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