dither lpc cpeffs
[ffmpeg.git] / libavcodec / flacenc.c
1 /**
2  * FLAC audio encoder
3  * Copyright (c) 2006  Justin Ruggles <jruggle@earthlink.net>
4  *
5  * This library is free software; you can redistribute it and/or
6  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
7  * License as published by the Free Software Foundation; either
8  * version 2 of the License, or (at your option) any later version.
9  *
10  * This library is distributed in the hope that it will be useful,
11  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
12  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
13  * Lesser General Public License for more details.
14  *
15  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
16  * License along with this library; if not, write to the Free Software
17  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
18  */
19
20 #include "avcodec.h"
21 #include "bitstream.h"
22 #include "crc.h"
23 #include "golomb.h"
24
25 #define FLAC_MAX_CH  8
26 #define FLAC_MIN_BLOCKSIZE  16
27 #define FLAC_MAX_BLOCKSIZE  65535
28
29 #define FLAC_SUBFRAME_CONSTANT  0
30 #define FLAC_SUBFRAME_VERBATIM  1
31 #define FLAC_SUBFRAME_FIXED     8
32 #define FLAC_SUBFRAME_LPC      32
33
34 #define FLAC_CHMODE_NOT_STEREO      0
35 #define FLAC_CHMODE_LEFT_RIGHT      1
36 #define FLAC_CHMODE_LEFT_SIDE       8
37 #define FLAC_CHMODE_RIGHT_SIDE      9
38 #define FLAC_CHMODE_MID_SIDE       10
39
40 #define ORDER_METHOD_EST     0
41 #define ORDER_METHOD_2LEVEL  1
42 #define ORDER_METHOD_4LEVEL  2
43 #define ORDER_METHOD_8LEVEL  3
44 #define ORDER_METHOD_SEARCH  4
45
46 #define FLAC_STREAMINFO_SIZE  34
47
48 #define MIN_LPC_ORDER       1
49 #define MAX_LPC_ORDER      32
50 #define MAX_FIXED_ORDER     4
51 #define MAX_PARTITION_ORDER 8
52 #define MAX_PARTITIONS     (1 << MAX_PARTITION_ORDER)
53 #define MAX_LPC_PRECISION  15
54 #define MAX_LPC_SHIFT      15
55 #define MAX_RICE_PARAM     14
56
57 typedef struct CompressionOptions {
58     int compression_level;
59     int block_time_ms;
60     int use_lpc;
61     int lpc_coeff_precision;
62     int min_prediction_order;
63     int max_prediction_order;
64     int prediction_order_method;
65     int min_partition_order;
66     int max_partition_order;
67 } CompressionOptions;
68
69 typedef struct RiceContext {
70     int porder;
71     int params[MAX_PARTITIONS];
72 } RiceContext;
73
74 typedef struct FlacSubframe {
75     int type;
76     int type_code;
77     int obits;
78     int order;
79     int32_t coefs[MAX_LPC_ORDER];
80     int shift;
81     RiceContext rc;
82     int32_t samples[FLAC_MAX_BLOCKSIZE];
83     int32_t residual[FLAC_MAX_BLOCKSIZE];
84 } FlacSubframe;
85
86 typedef struct FlacFrame {
87     FlacSubframe subframes[FLAC_MAX_CH];
88     int blocksize;
89     int bs_code[2];
90     uint8_t crc8;
91     int ch_mode;
92 } FlacFrame;
93
94 typedef struct FlacEncodeContext {
95     PutBitContext pb;
96     int channels;
97     int ch_code;
98     int samplerate;
99     int sr_code[2];
100     int blocksize;
101     int max_framesize;
102     uint32_t frame_count;
103     FlacFrame frame;
104     CompressionOptions options;
105     AVCodecContext *avctx;
106 } FlacEncodeContext;
107
108 static const int flac_samplerates[16] = {
109     0, 0, 0, 0,
110     8000, 16000, 22050, 24000, 32000, 44100, 48000, 96000,
111     0, 0, 0, 0
112 };
113
114 static const int flac_blocksizes[16] = {
115     0,
116     192,
117     576, 1152, 2304, 4608,
118     0, 0,
119     256, 512, 1024, 2048, 4096, 8192, 16384, 32768
120 };
121
122 /**
123  * Writes streaminfo metadata block to byte array
124  */
125 static void write_streaminfo(FlacEncodeContext *s, uint8_t *header)
126 {
127     PutBitContext pb;
128
129     memset(header, 0, FLAC_STREAMINFO_SIZE);
130     init_put_bits(&pb, header, FLAC_STREAMINFO_SIZE);
131
132     /* streaminfo metadata block */
133     put_bits(&pb, 16, s->blocksize);
134     put_bits(&pb, 16, s->blocksize);
135     put_bits(&pb, 24, 0);
136     put_bits(&pb, 24, s->max_framesize);
137     put_bits(&pb, 20, s->samplerate);
138     put_bits(&pb, 3, s->channels-1);
139     put_bits(&pb, 5, 15);       /* bits per sample - 1 */
140     flush_put_bits(&pb);
141     /* total samples = 0 */
142     /* MD5 signature = 0 */
143 }
144
145 /**
146  * Sets blocksize based on samplerate
147  * Chooses the closest predefined blocksize >= BLOCK_TIME_MS milliseconds
148  */
149 static int select_blocksize(int samplerate, int block_time_ms)
150 {
151     int i;
152     int target;
153     int blocksize;
154
155     assert(samplerate > 0);
156     blocksize = flac_blocksizes[1];
157     target = (samplerate * block_time_ms) / 1000;
158     for(i=0; i<16; i++) {
159         if(target >= flac_blocksizes[i] && flac_blocksizes[i] > blocksize) {
160             blocksize = flac_blocksizes[i];
161         }
162     }
163     return blocksize;
164 }
165
166 static int flac_encode_init(AVCodecContext *avctx)
167 {
168     int freq = avctx->sample_rate;
169     int channels = avctx->channels;
170     FlacEncodeContext *s = avctx->priv_data;
171     int i, level;
172     uint8_t *streaminfo;
173
174     s->avctx = avctx;
175
176     if(avctx->sample_fmt != SAMPLE_FMT_S16) {
177         return -1;
178     }
179
180     if(channels < 1 || channels > FLAC_MAX_CH) {
181         return -1;
182     }
183     s->channels = channels;
184     s->ch_code = s->channels-1;
185
186     /* find samplerate in table */
187     if(freq < 1)
188         return -1;
189     for(i=4; i<12; i++) {
190         if(freq == flac_samplerates[i]) {
191             s->samplerate = flac_samplerates[i];
192             s->sr_code[0] = i;
193             s->sr_code[1] = 0;
194             break;
195         }
196     }
197     /* if not in table, samplerate is non-standard */
198     if(i == 12) {
199         if(freq % 1000 == 0 && freq < 255000) {
200             s->sr_code[0] = 12;
201             s->sr_code[1] = freq / 1000;
202         } else if(freq % 10 == 0 && freq < 655350) {
203             s->sr_code[0] = 14;
204             s->sr_code[1] = freq / 10;
205         } else if(freq < 65535) {
206             s->sr_code[0] = 13;
207             s->sr_code[1] = freq;
208         } else {
209             return -1;
210         }
211         s->samplerate = freq;
212     }
213
214     /* set compression option defaults based on avctx->compression_level */
215     if(avctx->compression_level < 0) {
216         s->options.compression_level = 5;
217     } else {
218         s->options.compression_level = avctx->compression_level;
219     }
220     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " compression: %d\n", s->options.compression_level);
221
222     level= s->options.compression_level;
223     if(level > 5) {
224         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid compression level: %d\n",
225                s->options.compression_level);
226         return -1;
227     }
228
229     s->options.block_time_ms       = ((int[]){ 27, 27, 27,105,105,105})[level];
230     s->options.use_lpc             = ((int[]){  0,  0,  0,  1,  1,  1})[level];
231     s->options.min_prediction_order= ((int[]){  2,  0,  0,  1,  1,  1})[level];
232     s->options.max_prediction_order= ((int[]){  3,  4,  4,  6,  8,  8})[level];
233     s->options.prediction_order_method = ORDER_METHOD_EST;
234     s->options.min_partition_order = ((int[]){  2,  2,  0,  0,  0,  0})[level];
235     s->options.max_partition_order = ((int[]){  2,  2,  3,  3,  3,  8})[level];
236
237     /* set compression option overrides from AVCodecContext */
238     if(avctx->use_lpc >= 0) {
239         s->options.use_lpc = !!avctx->use_lpc;
240     }
241     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " use lpc: %s\n",
242            s->options.use_lpc? "yes" : "no");
243
244     if(avctx->min_prediction_order >= 0) {
245         if(s->options.use_lpc) {
246             if(avctx->min_prediction_order < MIN_LPC_ORDER ||
247                     avctx->min_prediction_order > MAX_LPC_ORDER) {
248                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid min prediction order: %d\n",
249                        avctx->min_prediction_order);
250                 return -1;
251             }
252         } else {
253             if(avctx->min_prediction_order > MAX_FIXED_ORDER) {
254                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid min prediction order: %d\n",
255                        avctx->min_prediction_order);
256                 return -1;
257             }
258         }
259         s->options.min_prediction_order = avctx->min_prediction_order;
260     }
261     if(avctx->max_prediction_order >= 0) {
262         if(s->options.use_lpc) {
263             if(avctx->max_prediction_order < MIN_LPC_ORDER ||
264                     avctx->max_prediction_order > MAX_LPC_ORDER) {
265                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid max prediction order: %d\n",
266                        avctx->max_prediction_order);
267                 return -1;
268             }
269         } else {
270             if(avctx->max_prediction_order > MAX_FIXED_ORDER) {
271                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid max prediction order: %d\n",
272                        avctx->max_prediction_order);
273                 return -1;
274             }
275         }
276         s->options.max_prediction_order = avctx->max_prediction_order;
277     }
278     if(s->options.max_prediction_order < s->options.min_prediction_order) {
279         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid prediction orders: min=%d max=%d\n",
280                s->options.min_prediction_order, s->options.max_prediction_order);
281         return -1;
282     }
283     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " prediction order: %d, %d\n",
284            s->options.min_prediction_order, s->options.max_prediction_order);
285
286     if(avctx->prediction_order_method >= 0) {
287         if(avctx->prediction_order_method > ORDER_METHOD_SEARCH) {
288             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid prediction order method: %d\n",
289                    avctx->prediction_order_method);
290             return -1;
291         }
292         s->options.prediction_order_method = avctx->prediction_order_method;
293     }
294     switch(avctx->prediction_order_method) {
295         case ORDER_METHOD_EST:    av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
296                                          "estimate"); break;
297         case ORDER_METHOD_2LEVEL: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
298                                          "2-level"); break;
299         case ORDER_METHOD_4LEVEL: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
300                                          "4-level"); break;
301         case ORDER_METHOD_8LEVEL: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
302                                          "8-level"); break;
303         case ORDER_METHOD_SEARCH: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
304                                          "full search"); break;
305     }
306
307     if(avctx->min_partition_order >= 0) {
308         if(avctx->min_partition_order > MAX_PARTITION_ORDER) {
309             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid min partition order: %d\n",
310                    avctx->min_partition_order);
311             return -1;
312         }
313         s->options.min_partition_order = avctx->min_partition_order;
314     }
315     if(avctx->max_partition_order >= 0) {
316         if(avctx->max_partition_order > MAX_PARTITION_ORDER) {
317             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid max partition order: %d\n",
318                    avctx->max_partition_order);
319             return -1;
320         }
321         s->options.max_partition_order = avctx->max_partition_order;
322     }
323     if(s->options.max_partition_order < s->options.min_partition_order) {
324         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid partition orders: min=%d max=%d\n",
325                s->options.min_partition_order, s->options.max_partition_order);
326         return -1;
327     }
328     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " partition order: %d, %d\n",
329            s->options.min_partition_order, s->options.max_partition_order);
330
331     if(avctx->frame_size > 0) {
332         if(avctx->frame_size < FLAC_MIN_BLOCKSIZE ||
333                 avctx->frame_size > FLAC_MAX_BLOCKSIZE) {
334             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid block size: %d\n",
335                    avctx->frame_size);
336             return -1;
337         }
338         s->blocksize = avctx->frame_size;
339     } else {
340         s->blocksize = select_blocksize(s->samplerate, s->options.block_time_ms);
341         avctx->frame_size = s->blocksize;
342     }
343     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " block size: %d\n", s->blocksize);
344
345     /* set LPC precision */
346     if(avctx->lpc_coeff_precision > 0) {
347         if(avctx->lpc_coeff_precision > MAX_LPC_PRECISION) {
348             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid lpc coeff precision: %d\n",
349                    avctx->lpc_coeff_precision);
350             return -1;
351         }
352         s->options.lpc_coeff_precision = avctx->lpc_coeff_precision;
353     } else {
354         /* select LPC precision based on block size */
355         if(     s->blocksize <=   192) s->options.lpc_coeff_precision =  7;
356         else if(s->blocksize <=   384) s->options.lpc_coeff_precision =  8;
357         else if(s->blocksize <=   576) s->options.lpc_coeff_precision =  9;
358         else if(s->blocksize <=  1152) s->options.lpc_coeff_precision = 10;
359         else if(s->blocksize <=  2304) s->options.lpc_coeff_precision = 11;
360         else if(s->blocksize <=  4608) s->options.lpc_coeff_precision = 12;
361         else if(s->blocksize <=  8192) s->options.lpc_coeff_precision = 13;
362         else if(s->blocksize <= 16384) s->options.lpc_coeff_precision = 14;
363         else                           s->options.lpc_coeff_precision = 15;
364     }
365     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " lpc precision: %d\n",
366            s->options.lpc_coeff_precision);
367
368     /* set maximum encoded frame size in verbatim mode */
369     if(s->channels == 2) {
370         s->max_framesize = 14 + ((s->blocksize * 33 + 7) >> 3);
371     } else {
372         s->max_framesize = 14 + (s->blocksize * s->channels * 2);
373     }
374
375     streaminfo = av_malloc(FLAC_STREAMINFO_SIZE);
376     write_streaminfo(s, streaminfo);
377     avctx->extradata = streaminfo;
378     avctx->extradata_size = FLAC_STREAMINFO_SIZE;
379
380     s->frame_count = 0;
381
382     avctx->coded_frame = avcodec_alloc_frame();
383     avctx->coded_frame->key_frame = 1;
384
385     return 0;
386 }
387
388 static void init_frame(FlacEncodeContext *s)
389 {
390     int i, ch;
391     FlacFrame *frame;
392
393     frame = &s->frame;
394
395     for(i=0; i<16; i++) {
396         if(s->blocksize == flac_blocksizes[i]) {
397             frame->blocksize = flac_blocksizes[i];
398             frame->bs_code[0] = i;
399             frame->bs_code[1] = 0;
400             break;
401         }
402     }
403     if(i == 16) {
404         frame->blocksize = s->blocksize;
405         if(frame->blocksize <= 256) {
406             frame->bs_code[0] = 6;
407             frame->bs_code[1] = frame->blocksize-1;
408         } else {
409             frame->bs_code[0] = 7;
410             frame->bs_code[1] = frame->blocksize-1;
411         }
412     }
413
414     for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
415         frame->subframes[ch].obits = 16;
416     }
417 }
418
419 /**
420  * Copy channel-interleaved input samples into separate subframes
421  */
422 static void copy_samples(FlacEncodeContext *s, int16_t *samples)
423 {
424     int i, j, ch;
425     FlacFrame *frame;
426
427     frame = &s->frame;
428     for(i=0,j=0; i<frame->blocksize; i++) {
429         for(ch=0; ch<s->channels; ch++,j++) {
430             frame->subframes[ch].samples[i] = samples[j];
431         }
432     }
433 }
434
435
436 #define rice_encode_count(sum, n, k) (((n)*((k)+1))+((sum-(n>>1))>>(k)))
437
438 static int find_optimal_param(uint32_t sum, int n)
439 {
440     int k, k_opt;
441     uint32_t nbits[MAX_RICE_PARAM+1];
442
443     k_opt = 0;
444     nbits[0] = UINT32_MAX;
445     for(k=0; k<=MAX_RICE_PARAM; k++) {
446         nbits[k] = rice_encode_count(sum, n, k);
447         if(nbits[k] < nbits[k_opt]) {
448             k_opt = k;
449         }
450     }
451     return k_opt;
452 }
453
454 static uint32_t calc_optimal_rice_params(RiceContext *rc, int porder,
455                                          uint32_t *sums, int n, int pred_order)
456 {
457     int i;
458     int k, cnt, part;
459     uint32_t all_bits;
460
461     part = (1 << porder);
462     all_bits = 0;
463
464     cnt = (n >> porder) - pred_order;
465     for(i=0; i<part; i++) {
466         if(i == 1) cnt = (n >> porder);
467         k = find_optimal_param(sums[i], cnt);
468         rc->params[i] = k;
469         all_bits += rice_encode_count(sums[i], cnt, k);
470     }
471     all_bits += (4 * part);
472
473     rc->porder = porder;
474
475     return all_bits;
476 }
477
478 static void calc_sums(int pmin, int pmax, uint32_t *data, int n, int pred_order,
479                       uint32_t sums[][MAX_PARTITIONS])
480 {
481     int i, j;
482     int parts;
483     uint32_t *res, *res_end;
484
485     /* sums for highest level */
486     parts = (1 << pmax);
487     res = &data[pred_order];
488     res_end = &data[n >> pmax];
489     for(i=0; i<parts; i++) {
490         sums[pmax][i] = 0;
491         while(res < res_end){
492             sums[pmax][i] += *(res++);
493         }
494         res_end+= n >> pmax;
495     }
496     /* sums for lower levels */
497     for(i=pmax-1; i>=pmin; i--) {
498         parts = (1 << i);
499         for(j=0; j<parts; j++) {
500             sums[i][j] = sums[i+1][2*j] + sums[i+1][2*j+1];
501         }
502     }
503 }
504
505 static uint32_t calc_rice_params(RiceContext *rc, int pmin, int pmax,
506                                  int32_t *data, int n, int pred_order)
507 {
508     int i;
509     uint32_t bits[MAX_PARTITION_ORDER+1];
510     int opt_porder;
511     RiceContext tmp_rc;
512     uint32_t *udata;
513     uint32_t sums[MAX_PARTITION_ORDER+1][MAX_PARTITIONS];
514
515     assert(pmin >= 0 && pmin <= MAX_PARTITION_ORDER);
516     assert(pmax >= 0 && pmax <= MAX_PARTITION_ORDER);
517     assert(pmin <= pmax);
518
519     udata = av_malloc(n * sizeof(uint32_t));
520     for(i=0; i<n; i++) {
521         udata[i] = (2*data[i]) ^ (data[i]>>31);
522     }
523
524     calc_sums(pmin, pmax, udata, n, pred_order, sums);
525
526     opt_porder = pmin;
527     bits[pmin] = UINT32_MAX;
528     for(i=pmin; i<=pmax; i++) {
529         bits[i] = calc_optimal_rice_params(&tmp_rc, i, sums[i], n, pred_order);
530         if(bits[i] <= bits[opt_porder]) {
531             opt_porder = i;
532             *rc= tmp_rc;
533         }
534     }
535
536     av_freep(&udata);
537     return bits[opt_porder];
538 }
539
540 static int get_max_p_order(int max_porder, int n, int order)
541 {
542     int porder = FFMIN(max_porder, av_log2(n^(n-1)));
543     if(order > 0)
544         porder = FFMIN(porder, av_log2(n/order));
545     return porder;
546 }
547
548 static uint32_t calc_rice_params_fixed(RiceContext *rc, int pmin, int pmax,
549                                        int32_t *data, int n, int pred_order,
550                                        int bps)
551 {
552     uint32_t bits;
553     pmin = get_max_p_order(pmin, n, pred_order);
554     pmax = get_max_p_order(pmax, n, pred_order);
555     bits = pred_order*bps + 6;
556     bits += calc_rice_params(rc, pmin, pmax, data, n, pred_order);
557     return bits;
558 }
559
560 static uint32_t calc_rice_params_lpc(RiceContext *rc, int pmin, int pmax,
561                                      int32_t *data, int n, int pred_order,
562                                      int bps, int precision)
563 {
564     uint32_t bits;
565     pmin = get_max_p_order(pmin, n, pred_order);
566     pmax = get_max_p_order(pmax, n, pred_order);
567     bits = pred_order*bps + 4 + 5 + pred_order*precision + 6;
568     bits += calc_rice_params(rc, pmin, pmax, data, n, pred_order);
569     return bits;
570 }
571
572 /**
573  * Apply Welch window function to audio block
574  */
575 static void apply_welch_window(const int32_t *data, int len, double *w_data)
576 {
577     int i, n2;
578     double w;
579     double c;
580
581     n2 = (len >> 1);
582     c = 2.0 / (len - 1.0);
583     for(i=0; i<n2; i++) {
584         w = c - i - 1.0;
585         w = 1.0 - (w * w);
586         w_data[i] = data[i] * w;
587         w_data[len-1-i] = data[len-1-i] * w;
588     }
589 }
590
591 /**
592  * Calculates autocorrelation data from audio samples
593  * A Welch window function is applied before calculation.
594  */
595 static void compute_autocorr(const int32_t *data, int len, int lag,
596                              double *autoc)
597 {
598     int i, lag_ptr;
599     double tmp[len + lag];
600     double *data1= tmp + lag;
601
602     apply_welch_window(data, len, data1);
603
604     for(i=0; i<lag; i++){
605         autoc[i] = 1.0;
606         data1[i-lag]= 0.0;
607     }
608
609     for(i=0; i<len; i++){
610         for(lag_ptr= i-lag; lag_ptr<=i; lag_ptr++){
611             autoc[i-lag_ptr] += data1[i] * data1[lag_ptr];
612         }
613     }
614 }
615
616 /**
617  * Levinson-Durbin recursion.
618  * Produces LPC coefficients from autocorrelation data.
619  */
620 static void compute_lpc_coefs(const double *autoc, int max_order,
621                               double lpc[][MAX_LPC_ORDER], double *ref)
622 {
623    int i, j, i2;
624    double r, err, tmp;
625    double lpc_tmp[MAX_LPC_ORDER];
626
627    for(i=0; i<max_order; i++) lpc_tmp[i] = 0;
628    err = autoc[0];
629
630    for(i=0; i<max_order; i++) {
631       r = -autoc[i+1];
632       for(j=0; j<i; j++) {
633           r -= lpc_tmp[j] * autoc[i-j];
634       }
635       r /= err;
636       ref[i] = fabs(r);
637
638       err *= 1.0 - (r * r);
639
640       i2 = (i >> 1);
641       lpc_tmp[i] = r;
642       for(j=0; j<i2; j++) {
643          tmp = lpc_tmp[j];
644          lpc_tmp[j] += r * lpc_tmp[i-1-j];
645          lpc_tmp[i-1-j] += r * tmp;
646       }
647       if(i & 1) {
648           lpc_tmp[j] += lpc_tmp[j] * r;
649       }
650
651       for(j=0; j<=i; j++) {
652           lpc[i][j] = -lpc_tmp[j];
653       }
654    }
655 }
656
657 /**
658  * Quantize LPC coefficients
659  */
660 static void quantize_lpc_coefs(double *lpc_in, int order, int precision,
661                                int32_t *lpc_out, int *shift)
662 {
663     int i;
664     double cmax, error;
665     int32_t qmax;
666     int sh;
667
668     /* define maximum levels */
669     qmax = (1 << (precision - 1)) - 1;
670
671     /* find maximum coefficient value */
672     cmax = 0.0;
673     for(i=0; i<order; i++) {
674         cmax= FFMAX(cmax, fabs(lpc_in[i]));
675     }
676
677     /* if maximum value quantizes to zero, return all zeros */
678     if(cmax * (1 << MAX_LPC_SHIFT) < 1.0) {
679         *shift = 0;
680         memset(lpc_out, 0, sizeof(int32_t) * order);
681         return;
682     }
683
684     /* calculate level shift which scales max coeff to available bits */
685     sh = MAX_LPC_SHIFT;
686     while((cmax * (1 << sh) > qmax) && (sh > 0)) {
687         sh--;
688     }
689
690     /* since negative shift values are unsupported in decoder, scale down
691        coefficients instead */
692     if(sh == 0 && cmax > qmax) {
693         double scale = ((double)qmax) / cmax;
694         for(i=0; i<order; i++) {
695             lpc_in[i] *= scale;
696         }
697     }
698
699     /* output quantized coefficients and level shift */
700     error=0;
701     for(i=0; i<order; i++) {
702         error += lpc_in[i] * (1 << sh);
703         lpc_out[i] = clip(lrintf(error), -qmax, qmax);
704         error -= lpc_out[i];
705     }
706     *shift = sh;
707 }
708
709 static int estimate_best_order(double *ref, int max_order)
710 {
711     int i, est;
712
713     est = 1;
714     for(i=max_order-1; i>=0; i--) {
715         if(ref[i] > 0.10) {
716             est = i+1;
717             break;
718         }
719     }
720     return est;
721 }
722
723 /**
724  * Calculate LPC coefficients for multiple orders
725  */
726 static int lpc_calc_coefs(const int32_t *samples, int blocksize, int max_order,
727                           int precision, int32_t coefs[][MAX_LPC_ORDER],
728                           int *shift)
729 {
730     double autoc[MAX_LPC_ORDER+1];
731     double ref[MAX_LPC_ORDER];
732     double lpc[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
733     int i;
734     int opt_order;
735
736     assert(max_order >= MIN_LPC_ORDER && max_order <= MAX_LPC_ORDER);
737
738     compute_autocorr(samples, blocksize, max_order+1, autoc);
739
740     compute_lpc_coefs(autoc, max_order, lpc, ref);
741
742     opt_order = estimate_best_order(ref, max_order);
743
744     i = opt_order-1;
745     quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i]);
746
747     return opt_order;
748 }
749
750
751 static void encode_residual_verbatim(int32_t *res, int32_t *smp, int n)
752 {
753     assert(n > 0);
754     memcpy(res, smp, n * sizeof(int32_t));
755 }
756
757 static void encode_residual_fixed(int32_t *res, const int32_t *smp, int n,
758                                   int order)
759 {
760     int i;
761
762     for(i=0; i<order; i++) {
763         res[i] = smp[i];
764     }
765
766     if(order==0){
767         for(i=order; i<n; i++)
768             res[i]= smp[i];
769     }else if(order==1){
770         for(i=order; i<n; i++)
771             res[i]= smp[i] - smp[i-1];
772     }else if(order==2){
773         for(i=order; i<n; i++)
774             res[i]= smp[i] - 2*smp[i-1] + smp[i-2];
775     }else if(order==3){
776         for(i=order; i<n; i++)
777             res[i]= smp[i] - 3*smp[i-1] + 3*smp[i-2] - smp[i-3];
778     }else{
779         for(i=order; i<n; i++)
780             res[i]= smp[i] - 4*smp[i-1] + 6*smp[i-2] - 4*smp[i-3] + smp[i-4];
781     }
782 }
783
784 static void encode_residual_lpc(int32_t *res, const int32_t *smp, int n,
785                                 int order, const int32_t *coefs, int shift)
786 {
787     int i, j;
788     int32_t pred;
789
790     for(i=0; i<order; i++) {
791         res[i] = smp[i];
792     }
793     for(i=order; i<n; i++) {
794         pred = 0;
795         for(j=0; j<order; j++) {
796             pred += coefs[j] * smp[i-j-1];
797         }
798         res[i] = smp[i] - (pred >> shift);
799     }
800 }
801
802 static int encode_residual(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
803 {
804     int i, n;
805     int min_order, max_order, opt_order, precision;
806     int min_porder, max_porder;
807     FlacFrame *frame;
808     FlacSubframe *sub;
809     int32_t coefs[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
810     int shift[MAX_LPC_ORDER];
811     int32_t *res, *smp;
812
813     frame = &ctx->frame;
814     sub = &frame->subframes[ch];
815     res = sub->residual;
816     smp = sub->samples;
817     n = frame->blocksize;
818
819     /* CONSTANT */
820     for(i=1; i<n; i++) {
821         if(smp[i] != smp[0]) break;
822     }
823     if(i == n) {
824         sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_CONSTANT;
825         res[0] = smp[0];
826         return sub->obits;
827     }
828
829     /* VERBATIM */
830     if(n < 5) {
831         sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_VERBATIM;
832         encode_residual_verbatim(res, smp, n);
833         return sub->obits * n;
834     }
835
836     min_order = ctx->options.min_prediction_order;
837     max_order = ctx->options.max_prediction_order;
838     min_porder = ctx->options.min_partition_order;
839     max_porder = ctx->options.max_partition_order;
840     precision = ctx->options.lpc_coeff_precision;
841
842     /* FIXED */
843     if(!ctx->options.use_lpc || max_order == 0 || (n <= max_order)) {
844         uint32_t bits[MAX_FIXED_ORDER+1];
845         if(max_order > MAX_FIXED_ORDER) max_order = MAX_FIXED_ORDER;
846         opt_order = 0;
847         bits[0] = UINT32_MAX;
848         for(i=min_order; i<=max_order; i++) {
849             encode_residual_fixed(res, smp, n, i);
850             bits[i] = calc_rice_params_fixed(&sub->rc, min_porder, max_porder, res,
851                                              n, i, sub->obits);
852             if(bits[i] < bits[opt_order]) {
853                 opt_order = i;
854             }
855         }
856         sub->order = opt_order;
857         sub->type = FLAC_SUBFRAME_FIXED;
858         sub->type_code = sub->type | sub->order;
859         if(sub->order != max_order) {
860             encode_residual_fixed(res, smp, n, sub->order);
861             return calc_rice_params_fixed(&sub->rc, min_porder, max_porder, res, n,
862                                           sub->order, sub->obits);
863         }
864         return bits[sub->order];
865     }
866
867     /* LPC */
868     sub->order = lpc_calc_coefs(smp, n, max_order, precision, coefs, shift);
869     sub->type = FLAC_SUBFRAME_LPC;
870     sub->type_code = sub->type | (sub->order-1);
871     sub->shift = shift[sub->order-1];
872     for(i=0; i<sub->order; i++) {
873         sub->coefs[i] = coefs[sub->order-1][i];
874     }
875     encode_residual_lpc(res, smp, n, sub->order, sub->coefs, sub->shift);
876     return calc_rice_params_lpc(&sub->rc, min_porder, max_porder, res, n, sub->order,
877                                 sub->obits, precision);
878 }
879
880 static int encode_residual_v(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
881 {
882     int i, n;
883     FlacFrame *frame;
884     FlacSubframe *sub;
885     int32_t *res, *smp;
886
887     frame = &ctx->frame;
888     sub = &frame->subframes[ch];
889     res = sub->residual;
890     smp = sub->samples;
891     n = frame->blocksize;
892
893     /* CONSTANT */
894     for(i=1; i<n; i++) {
895         if(smp[i] != smp[0]) break;
896     }
897     if(i == n) {
898         sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_CONSTANT;
899         res[0] = smp[0];
900         return sub->obits;
901     }
902
903     /* VERBATIM */
904     sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_VERBATIM;
905     encode_residual_verbatim(res, smp, n);
906     return sub->obits * n;
907 }
908
909 static int estimate_stereo_mode(int32_t *left_ch, int32_t *right_ch, int n)
910 {
911     int i, best;
912     int32_t lt, rt;
913     uint64_t sum[4];
914     uint64_t score[4];
915     int k;
916
917     /* calculate sum of 2nd order residual for each channel */
918     sum[0] = sum[1] = sum[2] = sum[3] = 0;
919     for(i=2; i<n; i++) {
920         lt = left_ch[i] - 2*left_ch[i-1] + left_ch[i-2];
921         rt = right_ch[i] - 2*right_ch[i-1] + right_ch[i-2];
922         sum[2] += ABS((lt + rt) >> 1);
923         sum[3] += ABS(lt - rt);
924         sum[0] += ABS(lt);
925         sum[1] += ABS(rt);
926     }
927     /* estimate bit counts */
928     for(i=0; i<4; i++) {
929         k = find_optimal_param(2*sum[i], n);
930         sum[i] = rice_encode_count(2*sum[i], n, k);
931     }
932
933     /* calculate score for each mode */
934     score[0] = sum[0] + sum[1];
935     score[1] = sum[0] + sum[3];
936     score[2] = sum[1] + sum[3];
937     score[3] = sum[2] + sum[3];
938
939     /* return mode with lowest score */
940     best = 0;
941     for(i=1; i<4; i++) {
942         if(score[i] < score[best]) {
943             best = i;
944         }
945     }
946     if(best == 0) {
947         return FLAC_CHMODE_LEFT_RIGHT;
948     } else if(best == 1) {
949         return FLAC_CHMODE_LEFT_SIDE;
950     } else if(best == 2) {
951         return FLAC_CHMODE_RIGHT_SIDE;
952     } else {
953         return FLAC_CHMODE_MID_SIDE;
954     }
955 }
956
957 /**
958  * Perform stereo channel decorrelation
959  */
960 static void channel_decorrelation(FlacEncodeContext *ctx)
961 {
962     FlacFrame *frame;
963     int32_t *left, *right;
964     int i, n;
965
966     frame = &ctx->frame;
967     n = frame->blocksize;
968     left  = frame->subframes[0].samples;
969     right = frame->subframes[1].samples;
970
971     if(ctx->channels != 2) {
972         frame->ch_mode = FLAC_CHMODE_NOT_STEREO;
973         return;
974     }
975
976     frame->ch_mode = estimate_stereo_mode(left, right, n);
977
978     /* perform decorrelation and adjust bits-per-sample */
979     if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_LEFT_RIGHT) {
980         return;
981     }
982     if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_MID_SIDE) {
983         int32_t tmp;
984         for(i=0; i<n; i++) {
985             tmp = left[i];
986             left[i] = (tmp + right[i]) >> 1;
987             right[i] = tmp - right[i];
988         }
989         frame->subframes[1].obits++;
990     } else if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_LEFT_SIDE) {
991         for(i=0; i<n; i++) {
992             right[i] = left[i] - right[i];
993         }
994         frame->subframes[1].obits++;
995     } else {
996         for(i=0; i<n; i++) {
997             left[i] -= right[i];
998         }
999         frame->subframes[0].obits++;
1000     }
1001 }
1002
1003 static void put_sbits(PutBitContext *pb, int bits, int32_t val)
1004 {
1005     assert(bits >= 0 && bits <= 31);
1006
1007     put_bits(pb, bits, val & ((1<<bits)-1));
1008 }
1009
1010 static void write_utf8(PutBitContext *pb, uint32_t val)
1011 {
1012     int bytes, shift;
1013
1014     if(val < 0x80){
1015         put_bits(pb, 8, val);
1016         return;
1017     }
1018
1019     bytes= (av_log2(val)+4) / 5;
1020     shift = (bytes - 1) * 6;
1021     put_bits(pb, 8, (256 - (256>>bytes)) | (val >> shift));
1022     while(shift >= 6){
1023         shift -= 6;
1024         put_bits(pb, 8, 0x80 | ((val >> shift) & 0x3F));
1025     }
1026 }
1027
1028 static void output_frame_header(FlacEncodeContext *s)
1029 {
1030     FlacFrame *frame;
1031     int crc;
1032
1033     frame = &s->frame;
1034
1035     put_bits(&s->pb, 16, 0xFFF8);
1036     put_bits(&s->pb, 4, frame->bs_code[0]);
1037     put_bits(&s->pb, 4, s->sr_code[0]);
1038     if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_NOT_STEREO) {
1039         put_bits(&s->pb, 4, s->ch_code);
1040     } else {
1041         put_bits(&s->pb, 4, frame->ch_mode);
1042     }
1043     put_bits(&s->pb, 3, 4); /* bits-per-sample code */
1044     put_bits(&s->pb, 1, 0);
1045     write_utf8(&s->pb, s->frame_count);
1046     if(frame->bs_code[0] == 6) {
1047         put_bits(&s->pb, 8, frame->bs_code[1]);
1048     } else if(frame->bs_code[0] == 7) {
1049         put_bits(&s->pb, 16, frame->bs_code[1]);
1050     }
1051     if(s->sr_code[0] == 12) {
1052         put_bits(&s->pb, 8, s->sr_code[1]);
1053     } else if(s->sr_code[0] > 12) {
1054         put_bits(&s->pb, 16, s->sr_code[1]);
1055     }
1056     flush_put_bits(&s->pb);
1057     crc = av_crc(av_crc07, 0, s->pb.buf, put_bits_count(&s->pb)>>3);
1058     put_bits(&s->pb, 8, crc);
1059 }
1060
1061 static void output_subframe_constant(FlacEncodeContext *s, int ch)
1062 {
1063     FlacSubframe *sub;
1064     int32_t res;
1065
1066     sub = &s->frame.subframes[ch];
1067     res = sub->residual[0];
1068     put_sbits(&s->pb, sub->obits, res);
1069 }
1070
1071 static void output_subframe_verbatim(FlacEncodeContext *s, int ch)
1072 {
1073     int i;
1074     FlacFrame *frame;
1075     FlacSubframe *sub;
1076     int32_t res;
1077
1078     frame = &s->frame;
1079     sub = &frame->subframes[ch];
1080
1081     for(i=0; i<frame->blocksize; i++) {
1082         res = sub->residual[i];
1083         put_sbits(&s->pb, sub->obits, res);
1084     }
1085 }
1086
1087 static void output_residual(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
1088 {
1089     int i, j, p, n, parts;
1090     int k, porder, psize, res_cnt;
1091     FlacFrame *frame;
1092     FlacSubframe *sub;
1093     int32_t *res;
1094
1095     frame = &ctx->frame;
1096     sub = &frame->subframes[ch];
1097     res = sub->residual;
1098     n = frame->blocksize;
1099
1100     /* rice-encoded block */
1101     put_bits(&ctx->pb, 2, 0);
1102
1103     /* partition order */
1104     porder = sub->rc.porder;
1105     psize = n >> porder;
1106     parts = (1 << porder);
1107     put_bits(&ctx->pb, 4, porder);
1108     res_cnt = psize - sub->order;
1109
1110     /* residual */
1111     j = sub->order;
1112     for(p=0; p<parts; p++) {
1113         k = sub->rc.params[p];
1114         put_bits(&ctx->pb, 4, k);
1115         if(p == 1) res_cnt = psize;
1116         for(i=0; i<res_cnt && j<n; i++, j++) {
1117             set_sr_golomb_flac(&ctx->pb, res[j], k, INT32_MAX, 0);
1118         }
1119     }
1120 }
1121
1122 static void output_subframe_fixed(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
1123 {
1124     int i;
1125     FlacFrame *frame;
1126     FlacSubframe *sub;
1127
1128     frame = &ctx->frame;
1129     sub = &frame->subframes[ch];
1130
1131     /* warm-up samples */
1132     for(i=0; i<sub->order; i++) {
1133         put_sbits(&ctx->pb, sub->obits, sub->residual[i]);
1134     }
1135
1136     /* residual */
1137     output_residual(ctx, ch);
1138 }
1139
1140 static void output_subframe_lpc(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
1141 {
1142     int i, cbits;
1143     FlacFrame *frame;
1144     FlacSubframe *sub;
1145
1146     frame = &ctx->frame;
1147     sub = &frame->subframes[ch];
1148
1149     /* warm-up samples */
1150     for(i=0; i<sub->order; i++) {
1151         put_sbits(&ctx->pb, sub->obits, sub->residual[i]);
1152     }
1153
1154     /* LPC coefficients */
1155     cbits = ctx->options.lpc_coeff_precision;
1156     put_bits(&ctx->pb, 4, cbits-1);
1157     put_sbits(&ctx->pb, 5, sub->shift);
1158     for(i=0; i<sub->order; i++) {
1159         put_sbits(&ctx->pb, cbits, sub->coefs[i]);
1160     }
1161
1162     /* residual */
1163     output_residual(ctx, ch);
1164 }
1165
1166 static void output_subframes(FlacEncodeContext *s)
1167 {
1168     FlacFrame *frame;
1169     FlacSubframe *sub;
1170     int ch;
1171
1172     frame = &s->frame;
1173
1174     for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
1175         sub = &frame->subframes[ch];
1176
1177         /* subframe header */
1178         put_bits(&s->pb, 1, 0);
1179         put_bits(&s->pb, 6, sub->type_code);
1180         put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no wasted bits */
1181
1182         /* subframe */
1183         if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_CONSTANT) {
1184             output_subframe_constant(s, ch);
1185         } else if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_VERBATIM) {
1186             output_subframe_verbatim(s, ch);
1187         } else if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_FIXED) {
1188             output_subframe_fixed(s, ch);
1189         } else if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_LPC) {
1190             output_subframe_lpc(s, ch);
1191         }
1192     }
1193 }
1194
1195 static void output_frame_footer(FlacEncodeContext *s)
1196 {
1197     int crc;
1198     flush_put_bits(&s->pb);
1199     crc = bswap_16(av_crc(av_crc8005, 0, s->pb.buf, put_bits_count(&s->pb)>>3));
1200     put_bits(&s->pb, 16, crc);
1201     flush_put_bits(&s->pb);
1202 }
1203
1204 static int flac_encode_frame(AVCodecContext *avctx, uint8_t *frame,
1205                              int buf_size, void *data)
1206 {
1207     int ch;
1208     FlacEncodeContext *s;
1209     int16_t *samples = data;
1210     int out_bytes;
1211
1212     s = avctx->priv_data;
1213
1214     s->blocksize = avctx->frame_size;
1215     init_frame(s);
1216
1217     copy_samples(s, samples);
1218
1219     channel_decorrelation(s);
1220
1221     for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
1222         encode_residual(s, ch);
1223     }
1224     init_put_bits(&s->pb, frame, buf_size);
1225     output_frame_header(s);
1226     output_subframes(s);
1227     output_frame_footer(s);
1228     out_bytes = put_bits_count(&s->pb) >> 3;
1229
1230     if(out_bytes > s->max_framesize || out_bytes >= buf_size) {
1231         /* frame too large. use verbatim mode */
1232         for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
1233             encode_residual_v(s, ch);
1234         }
1235         init_put_bits(&s->pb, frame, buf_size);
1236         output_frame_header(s);
1237         output_subframes(s);
1238         output_frame_footer(s);
1239         out_bytes = put_bits_count(&s->pb) >> 3;
1240
1241         if(out_bytes > s->max_framesize || out_bytes >= buf_size) {
1242             /* still too large. must be an error. */
1243             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "error encoding frame\n");
1244             return -1;
1245         }
1246     }
1247
1248     s->frame_count++;
1249     return out_bytes;
1250 }
1251
1252 static int flac_encode_close(AVCodecContext *avctx)
1253 {
1254     av_freep(&avctx->extradata);
1255     avctx->extradata_size = 0;
1256     av_freep(&avctx->coded_frame);
1257     return 0;
1258 }
1259
1260 AVCodec flac_encoder = {
1261     "flac",
1262     CODEC_TYPE_AUDIO,
1263     CODEC_ID_FLAC,
1264     sizeof(FlacEncodeContext),
1265     flac_encode_init,
1266     flac_encode_frame,
1267     flac_encode_close,
1268     NULL,
1269     .capabilities = CODEC_CAP_SMALL_LAST_FRAME,
1270 };