNXHDEncContext *ctx)
758 {
759     int bits = 0;
760     int up_step = 1;
761     int down_step = 1;
762     int last_higher = 0;
763     int last_lower = INT_MAX;
764     int qscale;
765     int x, y;
766
767     qscale = ctx->qscale;
768     for (;;) {
769         bits = 0;
770         ctx->qscale = qscale;
771         // XXX avoid recalculating bits
772         ctx->m.avctx->execute2(ctx->m.avctx, dnxhd_calc_bits_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
773         for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
774             for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++)
775                 bits += ctx->mb_rc[qscale][y*ctx->m.mb_width+x].bits;
776             bits = (bits+31)&~31; // padding
777             if (bits > ctx->frame_bits)
778                 break;
779         }
780         //av_dlog(ctx->m.avctx, "%d, qscale %d, bits %d, frame %d, higher %d, lower %d\n",
781         //        ctx->m.avctx->frame_number, qscale, bits, ctx->frame_bits, last_higher, last_lower);
782         if (bits < ctx->frame_bits) {
783             if (qscale == 1)
784                 return 1;
785             if (last_higher == qscale - 1) {
786                 qscale = last_higher;
787                 break;
788             }
789             last_lower = FFMIN(qscale, last_lower);
790             if (last_higher != 0)
791                 qscale = (qscale+last_higher)>>1;
792             else
793                 qscale -= down_step++;
794             if (qscale < 1)
795                 qscale = 1;
796             up_step = 1;
797         } else {
798             if (last_lower == qscale + 1)
799                 break;
800             last_higher = FFMAX(qscale, last_higher);
801             if (last_lower != INT_MAX)
802                 qscale = (qscale+last_lower)>>1;
803             else
804                 qscale += up_step++;
805             down_step = 1;
806             if (qscale >= ctx->m.avctx->qmax)
807                 return -1;
808         }
809     }
810     //av_dlog(ctx->m.avctx, "out qscale %d\n", qscale);
811     ctx->qscale = qscale;
812     return 0;
813 }
814
815 #define BUCKET_BITS 8
816 #define RADIX_PASSES 4
817 #define NBUCKETS (1 << BUCKET_BITS)
818
819 static inline int get_bucket(int value, int shift)
820 {
821     value >>= shift;
822     value &= NBUCKETS - 1;
823     return NBUCKETS - 1 - value;
824 }
825
826 static void radix_count(const RCCMPEntry *data, int size, int buckets[RADIX_PASSES][NBUCKETS])
827 {
828     int i, j;
829     memset(buckets, 0, sizeof(buckets[0][0]) * RADIX_PASSES * NBUCKETS);
830     for (i = 0; i < size; i++) {
831         int v = data[i].value;
832         for (j = 0; j < RADIX_PASSES; j++) {
833             buckets[j][get_bucket(v, 0)]++;
834             v >>= BUCKET_BITS;
835         }
836         assert(!v);
837     }
838     for (j = 0; j < RADIX_PASSES; j++) {
839         int offset = size;
840         for (i = NBUCKETS - 1; i >= 0; i--)
841             buckets[j][i] = offset -= buckets[j][i];
842         assert(!buckets[j][0]);
843     }
844 }
845
846 static void radix_sort_pass(RCCMPEntry *dst, const RCCMPEntry *data, int size, int buckets[NBUCKETS], int pass)
847 {
848     int shift = pass * BUCKET_BITS;
849     int i;
850     for (i = 0; i < size; i++) {
851         int v = get_bucket(data[i].value, shift);
852         int pos = buckets[v]++;
853         dst[pos] = data[i];
854     }
855 }
856
857 static void radix_sort(RCCMPEntry *data, int size)
858 {
859     int buckets[RADIX_PASSES][NBUCKETS];
860     RCCMPEntry *tmp = av_malloc(sizeof(*tmp) * size);
861     radix_count(data, size, buckets);
862     radix_sort_pass(tmp, data, size, buckets[0], 0);
863     radix_sort_pass(data, tmp, size, buckets[1], 1);
864     if (buckets[2][NBUCKETS - 1] || buckets[3][NBUCKETS - 1]) {
865         radix_sort_pass(tmp, data, size, buckets[2], 2);
866         radix_sort_pass(data, tmp, size, buckets[3], 3);
867     }
868     av_free(tmp);
869 }
870
871 static int dnxhd_encode_fast(AVCodecContext *avctx, DNXHDEncContext *ctx)
872 {
873     int max_bits = 0;
874     int ret, x, y;
875     if ((ret = dnxhd_find_qscale(ctx)) < 0)
876         return -1;
877     for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
878         for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++) {
879             int mb = y*ctx->m.mb_width+x;
880             int delta_bits;
881             ctx->mb_qscale[mb] = ctx->qscale;
882             ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits;
883             max_bits += ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits;
884             if (!RC_VARIANCE) {
885                 delta_bits = ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits-ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
886                 ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
887                 ctx->mb_cmp[mb].value = delta_bits ?
888                     ((ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].ssd-ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].ssd)*100)/delta_bits
889                     : INT_MIN; //avoid increasing qscale
890             }
891         }
892         max_bits += 31; //worst padding
893     }
894     if (!ret) {
895         if (RC_VARIANCE)
896             avctx->execute2(avctx, dnxhd_mb_var_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
897         radix_sort(ctx->mb_cmp, ctx->m.mb_num);
898         for (x = 0; x < ctx->m.mb_num && max_bits > ctx->frame_bits; x++) {
899             int mb = ctx->mb_cmp[x].mb;
900             max_bits -= ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits - ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
901             ctx->mb_qscale[mb] = ctx->qscale+1;
902             ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
903         }
904     }
905     return 0;
906 }
907
908 static void dnxhd_load_picture(DNXHDEncContext *ctx, const AVFrame *frame)
909 {
910     int i;
911
912     for (i = 0; i < 3; i++) {
913         ctx->frame.data[i]     = frame->data[i];
914         ctx->frame.linesize[i] = frame->linesize[i];
915     }
916
917     for (i = 0; i < ctx->m.avctx->thread_count; i++) {
918         ctx->thread[i]->m.linesize    = ctx->frame.linesize[0]<<ctx->interlaced;
919         ctx->thread[i]->m.uvlinesize  = ctx->frame.linesize[1]<<ctx->interlaced;
920         ctx->thread[i]->dct_y_offset  = ctx->m.linesize  *8;
921         ctx->thread[i]->dct_uv_offset = ctx->m.uvlinesize*8;
922     }
923
924     ctx->frame.interlaced_frame = frame->interlaced_frame;
925     ctx->cur_field = frame->interlaced_frame && !frame->top_field_first;
926 }
927
928 static int dnxhd_encode_picture(AVCodecContext *avctx, AVPacket *pkt,
929                                 const AVFrame *frame, int *got_packet)
930 {
931     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
932     int first_field = 1;
933     int offset, i, ret;
934     uint8_t *buf;
935
936     if ((ret = ff_alloc_packet(pkt, ctx->cid_table->frame_size)) < 0) {
937         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "output buffer is too small to compress picture\n");
938         return ret;
939     }
940     buf = pkt->data;
941
942     dnxhd_load_picture(ctx, frame);
943
944  encode_coding_unit:
945     for (i = 0; i < 3; i++) {
946         ctx->src[i] = ctx->frame.data[i];
947         if (ctx->interlaced && ctx->cur_field)
948             ctx->src[i] += ctx->frame.linesize[i];
949     }
950
951     dnxhd_write_header(avctx, buf);
952
953     if (avctx->mb_decision == FF_MB_DECISION_RD)
954         ret = dnxhd_encode_rdo(avctx, ctx);
955     else
956         ret = dnxhd_encode_fast(avctx, ctx);
957     if (ret < 0) {
958         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR,
959                "picture could not fit ratecontrol constraints, increase qmax\n");
960         return -1;
961     }
962
963     dnxhd_setup_threads_slices(ctx);
964
965     offset = 0;
966     for (i = 0; i < ctx->m.mb_height; i++) {
967         AV_WB32(ctx->msip + i * 4, offset);
968         offset += ctx->slice_size[i];
969         assert(!(ctx->slice_size[i] & 3));
970     }
971
972     avctx->execute2(avctx, dnxhd_encode_thread, buf, NULL, ctx->m.mb_height);
973
974     assert(640 + offset + 4 <= ctx->cid_table->coding_unit_size);
975     memset(buf + 640 + offset, 0, ctx->cid_table->coding_unit_size - 4 - offset - 640);
976
977     AV_WB32(buf + ctx->cid_table->coding_unit_size - 4, 0x600DC0DE); // EOF
978
979     if (ctx->interlaced && first_field) {
980         first_field     = 0;
981         ctx->cur_field ^= 1;
982         buf      += ctx->cid_table->coding_unit_size;
983         goto encode_coding_unit;
984     }
985
986     ctx->frame.quality = ctx->qscale*FF_QP2LAMBDA;
987
988     pkt->flags |= AV_PKT_FLAG_KEY;
989     *got_packet = 1;
990     return 0;
991 }
992
993 static av_cold int dnxhd_encode_end(AVCodecContext *avctx)
994 {
995     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
996     int max_level = 1<<(ctx->cid_table->bit_depth+2);
997     int i;
998
999     av_free(ctx->vlc_codes-max_level*2);
1000     av_free(ctx->vlc_bits -max_level*2);
1001     av_freep(&ctx->run_codes);
1002     av_freep(&ctx->run_bits);
1003
1004     av_freep(&ctx->mb_bits);
1005     av_freep(&ctx->mb_qscale);
1006     av_freep(&ctx->mb_rc);
1007     av_freep(&ctx->mb_cmp);
1008     av_freep(&ctx->slice_size);
1009     av_freep(&ctx->slice_offs);
1010
1011     av_freep(&ctx->qmatrix_c);
1012     av_freep(&ctx->qmatrix_l);
1013     av_freep(&ctx->qmatrix_c16);
1014     av_freep(&ctx->qmatrix_l16);
1015
1016     for (i = 1; i < avctx->thread_count; i++)
1017         av_freep(&ctx->thread[i]);
1018
1019     return 0;
1020 }
1021
1022 AVCodec ff_dnxhd_encoder = {
1023     .name           = "dnxhd",
1024     .type           = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
1025     .id             = AV_CODEC_ID_DNXHD,
1026     .priv_data_size = sizeof(DNXHDEncContext),
1027     .init           = dnxhd_encode_init,
1028     .encode2        = dnxhd_encode_picture,
1029     .close          = dnxhd_encode_end,
1030     .capabilities   = CODEC_CAP_SLICE_THREADS,
1031     .pix_fmts       = (const enum AVPixelFormat[]){ AV_PIX_FMT_YUV422P,
1032                                                   AV_PIX_FMT_YUV422P10,
1033                                                   AV_PIX_FMT_NONE },
1034     .long_name      = NULL_IF_CONFIG_SMALL("VC3/DNxHD"),
1035     .priv_class     = &class,
1036 };