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