dnxhdenc: fixed signed multiplication overflow
[ffmpeg.git] / libavcodec / dnxhdenc.c
1 /*
2  * VC3/DNxHD encoder
3  * Copyright (c) 2007 Baptiste Coudurier <baptiste dot coudurier at smartjog dot com>
4  * Copyright (c) 2011 MirriAd Ltd
5  *
6  * VC-3 encoder funded by the British Broadcasting Corporation
7  * 10 bit support added by MirriAd Ltd, Joseph Artsimovich <joseph@mirriad.com>
8  *
9  * This file is part of Libav.
10  *
11  * Libav is free software; you can redistribute it and/or
12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
13  * License as published by the Free Software Foundation; either
14  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
15  *
16  * Libav is distributed in the hope that it will be useful,
17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
19  * Lesser General Public License for more details.
20  *
21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
22  * License along with Libav; if not, write to the Free Software
23  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
24  */
25
26 //#define DEBUG
27 #define RC_VARIANCE 1 // use variance or ssd for fast rc
28
29 #include "libavutil/opt.h"
30 #include "avcodec.h"
31 #include "dsputil.h"
32 #include "mpegvideo.h"
33 #include "mpegvideo_common.h"
34 #include "dnxhdenc.h"
35
36 #define VE AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM | AV_OPT_FLAG_ENCODING_PARAM
37 #define DNX10BIT_QMAT_SHIFT 18 // The largest value that will not lead to overflow for 10bit samples.
38
39 static const AVOption options[]={
40     {"nitris_compat", "encode with Avid Nitris compatibility", offsetof(DNXHDEncContext, nitris_compat), AV_OPT_TYPE_INT, {.dbl = 0}, 0, 1, VE},
41 {NULL}
42 };
43 static const AVClass class = { "dnxhd", av_default_item_name, options, LIBAVUTIL_VERSION_INT };
44
45 #define LAMBDA_FRAC_BITS 10
46
47 static void dnxhd_8bit_get_pixels_8x4_sym(DCTELEM *restrict block, const uint8_t *pixels, int line_size)
48 {
49     int i;
50     for (i = 0; i < 4; i++) {
51         block[0] = pixels[0]; block[1] = pixels[1];
52         block[2] = pixels[2]; block[3] = pixels[3];
53         block[4] = pixels[4]; block[5] = pixels[5];
54         block[6] = pixels[6]; block[7] = pixels[7];
55         pixels += line_size;
56         block += 8;
57     }
58     memcpy(block,      block -  8, sizeof(*block) * 8);
59     memcpy(block +  8, block - 16, sizeof(*block) * 8);
60     memcpy(block + 16, block - 24, sizeof(*block) * 8);
61     memcpy(block + 24, block - 32, sizeof(*block) * 8);
62 }
63
64 static av_always_inline void dnxhd_10bit_get_pixels_8x4_sym(DCTELEM *restrict block, const uint8_t *pixels, int line_size)
65 {
66     int i;
67
68     block += 32;
69
70     for (i = 0; i < 4; i++) {
71         memcpy(block + i     * 8, pixels + i * line_size, 8 * sizeof(*block));
72         memcpy(block - (i+1) * 8, pixels + i * line_size, 8 * sizeof(*block));
73     }
74 }
75
76 static int dnxhd_10bit_dct_quantize(MpegEncContext *ctx, DCTELEM *block,
77                                     int n, int qscale, int *overflow)
78 {
79     const uint8_t *scantable= ctx->intra_scantable.scantable;
80     const int *qmat = ctx->q_intra_matrix[qscale];
81     int last_non_zero = 0;
82     int i;
83
84     ctx->dsp.fdct(block);
85
86     // Divide by 4 with rounding, to compensate scaling of DCT coefficients
87     block[0] = (block[0] + 2) >> 2;
88
89     for (i = 1; i < 64; ++i) {
90         int j = scantable[i];
91         int sign = block[j] >> 31;
92         int level = (block[j] ^ sign) - sign;
93         level = level * qmat[j] >> DNX10BIT_QMAT_SHIFT;
94         block[j] = (level ^ sign) - sign;
95         if (level)
96             last_non_zero = i;
97     }
98
99     return last_non_zero;
100 }
101
102 static int dnxhd_init_vlc(DNXHDEncContext *ctx)
103 {
104     int i, j, level, run;
105     int max_level = 1<<(ctx->cid_table->bit_depth+2);
106
107     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->vlc_codes, max_level*4*sizeof(*ctx->vlc_codes), fail);
108     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->vlc_bits,  max_level*4*sizeof(*ctx->vlc_bits) , fail);
109     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->run_codes, 63*2,                                fail);
110     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->run_bits,  63,                                  fail);
111
112     ctx->vlc_codes += max_level*2;
113     ctx->vlc_bits  += max_level*2;
114     for (level = -max_level; level < max_level; level++) {
115         for (run = 0; run < 2; run++) {
116             int index = (level<<1)|run;
117             int sign, offset = 0, alevel = level;
118
119             MASK_ABS(sign, alevel);
120             if (alevel > 64) {
121                 offset = (alevel-1)>>6;
122                 alevel -= offset<<6;
123             }
124             for (j = 0; j < 257; j++) {
125                 if (ctx->cid_table->ac_level[j] == alevel &&
126                     (!offset || (ctx->cid_table->ac_index_flag[j] && offset)) &&
127                     (!run    || (ctx->cid_table->ac_run_flag  [j] && run))) {
128                     assert(!ctx->vlc_codes[index]);
129                     if (alevel) {
130                         ctx->vlc_codes[index] = (ctx->cid_table->ac_codes[j]<<1)|(sign&1);
131                         ctx->vlc_bits [index] = ctx->cid_table->ac_bits[j]+1;
132                     } else {
133                         ctx->vlc_codes[index] = ctx->cid_table->ac_codes[j];
134                         ctx->vlc_bits [index] = ctx->cid_table->ac_bits [j];
135                     }
136                     break;
137                 }
138             }
139             assert(!alevel || j < 257);
140             if (offset) {
141                 ctx->vlc_codes[index] = (ctx->vlc_codes[index]<<ctx->cid_table->index_bits)|offset;
142                 ctx->vlc_bits [index]+= ctx->cid_table->index_bits;
143             }
144         }
145     }
146     for (i = 0; i < 62; i++) {
147         int run = ctx->cid_table->run[i];
148         assert(run < 63);
149         ctx->run_codes[run] = ctx->cid_table->run_codes[i];
150         ctx->run_bits [run] = ctx->cid_table->run_bits[i];
151     }
152     return 0;
153  fail:
154     return -1;
155 }
156
157 static int dnxhd_init_qmat(DNXHDEncContext *ctx, int lbias, int cbias)
158 {
159     // init first elem to 1 to avoid div by 0 in convert_matrix
160     uint16_t weight_matrix[64] = {1,}; // convert_matrix needs uint16_t*
161     int qscale, i;
162     const uint8_t *luma_weight_table   = ctx->cid_table->luma_weight;
163     const uint8_t *chroma_weight_table = ctx->cid_table->chroma_weight;
164
165     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_l,   (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 *     sizeof(int),      fail);
166     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_c,   (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 *     sizeof(int),      fail);
167     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_l16, (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 * 2 * sizeof(uint16_t), fail);
168     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_c16, (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 * 2 * sizeof(uint16_t), fail);
169
170     if (ctx->cid_table->bit_depth == 8) {
171         for (i = 1; i < 64; i++) {
172             int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
173             weight_matrix[j] = ctx->cid_table->luma_weight[i];
174         }
175         ff_convert_matrix(&ctx->m.dsp, ctx->qmatrix_l, ctx->qmatrix_l16, weight_matrix,
176                           ctx->m.intra_quant_bias, 1, ctx->m.avctx->qmax, 1);
177         for (i = 1; i < 64; i++) {
178             int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
179             weight_matrix[j] = ctx->cid_table->chroma_weight[i];
180         }
181         ff_convert_matrix(&ctx->m.dsp, ctx->qmatrix_c, ctx->qmatrix_c16, weight_matrix,
182                           ctx->m.intra_quant_bias, 1, ctx->m.avctx->qmax, 1);
183
184         for (qscale = 1; qscale <= ctx->m.avctx->qmax; qscale++) {
185             for (i = 0; i < 64; i++) {
186                 ctx->qmatrix_l  [qscale]   [i] <<= 2; ctx->qmatrix_c  [qscale]   [i] <<= 2;
187                 ctx->qmatrix_l16[qscale][0][i] <<= 2; ctx->qmatrix_l16[qscale][1][i] <<= 2;
188                 ctx->qmatrix_c16[qscale][0][i] <<= 2; ctx->qmatrix_c16[qscale][1][i] <<= 2;
189             }
190         }
191     } else {
192         // 10-bit
193         for (qscale = 1; qscale <= ctx->m.avctx->qmax; qscale++) {
194             for (i = 1; i < 64; i++) {
195                 int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
196
197                 // The quantization formula from the VC-3 standard is:
198                 // quantized = sign(block[i]) * floor(abs(block[i]/s) * p / (qscale * weight_table[i]))
199                 // Where p is 32 for 8-bit samples and 8 for 10-bit ones.
200                 // The s factor compensates scaling of DCT coefficients done by the DCT routines,
201                 // and therefore is not present in standard.  It's 8 for 8-bit samples and 4 for 10-bit ones.
202                 // We want values of ctx->qtmatrix_l and ctx->qtmatrix_r to be:
203                 // ((1 << DNX10BIT_QMAT_SHIFT) * (p / s)) / (qscale * weight_table[i])
204                 // For 10-bit samples, p / s == 2
205                 ctx->qmatrix_l[qscale][j] = (1 << (DNX10BIT_QMAT_SHIFT + 1)) / (qscale * luma_weight_table[i]);
206                 ctx->qmatrix_c[qscale][j] = (1 << (DNX10BIT_QMAT_SHIFT + 1)) / (qscale * chroma_weight_table[i]);
207             }
208         }
209     }
210
211     return 0;
212  fail:
213     return -1;
214 }
215
216 static int dnxhd_init_rc(DNXHDEncContext *ctx)
217 {
218     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_rc, 8160*ctx->m.avctx->qmax*sizeof(RCEntry), fail);
219     if (ctx->m.avctx->mb_decision != FF_MB_DECISION_RD)
220         FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_cmp, ctx->m.mb_num*sizeof(RCCMPEntry), fail);
221
222     ctx->frame_bits = (ctx->cid_table->coding_unit_size - 640 - 4 - ctx->min_padding) * 8;
223     ctx->qscale = 1;
224     ctx->lambda = 2<<LAMBDA_FRAC_BITS; // qscale 2
225     return 0;
226  fail:
227     return -1;
228 }
229
230 static int dnxhd_encode_init(AVCodecContext *avctx)
231 {
232     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
233     int i, index, bit_depth;
234
235     switch (avctx->pix_fmt) {
236     case PIX_FMT_YUV422P:
237         bit_depth = 8;
238         break;
239     case PIX_FMT_YUV422P10:
240         bit_depth = 10;
241         break;
242     default:
243         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "pixel format is incompatible with DNxHD\n");
244         return -1;
245     }
246
247     ctx->cid = ff_dnxhd_find_cid(avctx, bit_depth);
248     if (!ctx->cid) {
249         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "video parameters incompatible with DNxHD\n");
250         return -1;
251     }
252     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "cid %d\n", ctx->cid);
253
254     index = ff_dnxhd_get_cid_table(ctx->cid);
255     ctx->cid_table = &ff_dnxhd_cid_table[index];
256
257     ctx->m.avctx = avctx;
258     ctx->m.mb_intra = 1;
259     ctx->m.h263_aic = 1;
260
261     avctx->bits_per_raw_sample = ctx->cid_table->bit_depth;
262
263     dsputil_init(&ctx->m.dsp, avctx);
264     ff_dct_common_init(&ctx->m);
265     if (!ctx->m.dct_quantize)
266         ctx->m.dct_quantize = dct_quantize_c;
267
268     if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
269        ctx->m.dct_quantize = dnxhd_10bit_dct_quantize;
270        ctx->get_pixels_8x4_sym = dnxhd_10bit_get_pixels_8x4_sym;
271        ctx->block_width_l2 = 4;
272     } else {
273        ctx->get_pixels_8x4_sym = dnxhd_8bit_get_pixels_8x4_sym;
274        ctx->block_width_l2 = 3;
275     }
276
277 #if HAVE_MMX
278     ff_dnxhd_init_mmx(ctx);
279 #endif
280
281     ctx->m.mb_height = (avctx->height + 15) / 16;
282     ctx->m.mb_width  = (avctx->width  + 15) / 16;
283
284     if (avctx->flags & CODEC_FLAG_INTERLACED_DCT) {
285         ctx->interlaced = 1;
286         ctx->m.mb_height /= 2;
287     }
288
289     ctx->m.mb_num = ctx->m.mb_height * ctx->m.mb_width;
290
291     if (avctx->intra_quant_bias != FF_DEFAULT_QUANT_BIAS)
292         ctx->m.intra_quant_bias = avctx->intra_quant_bias;
293     if (dnxhd_init_qmat(ctx, ctx->m.intra_quant_bias, 0) < 0) // XXX tune lbias/cbias
294         return -1;
295
296     // Avid Nitris hardware decoder requires a minimum amount of padding in the coding unit payload
297     if (ctx->nitris_compat)
298         ctx->min_padding = 1600;
299
300     if (dnxhd_init_vlc(ctx) < 0)
301         return -1;
302     if (dnxhd_init_rc(ctx) < 0)
303         return -1;
304
305     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->slice_size, ctx->m.mb_height*sizeof(uint32_t), fail);
306     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->slice_offs, ctx->m.mb_height*sizeof(uint32_t), fail);
307     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_bits,    ctx->m.mb_num   *sizeof(uint16_t), fail);
308     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_qscale,  ctx->m.mb_num   *sizeof(uint8_t),  fail);
309
310     ctx->frame.key_frame = 1;
311     ctx->frame.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_I;
312     ctx->m.avctx->coded_frame = &ctx->frame;
313
314     if (avctx->thread_count > MAX_THREADS) {
315         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "too many threads\n");
316         return -1;
317     }
318
319     ctx->thread[0] = ctx;
320     for (i = 1; i < avctx->thread_count; i++) {
321         ctx->thread[i] =  av_malloc(sizeof(DNXHDEncContext));
322         memcpy(ctx->thread[i], ctx, sizeof(DNXHDEncContext));
323     }
324
325     return 0;
326  fail: //for FF_ALLOCZ_OR_GOTO
327     return -1;
328 }
329
330 static int dnxhd_write_header(AVCodecContext *avctx, uint8_t *buf)
331 {
332     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
333     const uint8_t header_prefix[5] = { 0x00,0x00,0x02,0x80,0x01 };
334
335     memset(buf, 0, 640);
336
337     memcpy(buf, header_prefix, 5);
338     buf[5] = ctx->interlaced ? ctx->cur_field+2 : 0x01;
339     buf[6] = 0x80; // crc flag off
340     buf[7] = 0xa0; // reserved
341     AV_WB16(buf + 0x18, avctx->height>>ctx->interlaced); // ALPF
342     AV_WB16(buf + 0x1a, avctx->width);  // SPL
343     AV_WB16(buf + 0x1d, avctx->height>>ctx->interlaced); // NAL
344
345     buf[0x21] = ctx->cid_table->bit_depth == 10 ? 0x58 : 0x38;
346     buf[0x22] = 0x88 + (ctx->interlaced<<2);
347     AV_WB32(buf + 0x28, ctx->cid); // CID
348     buf[0x2c] = ctx->interlaced ? 0 : 0x80;
349
350     buf[0x5f] = 0x01; // UDL
351
352     buf[0x167] = 0x02; // reserved
353     AV_WB16(buf + 0x16a, ctx->m.mb_height * 4 + 4); // MSIPS
354     buf[0x16d] = ctx->m.mb_height; // Ns
355     buf[0x16f] = 0x10; // reserved
356
357     ctx->msip = buf + 0x170;
358     return 0;
359 }
360
361 static av_always_inline void dnxhd_encode_dc(DNXHDEncContext *ctx, int diff)
362 {
363     int nbits;
364     if (diff < 0) {
365         nbits = av_log2_16bit(-2*diff);
366         diff--;
367     } else {
368         nbits = av_log2_16bit(2*diff);
369     }
370     put_bits(&ctx->m.pb, ctx->cid_table->dc_bits[nbits] + nbits,
371              (ctx->cid_table->dc_codes[nbits]<<nbits) + (diff & ((1 << nbits) - 1)));
372 }
373
374 static av_always_inline void dnxhd_encode_block(DNXHDEncContext *ctx, DCTELEM *block, int last_index, int n)
375 {
376     int last_non_zero = 0;
377     int slevel, i, j;
378
379     dnxhd_encode_dc(ctx, block[0] - ctx->m.last_dc[n]);
380     ctx->m.last_dc[n] = block[0];
381
382     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
383         j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
384         slevel = block[j];
385         if (slevel) {
386             int run_level = i - last_non_zero - 1;
387             int rlevel = (slevel<<1)|!!run_level;
388             put_bits(&ctx->m.pb, ctx->vlc_bits[rlevel], ctx->vlc_codes[rlevel]);
389             if (run_level)
390                 put_bits(&ctx->m.pb, ctx->run_bits[run_level], ctx->run_codes[run_level]);
391             last_non_zero = i;
392         }
393     }
394     put_bits(&ctx->m.pb, ctx->vlc_bits[0], ctx->vlc_codes[0]); // EOB
395 }
396
397 static av_always_inline void dnxhd_unquantize_c(DNXHDEncContext *ctx, DCTELEM *block, int n, int qscale, int last_index)
398 {
399     const uint8_t *weight_matrix;
400     int level;
401     int i;
402
403     weight_matrix = (n&2) ? ctx->cid_table->chroma_weight : ctx->cid_table->luma_weight;
404
405     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
406         int j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
407         level = block[j];
408         if (level) {
409             if (level < 0) {
410                 level = (1-2*level) * qscale * weight_matrix[i];
411                 if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
412                     if (weight_matrix[i] != 8)
413                         level += 8;
414                     level >>= 4;
415                 } else {
416                     if (weight_matrix[i] != 32)
417                         level += 32;
418                     level >>= 6;
419                 }
420                 level = -level;
421             } else {
422                 level = (2*level+1) * qscale * weight_matrix[i];
423                 if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
424                     if (weight_matrix[i] != 8)
425                         level += 8;
426                     level >>= 4;
427                 } else {
428                     if (weight_matrix[i] != 32)
429                         level += 32;
430                     level >>= 6;
431                 }
432             }
433             block[j] = level;
434         }
435     }
436 }
437
438 static av_always_inline int dnxhd_ssd_block(DCTELEM *qblock, DCTELEM *block)
439 {
440     int score = 0;
441     int i;
442     for (i = 0; i < 64; i++)
443         score += (block[i] - qblock[i]) * (block[i] - qblock[i]);
444     return score;
445 }
446
447 static av_always_inline int dnxhd_calc_ac_bits(DNXHDEncContext *ctx, DCTELEM *block, int last_index)
448 {
449     int last_non_zero = 0;
450     int bits = 0;
451     int i, j, level;
452     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
453         j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
454         level = block[j];
455         if (level) {
456             int run_level = i - last_non_zero - 1;
457             bits += ctx->vlc_bits[(level<<1)|!!run_level]+ctx->run_bits[run_level];
458             last_non_zero = i;
459         }
460     }
461     return bits;
462 }
463
464 static av_always_inline void dnxhd_get_blocks(DNXHDEncContext *ctx, int mb_x, int mb_y)
465 {
466     const int bs = ctx->block_width_l2;
467     const int bw = 1 << bs;
468     const uint8_t *ptr_y = ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y << 4) * ctx->m.linesize)   + (mb_x << bs+1);
469     const uint8_t *ptr_u = ctx->thread[0]->src[1] + ((mb_y << 4) * ctx->m.uvlinesize) + (mb_x << bs);
470     const uint8_t *ptr_v = ctx->thread[0]->src[2] + ((mb_y << 4) * ctx->m.uvlinesize) + (mb_x << bs);
471     DSPContext *dsp = &ctx->m.dsp;
472
473     dsp->get_pixels(ctx->blocks[0], ptr_y,      ctx->m.linesize);
474     dsp->get_pixels(ctx->blocks[1], ptr_y + bw, ctx->m.linesize);
475     dsp->get_pixels(ctx->blocks[2], ptr_u,      ctx->m.uvlinesize);
476     dsp->get_pixels(ctx->blocks[3], ptr_v,      ctx->m.uvlinesize);
477
478     if (mb_y+1 == ctx->m.mb_height && ctx->m.avctx->height == 1080) {
479         if (ctx->interlaced) {
480             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[4], ptr_y + ctx->dct_y_offset,      ctx->m.linesize);
481             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[5], ptr_y + ctx->dct_y_offset + bw, ctx->m.linesize);
482             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[6], ptr_u + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
483             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[7], ptr_v + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
484         } else {
485             dsp->clear_block(ctx->blocks[4]);
486             dsp->clear_block(ctx->blocks[5]);
487             dsp->clear_block(ctx->blocks[6]);
488             dsp->clear_block(ctx->blocks[7]);
489         }
490     } else {
491         dsp->get_pixels(ctx->blocks[4], ptr_y + ctx->dct_y_offset,      ctx->m.linesize);
492         dsp->get_pixels(ctx->blocks[5], ptr_y + ctx->dct_y_offset + bw, ctx->m.linesize);
493         dsp->get_pixels(ctx->blocks[6], ptr_u + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
494         dsp->get_pixels(ctx->blocks[7], ptr_v + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
495     }
496 }
497
498 static av_always_inline int dnxhd_switch_matrix(DNXHDEncContext *ctx, int i)
499 {
500     if (i&2) {
501         ctx->m.q_intra_matrix16 = ctx->qmatrix_c16;
502         ctx->m.q_intra_matrix   = ctx->qmatrix_c;
503         return 1 + (i&1);
504     } else {
505         ctx->m.q_intra_matrix16 = ctx->qmatrix_l16;
506         ctx->m.q_intra_matrix   = ctx->qmatrix_l;
507         return 0;
508     }
509 }
510
511 static int dnxhd_calc_bits_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
512 {
513     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
514     int mb_y = jobnr, mb_x;
515     int qscale = ctx->qscale;
516     LOCAL_ALIGNED_16(DCTELEM, block, [64]);
517     ctx = ctx->thread[threadnr];
518
519     ctx->m.last_dc[0] =
520     ctx->m.last_dc[1] =
521     ctx->m.last_dc[2] = 1 << (ctx->cid_table->bit_depth + 2);
522
523     for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
524         unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
525         int ssd     = 0;
526         int ac_bits = 0;
527         int dc_bits = 0;
528         int i;
529
530         dnxhd_get_blocks(ctx, mb_x, mb_y);
531
532         for (i = 0; i < 8; i++) {
533             DCTELEM *src_block = ctx->blocks[i];
534             int overflow, nbits, diff, last_index;
535             int n = dnxhd_switch_matrix(ctx, i);
536
537             memcpy(block, src_block, 64*sizeof(*block));
538             last_index = ctx->m.dct_quantize(&ctx->m, block, i, qscale, &overflow);
539             ac_bits += dnxhd_calc_ac_bits(ctx, block, last_index);
540
541             diff = block[0] - ctx->m.last_dc[n];
542             if (diff < 0) nbits = av_log2_16bit(-2*diff);
543             else          nbits = av_log2_16bit( 2*diff);
544
545             assert(nbits < ctx->cid_table->bit_depth + 4);
546             dc_bits += ctx->cid_table->dc_bits[nbits] + nbits;
547
548             ctx->m.last_dc[n] = block[0];
549
550             if (avctx->mb_decision == FF_MB_DECISION_RD || !RC_VARIANCE) {
551                 dnxhd_unquantize_c(ctx, block, i, qscale, last_index);
552                 ctx->m.dsp.idct(block);
553                 ssd += dnxhd_ssd_block(block, src_block);
554             }
555         }
556         ctx->mb_rc[qscale][mb].ssd = ssd;
557         ctx->mb_rc[qscale][mb].bits = ac_bits+dc_bits+12+8*ctx->vlc_bits[0];
558     }
559     return 0;
560 }
561
562 static int dnxhd_encode_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
563 {
564     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
565     int mb_y = jobnr, mb_x;
566     ctx = ctx->thread[threadnr];
567     init_put_bits(&ctx->m.pb, (uint8_t *)arg + 640 + ctx->slice_offs[jobnr], ctx->slice_size[jobnr]);
568
569     ctx->m.last_dc[0] =
570     ctx->m.last_dc[1] =
571     ctx->m.last_dc[2] = 1 << (ctx->cid_table->bit_depth + 2);
572     for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
573         unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
574         int qscale = ctx->mb_qscale[mb];
575         int i;
576
577         put_bits(&ctx->m.pb, 12, qscale<<1);
578
579         dnxhd_get_blocks(ctx, mb_x, mb_y);
580
581         for (i = 0; i < 8; i++) {
582             DCTELEM *block = ctx->blocks[i];
583             int last_index, overflow;
584             int n = dnxhd_switch_matrix(ctx, i);
585             last_index = ctx->m.dct_quantize(&ctx->m, block, i, qscale, &overflow);
586             //START_TIMER;
587             dnxhd_encode_block(ctx, block, last_index, n);
588             //STOP_TIMER("encode_block");
589         }
590     }
591     if (put_bits_count(&ctx->m.pb)&31)
592         put_bits(&ctx->m.pb, 32-(put_bits_count(&ctx->m.pb)&31), 0);
593     flush_put_bits(&ctx->m.pb);
594     return 0;
595 }
596
597 static void dnxhd_setup_threads_slices(DNXHDEncContext *ctx)
598 {
599     int mb_y, mb_x;
600     int offset = 0;
601     for (mb_y = 0; mb_y < ctx->m.mb_height; mb_y++) {
602         int thread_size;
603         ctx->slice_offs[mb_y] = offset;
604         ctx->slice_size[mb_y] = 0;
605         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
606             unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
607             ctx->slice_size[mb_y] += ctx->mb_bits[mb];
608         }
609         ctx->slice_size[mb_y] = (ctx->slice_size[mb_y]+31)&~31;
610         ctx->slice_size[mb_y] >>= 3;
611         thread_size = ctx->slice_size[mb_y];
612         offset += thread_size;
613     }
614 }
615
616 static int dnxhd_mb_var_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
617 {
618     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
619     int mb_y = jobnr, mb_x;
620     ctx = ctx->thread[threadnr];
621     if (ctx->cid_table->bit_depth == 8) {
622         uint8_t *pix = ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y<<4) * ctx->m.linesize);
623         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; ++mb_x, pix += 16) {
624             unsigned mb  = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
625             int sum = ctx->m.dsp.pix_sum(pix, ctx->m.linesize);
626             int varc = (ctx->m.dsp.pix_norm1(pix, ctx->m.linesize) - (((unsigned)sum*sum)>>8)+128)>>8;
627             ctx->mb_cmp[mb].value = varc;
628             ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
629         }
630     } else { // 10-bit
631         int const linesize = ctx->m.linesize >> 1;
632         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; ++mb_x) {
633             uint16_t *pix = (uint16_t*)ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y << 4) * linesize) + (mb_x << 4);
634             unsigned mb  = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
635             int sum = 0;
636             int sqsum = 0;
637             int mean, sqmean;
638             int i, j;
639             // Macroblocks are 16x16 pixels, unlike DCT blocks which are 8x8.
640             for (i = 0; i < 16; ++i) {
641                 for (j = 0; j < 16; ++j) {
642                     // Turn 16-bit pixels into 10-bit ones.
643                     int const sample = (unsigned)pix[j] >> 6;
644                     sum += sample;
645                     sqsum += sample * sample;
646                     // 2^10 * 2^10 * 16 * 16 = 2^28, which is less than INT_MAX
647                 }
648                 pix += linesize;
649             }
650             mean = sum >> 8; // 16*16 == 2^8
651             sqmean = sqsum >> 8;
652             ctx->mb_cmp[mb].value = sqmean - mean * mean;
653             ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
654         }
655     }
656     return 0;
657 }
658
659 static int dnxhd_encode_rdo(AVCodecContext *avctx, DNXHDEncContext *ctx)
660 {
661     int lambda, up_step, down_step;
662     int last_lower = INT_MAX, last_higher = 0;
663     int x, y, q;
664
665     for (q = 1; q < avctx->qmax; q++) {
666         ctx->qscale = q;
667         avctx->execute2(avctx, dnxhd_calc_bits_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
668     }
669     up_step = down_step = 2<<LAMBDA_FRAC_BITS;
670     lambda = ctx->lambda;
671
672     for (;;) {
673         int bits = 0;
674         int end = 0;
675         if (lambda == last_higher) {
676             lambda++;
677             end = 1; // need to set final qscales/bits
678         }
679         for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
680             for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++) {
681                 unsigned min = UINT_MAX;
682                 int qscale = 1;
683                 int mb = y*ctx->m.mb_width+x;
684                 for (q = 1; q < avctx->qmax; q++) {
685                     unsigned score = ctx->mb_rc[q][mb].bits*lambda+(ctx->mb_rc[q][mb].ssd<<LAMBDA_FRAC_BITS);
686                     if (score < min) {
687                         min = score;
688                         qscale = q;
689                     }
690                 }
691                 bits += ctx->mb_rc[qscale][mb].bits;
692                 ctx->mb_qscale[mb] = qscale;
693                 ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[qscale][mb].bits;
694             }
695             bits = (bits+31)&~31; // padding
696             if (bits > ctx->frame_bits)
697                 break;
698         }
699         //av_dlog(ctx->m.avctx, "lambda %d, up %u, down %u, bits %d, frame %d\n",
700         //        lambda, last_higher, last_lower, bits, ctx->frame_bits);
701         if (end) {
702             if (bits > ctx->frame_bits)
703                 return -1;
704             break;
705         }
706         if (bits < ctx->frame_bits) {
707             last_lower = FFMIN(lambda, last_lower);
708             if (last_higher != 0)
709                 lambda = (lambda+last_higher)>>1;
710             else
711                 lambda -= down_step;
712             down_step *= 5; // XXX tune ?
713             up_step = 1<<LAMBDA_FRAC_BITS;
714             lambda = FFMAX(1, lambda);
715             if (lambda == last_lower)
716                 break;
717         } else {
718             last_higher = FFMAX(lambda, last_higher);
719             if (last_lower != INT_MAX)
720                 lambda = (lambda+last_lower)>>1;
721             else if ((int64_t)lambda + up_step > INT_MAX)
722                 return -1;
723             else
724                 lambda += up_step;
725             up_step = FFMIN((int64_t)up_step*5, INT_MAX);
726             down_step = 1<<LAMBDA_FRAC_BITS;
727         }
728     }
729     //av_dlog(ctx->m.avctx, "out lambda %d\n", lambda);
730     ctx->lambda = lambda;
731     return 0;
732 }
733
734 static int dnxhd_find_qscale(DNXHDEncContext *ctx)
735 {
736     int bits = 0;
737     int up_step = 1;
738     int down_step = 1;
739     int last_higher = 0;
740     int last_lower = INT_MAX;
741     int qscale;
742     int x, y;
743
744     qscale = ctx->qscale;
745     for (;;) {
746         bits = 0;
747         ctx->qscale = qscale;
748         // XXX avoid recalculating bits
749         ctx->m.avctx->execute2(ctx->m.avctx, dnxhd_calc_bits_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
750         for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
751             for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++)
752                 bits += ctx->mb_rc[qscale][y*ctx->m.mb_width+x].bits;
753             bits = (bits+31)&~31; // padding
754             if (bits > ctx->frame_bits)
755                 break;
756         }
757         //av_dlog(ctx->m.avctx, "%d, qscale %d, bits %d, frame %d, higher %d, lower %d\n",
758         //        ctx->m.avctx->frame_number, qscale, bits, ctx->frame_bits, last_higher, last_lower);
759         if (bits < ctx->frame_bits) {
760             if (qscale == 1)
761                 return 1;
762             if (last_higher == qscale - 1) {
763                 qscale = last_higher;
764                 break;
765             }
766             last_lower = FFMIN(qscale, last_lower);
767             if (last_higher != 0)
768                 qscale = (qscale+last_higher)>>1;
769             else
770                 qscale -= down_step++;
771             if (qscale < 1)
772                 qscale = 1;
773             up_step = 1;
774         } else {
775             if (last_lower == qscale + 1)
776                 break;
777             last_higher = FFMAX(qscale, last_higher);
778             if (last_lower != INT_MAX)
779                 qscale = (qscale+last_lower)>>1;
780             else
781                 qscale += up_step++;
782             down_step = 1;
783             if (qscale >= ctx->m.avctx->qmax)
784                 return -1;
785         }
786     }
787     //av_dlog(ctx->m.avctx, "out qscale %d\n", qscale);
788     ctx->qscale = qscale;
789     return 0;
790 }
791
792 #define BUCKET_BITS 8
793 #define RADIX_PASSES 4
794 #define NBUCKETS (1 << BUCKET_BITS)
795
796 static inline int get_bucket(int value, int shift)
797 {
798     value >>= shift;
799     value &= NBUCKETS - 1;
800     return NBUCKETS - 1 - value;
801 }
802
803 static void radix_count(const RCCMPEntry *data, int size, int buckets[RADIX_PASSES][NBUCKETS])
804 {
805     int i, j;
806     memset(buckets, 0, sizeof(buckets[0][0]) * RADIX_PASSES * NBUCKETS);
807     for (i = 0; i < size; i++) {
808         int v = data[i].value;
809         for (j = 0; j < RADIX_PASSES; j++) {
810             buckets[j][get_bucket(v, 0)]++;
811             v >>= BUCKET_BITS;
812         }
813         assert(!v);
814     }
815     for (j = 0; j < RADIX_PASSES; j++) {
816         int offset = size;
817         for (i = NBUCKETS - 1; i >= 0; i--)
818             buckets[j][i] = offset -= buckets[j][i];
819         assert(!buckets[j][0]);
820     }
821 }
822
823 static void radix_sort_pass(RCCMPEntry *dst, const RCCMPEntry *data, int size, int buckets[NBUCKETS], int pass)
824 {
825     int shift = pass * BUCKET_BITS;
826     int i;
827     for (i = 0; i < size; i++) {
828         int v = get_bucket(data[i].value, shift);
829         int pos = buckets[v]++;
830         dst[pos] = data[i];
831     }
832 }
833
834 static void radix_sort(RCCMPEntry *data, int size)
835 {
836     int buckets[RADIX_PASSES][NBUCKETS];
837     RCCMPEntry *tmp = av_malloc(sizeof(*tmp) * size);
838     radix_count(data, size, buckets);
839     radix_sort_pass(tmp, data, size, buckets[0], 0);
840     radix_sort_pass(data, tmp, size, buckets[1], 1);
841     if (buckets[2][NBUCKETS - 1] || buckets[3][NBUCKETS - 1]) {
842         radix_sort_pass(tmp, data, size, buckets[2], 2);
843         radix_sort_pass(data, tmp, size, buckets[3], 3);
844     }
845     av_free(tmp);
846 }
847
848 static int dnxhd_encode_fast(AVCodecContext *avctx, DNXHDEncContext *ctx)
849 {
850     int max_bits = 0;
851     int ret, x, y;
852     if ((ret = dnxhd_find_qscale(ctx)) < 0)
853         return -1;
854     for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
855         for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++) {
856             int mb = y*ctx->m.mb_width+x;
857             int delta_bits;
858             ctx->mb_qscale[mb] = ctx->qscale;
859             ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits;
860             max_bits += ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits;
861             if (!RC_VARIANCE) {
862                 delta_bits = ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits-ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
863                 ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
864                 ctx->mb_cmp[mb].value = delta_bits ?
865                     ((ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].ssd-ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].ssd)*100)/delta_bits
866                     : INT_MIN; //avoid increasing qscale
867             }
868         }
869         max_bits += 31; //worst padding
870     }
871     if (!ret) {
872         if (RC_VARIANCE)
873             avctx->execute2(avctx, dnxhd_mb_var_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
874         radix_sort(ctx->mb_cmp, ctx->m.mb_num);
875         for (x = 0; x < ctx->m.mb_num && max_bits > ctx->frame_bits; x++) {
876             int mb = ctx->mb_cmp[x].mb;
877             max_bits -= ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits - ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
878             ctx->mb_qscale[mb] = ctx->qscale+1;
879             ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
880         }
881     }
882     return 0;
883 }
884
885 static void dnxhd_load_picture(DNXHDEncContext *ctx, const AVFrame *frame)
886 {
887     int i;
888
889     for (i = 0; i < 3; i++) {
890         ctx->frame.data[i]     = frame->data[i];
891         ctx->frame.linesize[i] = frame->linesize[i];
892     }
893
894     for (i = 0; i < ctx->m.avctx->thread_count; i++) {
895         ctx->thread[i]->m.linesize    = ctx->frame.linesize[0]<<ctx->interlaced;
896         ctx->thread[i]->m.uvlinesize  = ctx->frame.linesize[1]<<ctx->interlaced;
897         ctx->thread[i]->dct_y_offset  = ctx->m.linesize  *8;
898         ctx->thread[i]->dct_uv_offset = ctx->m.uvlinesize*8;
899     }
900
901     ctx->frame.interlaced_frame = frame->interlaced_frame;
902     ctx->cur_field = frame->interlaced_frame && !frame->top_field_first;
903 }
904
905 static int dnxhd_encode_picture(AVCodecContext *avctx, unsigned char *buf, int buf_size, void *data)
906 {
907     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
908     int first_field = 1;
909     int offset, i, ret;
910
911     if (buf_size < ctx->cid_table->frame_size) {
912         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "output buffer is too small to compress picture\n");
913         return -1;
914     }
915
916     dnxhd_load_picture(ctx, data);
917
918  encode_coding_unit:
919     for (i = 0; i < 3; i++) {
920         ctx->src[i] = ctx->frame.data[i];
921         if (ctx->interlaced && ctx->cur_field)
922             ctx->src[i] += ctx->frame.linesize[i];
923     }
924
925     dnxhd_write_header(avctx, buf);
926
927     if (avctx->mb_decision == FF_MB_DECISION_RD)
928         ret = dnxhd_encode_rdo(avctx, ctx);
929     else
930         ret = dnxhd_encode_fast(avctx, ctx);
931     if (ret < 0) {
932         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR,
933                "picture could not fit ratecontrol constraints, increase qmax\n");
934         return -1;
935     }
936
937     dnxhd_setup_threads_slices(ctx);
938
939     offset = 0;
940     for (i = 0; i < ctx->m.mb_height; i++) {
941         AV_WB32(ctx->msip + i * 4, offset);
942         offset += ctx->slice_size[i];
943         assert(!(ctx->slice_size[i] & 3));
944     }
945
946     avctx->execute2(avctx, dnxhd_encode_thread, buf, NULL, ctx->m.mb_height);
947
948     assert(640 + offset + 4 <= ctx->cid_table->coding_unit_size);
949     memset(buf + 640 + offset, 0, ctx->cid_table->coding_unit_size - 4 - offset - 640);
950
951     AV_WB32(buf + ctx->cid_table->coding_unit_size - 4, 0x600DC0DE); // EOF
952
953     if (ctx->interlaced && first_field) {
954         first_field     = 0;
955         ctx->cur_field ^= 1;
956         buf      += ctx->cid_table->coding_unit_size;
957         buf_size -= ctx->cid_table->coding_unit_size;
958         goto encode_coding_unit;
959     }
960
961     ctx->frame.quality = ctx->qscale*FF_QP2LAMBDA;
962
963     return ctx->cid_table->frame_size;
964 }
965
966 static int dnxhd_encode_end(AVCodecContext *avctx)
967 {
968     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
969     int max_level = 1<<(ctx->cid_table->bit_depth+2);
970     int i;
971
972     av_free(ctx->vlc_codes-max_level*2);
973     av_free(ctx->vlc_bits -max_level*2);
974     av_freep(&ctx->run_codes);
975     av_freep(&ctx->run_bits);
976
977     av_freep(&ctx->mb_bits);
978     av_freep(&ctx->mb_qscale);
979     av_freep(&ctx->mb_rc);
980     av_freep(&ctx->mb_cmp);
981     av_freep(&ctx->slice_size);
982     av_freep(&ctx->slice_offs);
983
984     av_freep(&ctx->qmatrix_c);
985     av_freep(&ctx->qmatrix_l);
986     av_freep(&ctx->qmatrix_c16);
987     av_freep(&ctx->qmatrix_l16);
988
989     for (i = 1; i < avctx->thread_count; i++)
990         av_freep(&ctx->thread[i]);
991
992     return 0;
993 }
994
995 AVCodec ff_dnxhd_encoder = {
996     .name           = "dnxhd",
997     .type           = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
998     .id             = CODEC_ID_DNXHD,
999     .priv_data_size = sizeof(DNXHDEncContext),
1000     .init           = dnxhd_encode_init,
1001     .encode         = dnxhd_encode_picture,
1002     .close          = dnxhd_encode_end,
1003     .capabilities = CODEC_CAP_SLICE_THREADS,
1004     .pix_fmts = (const enum PixelFormat[]){PIX_FMT_YUV422P, PIX_FMT_YUV422P10, PIX_FMT_NONE},
1005     .long_name = NULL_IF_CONFIG_SMALL("VC3/DNxHD"),
1006     .priv_class = &class,
1007 };