simplify
[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_MIN_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             memcpy(rc, &tmp_rc, sizeof(RiceContext));
533         }
534     }
535
536     av_freep(&udata);
537     return bits[opt_porder];
538 }
539
540 static uint32_t calc_rice_params_fixed(RiceContext *rc, int pmin, int pmax,
541                                        int32_t *data, int n, int pred_order,
542                                        int bps)
543 {
544     uint32_t bits;
545     bits = pred_order*bps + 6;
546     bits += calc_rice_params(rc, pmin, pmax, data, n, pred_order);
547     return bits;
548 }
549
550 static uint32_t calc_rice_params_lpc(RiceContext *rc, int pmin, int pmax,
551                                      int32_t *data, int n, int pred_order,
552                                      int bps, int precision)
553 {
554     uint32_t bits;
555     bits = pred_order*bps + 4 + 5 + pred_order*precision + 6;
556     bits += calc_rice_params(rc, pmin, pmax, data, n, pred_order);
557     return bits;
558 }
559
560 /**
561  * Apply Welch window function to audio block
562  */
563 static void apply_welch_window(const int32_t *data, int len, double *w_data)
564 {
565     int i, n2;
566     double w;
567     double c;
568
569     n2 = (len >> 1);
570     c = 2.0 / (len - 1.0);
571     for(i=0; i<n2; i++) {
572         w = c - i - 1.0;
573         w = 1.0 - (w * w);
574         w_data[i] = data[i] * w;
575         w_data[len-1-i] = data[len-1-i] * w;
576     }
577 }
578
579 /**
580  * Calculates autocorrelation data from audio samples
581  * A Welch window function is applied before calculation.
582  */
583 static void compute_autocorr(const int32_t *data, int len, int lag,
584                              double *autoc)
585 {
586     int i;
587     double *data1;
588     int lag_ptr, ptr;
589
590     data1 = av_malloc(len * sizeof(double));
591     apply_welch_window(data, len, data1);
592
593     for(i=0; i<lag; i++) autoc[i] = 1.0;
594
595     ptr = 0;
596     while(ptr <= lag) {
597         lag_ptr = 0;
598         while(lag_ptr <= ptr) {
599             autoc[ptr-lag_ptr] += data1[ptr] * data1[lag_ptr];
600             lag_ptr++;
601         }
602         ptr++;
603     }
604     while(ptr < len) {
605         lag_ptr = ptr - lag;
606         while(lag_ptr <= ptr) {
607             autoc[ptr-lag_ptr] += data1[ptr] * data1[lag_ptr];
608             lag_ptr++;
609         }
610         ptr++;
611     }
612
613     av_freep(&data1);
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 d, cmax;
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         d = lpc_in[i];
675         if(d < 0) d = -d;
676         if(d > cmax)
677             cmax = d;
678     }
679
680     /* if maximum value quantizes to zero, return all zeros */
681     if(cmax * (1 << MAX_LPC_SHIFT) < 1.0) {
682         *shift = 0;
683         for(i=0; i<order; i++) {
684             lpc_out[i] = 0;
685         }
686         return;
687     }
688
689     /* calculate level shift which scales max coeff to available bits */
690     sh = MAX_LPC_SHIFT;
691     while((cmax * (1 << sh) > qmax) && (sh > 0)) {
692         sh--;
693     }
694
695     /* since negative shift values are unsupported in decoder, scale down
696        coefficients instead */
697     if(sh == 0 && cmax > qmax) {
698         double scale = ((double)qmax) / cmax;
699         for(i=0; i<order; i++) {
700             lpc_in[i] *= scale;
701         }
702     }
703
704     /* output quantized coefficients and level shift */
705     for(i=0; i<order; i++) {
706         lpc_out[i] = (int32_t)(lpc_in[i] * (1 << sh));
707     }
708     *shift = sh;
709 }
710
711 static int estimate_best_order(double *ref, int max_order)
712 {
713     int i, est;
714
715     est = 1;
716     for(i=max_order-1; i>=0; i--) {
717         if(ref[i] > 0.10) {
718             est = i+1;
719             break;
720         }
721     }
722     return est;
723 }
724
725 /**
726  * Calculate LPC coefficients for multiple orders
727  */
728 static int lpc_calc_coefs(const int32_t *samples, int blocksize, int max_order,
729                           int precision, int32_t coefs[][MAX_LPC_ORDER],
730                           int *shift)
731 {
732     double autoc[MAX_LPC_ORDER+1];
733     double ref[MAX_LPC_ORDER];
734     double lpc[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
735     int i;
736     int opt_order;
737
738     assert(max_order >= MIN_LPC_ORDER && max_order <= MAX_LPC_ORDER);
739
740     compute_autocorr(samples, blocksize, max_order+1, autoc);
741
742     compute_lpc_coefs(autoc, max_order, lpc, ref);
743
744     opt_order = estimate_best_order(ref, max_order);
745
746     i = opt_order-1;
747     quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i]);
748
749     return opt_order;
750 }
751
752
753 static void encode_residual_verbatim(int32_t *res, int32_t *smp, int n)
754 {
755     assert(n > 0);
756     memcpy(res, smp, n * sizeof(int32_t));
757 }
758
759 static void encode_residual_fixed(int32_t *res, const int32_t *smp, int n,
760                                   int order)
761 {
762     int i;
763
764     for(i=0; i<order; i++) {
765         res[i] = smp[i];
766     }
767
768     if(order==0){
769         for(i=order; i<n; i++)
770             res[i]= smp[i];
771     }else if(order==1){
772         for(i=order; i<n; i++)
773             res[i]= smp[i] - smp[i-1];
774     }else if(order==2){
775         for(i=order; i<n; i++)
776             res[i]= smp[i] - 2*smp[i-1] + smp[i-2];
777     }else if(order==3){
778         for(i=order; i<n; i++)
779             res[i]= smp[i] - 3*smp[i-1] + 3*smp[i-2] - smp[i-3];
780     }else{
781         for(i=order; i<n; i++)
782             res[i]= smp[i] - 4*smp[i-1] + 6*smp[i-2] - 4*smp[i-3] + smp[i-4];
783     }
784 }
785
786 static void encode_residual_lpc(int32_t *res, const int32_t *smp, int n,
787                                 int order, const int32_t *coefs, int shift)
788 {
789     int i, j;
790     int32_t pred;
791
792     for(i=0; i<order; i++) {
793         res[i] = smp[i];
794     }
795     for(i=order; i<n; i++) {
796         pred = 0;
797         for(j=0; j<order; j++) {
798             pred += coefs[j] * smp[i-j-1];
799         }
800         res[i] = smp[i] - (pred >> shift);
801     }
802 }
803
804 static int get_max_p_order(int max_porder, int n, int order)
805 {
806     int porder, max_parts;
807
808     porder = max_porder;
809     while(porder > 0) {
810         max_parts = (1 << porder);
811         if(!(n % max_parts) && (n > max_parts*order)) {
812             break;
813         }
814         porder--;
815     }
816     return porder;
817 }
818
819 static int encode_residual(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
820 {
821     int i, n;
822     int min_order, max_order, opt_order, precision;
823     int porder, min_porder, max_porder;
824     FlacFrame *frame;
825     FlacSubframe *sub;
826     int32_t coefs[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
827     int shift[MAX_LPC_ORDER];
828     int32_t *res, *smp;
829
830     frame = &ctx->frame;
831     sub = &frame->subframes[ch];
832     res = sub->residual;
833     smp = sub->samples;
834     n = frame->blocksize;
835
836     /* CONSTANT */
837     for(i=1; i<n; i++) {
838         if(smp[i] != smp[0]) break;
839     }
840     if(i == n) {
841         sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_CONSTANT;
842         res[0] = smp[0];
843         return sub->obits;
844     }
845
846     /* VERBATIM */
847     if(n < 5) {
848         sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_VERBATIM;
849         encode_residual_verbatim(res, smp, n);
850         return sub->obits * n;
851     }
852
853     min_order = ctx->options.min_prediction_order;
854     max_order = ctx->options.max_prediction_order;
855     min_porder = ctx->options.min_partition_order;
856     max_porder = ctx->options.max_partition_order;
857     precision = ctx->options.lpc_coeff_precision;
858
859     /* FIXED */
860     if(!ctx->options.use_lpc || max_order == 0 || (n <= max_order)) {
861         uint32_t bits[MAX_FIXED_ORDER+1];
862         if(max_order > MAX_FIXED_ORDER) max_order = MAX_FIXED_ORDER;
863         opt_order = 0;
864         bits[0] = UINT32_MAX;
865         for(i=min_order; i<=max_order; i++) {
866             encode_residual_fixed(res, smp, n, i);
867             porder = get_max_p_order(max_porder, n, i);
868             bits[i] = calc_rice_params_fixed(&sub->rc, min_porder, porder, res,
869                                              n, i, sub->obits);
870             if(bits[i] < bits[opt_order]) {
871                 opt_order = i;
872             }
873         }
874         sub->order = opt_order;
875         sub->type = FLAC_SUBFRAME_FIXED;
876         sub->type_code = sub->type | sub->order;
877         if(sub->order != max_order) {
878             encode_residual_fixed(res, smp, n, sub->order);
879             porder = get_max_p_order(max_porder, n, sub->order);
880             return calc_rice_params_fixed(&sub->rc, min_porder, porder, res, n,
881                                           sub->order, sub->obits);
882         }
883         return bits[sub->order];
884     }
885
886     /* LPC */
887     sub->order = lpc_calc_coefs(smp, n, max_order, precision, coefs, shift);
888     sub->type = FLAC_SUBFRAME_LPC;
889     sub->type_code = sub->type | (sub->order-1);
890     sub->shift = shift[sub->order-1];
891     for(i=0; i<sub->order; i++) {
892         sub->coefs[i] = coefs[sub->order-1][i];
893     }
894     porder = get_max_p_order(max_porder, n, sub->order);
895     encode_residual_lpc(res, smp, n, sub->order, sub->coefs, sub->shift);
896     return calc_rice_params_lpc(&sub->rc, 0, porder, res, n, sub->order,
897                                 sub->obits, precision);
898 }
899
900 static int encode_residual_v(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
901 {
902     int i, n;
903     FlacFrame *frame;
904     FlacSubframe *sub;
905     int32_t *res, *smp;
906
907     frame = &ctx->frame;
908     sub = &frame->subframes[ch];
909     res = sub->residual;
910     smp = sub->samples;
911     n = frame->blocksize;
912
913     /* CONSTANT */
914     for(i=1; i<n; i++) {
915         if(smp[i] != smp[0]) break;
916     }
917     if(i == n) {
918         sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_CONSTANT;
919         res[0] = smp[0];
920         return sub->obits;
921     }
922
923     /* VERBATIM */
924     sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_VERBATIM;
925     encode_residual_verbatim(res, smp, n);
926     return sub->obits * n;
927 }
928
929 static int estimate_stereo_mode(int32_t *left_ch, int32_t *right_ch, int n)
930 {
931     int i, best;
932     int32_t lt, rt;
933     uint64_t sum[4];
934     uint64_t score[4];
935     int k;
936
937     /* calculate sum of 2nd order residual for each channel */
938     sum[0] = sum[1] = sum[2] = sum[3] = 0;
939     for(i=2; i<n; i++) {
940         lt = left_ch[i] - 2*left_ch[i-1] + left_ch[i-2];
941         rt = right_ch[i] - 2*right_ch[i-1] + right_ch[i-2];
942         sum[2] += ABS((lt + rt) >> 1);
943         sum[3] += ABS(lt - rt);
944         sum[0] += ABS(lt);
945         sum[1] += ABS(rt);
946     }
947     /* estimate bit counts */
948     for(i=0; i<4; i++) {
949         k = find_optimal_param(2*sum[i], n);
950         sum[i] = rice_encode_count(2*sum[i], n, k);
951     }
952
953     /* calculate score for each mode */
954     score[0] = sum[0] + sum[1];
955     score[1] = sum[0] + sum[3];
956     score[2] = sum[1] + sum[3];
957     score[3] = sum[2] + sum[3];
958
959     /* return mode with lowest score */
960     best = 0;
961     for(i=1; i<4; i++) {
962         if(score[i] < score[best]) {
963             best = i;
964         }
965     }
966     if(best == 0) {
967         return FLAC_CHMODE_LEFT_RIGHT;
968     } else if(best == 1) {
969         return FLAC_CHMODE_LEFT_SIDE;
970     } else if(best == 2) {
971         return FLAC_CHMODE_RIGHT_SIDE;
972     } else {
973         return FLAC_CHMODE_MID_SIDE;
974     }
975 }
976
977 /**
978  * Perform stereo channel decorrelation
979  */
980 static void channel_decorrelation(FlacEncodeContext *ctx)
981 {
982     FlacFrame *frame;
983     int32_t *left, *right;
984     int i, n;
985
986     frame = &ctx->frame;
987     n = frame->blocksize;
988     left  = frame->subframes[0].samples;
989     right = frame->subframes[1].samples;
990
991     if(ctx->channels != 2) {
992         frame->ch_mode = FLAC_CHMODE_NOT_STEREO;
993         return;
994     }
995
996     frame->ch_mode = estimate_stereo_mode(left, right, n);
997
998     /* perform decorrelation and adjust bits-per-sample */
999     if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_LEFT_RIGHT) {
1000         return;
1001     }
1002     if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_MID_SIDE) {
1003         int32_t tmp;
1004         for(i=0; i<n; i++) {
1005             tmp = left[i];
1006             left[i] = (tmp + right[i]) >> 1;
1007             right[i] = tmp - right[i];
1008         }
1009         frame->subframes[1].obits++;
1010     } else if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_LEFT_SIDE) {
1011         for(i=0; i<n; i++) {
1012             right[i] = left[i] - right[i];
1013         }
1014         frame->subframes[1].obits++;
1015     } else {
1016         for(i=0; i<n; i++) {
1017             left[i] -= right[i];
1018         }
1019         frame->subframes[0].obits++;
1020     }
1021 }
1022
1023 static void put_sbits(PutBitContext *pb, int bits, int32_t val)
1024 {
1025     assert(bits >= 0 && bits <= 31);
1026
1027     put_bits(pb, bits, val & ((1<<bits)-1));
1028 }
1029
1030 static void write_utf8(PutBitContext *pb, uint32_t val)
1031 {
1032     int bytes, shift;
1033
1034     if(val < 0x80){
1035         put_bits(pb, 8, val);
1036         return;
1037     }
1038
1039     bytes= (av_log2(val)+4) / 5;
1040     shift = (bytes - 1) * 6;
1041     put_bits(pb, 8, (256 - (256>>bytes)) | (val >> shift));
1042     while(shift >= 6){
1043         shift -= 6;
1044         put_bits(pb, 8, 0x80 | ((val >> shift) & 0x3F));
1045     }
1046 }
1047
1048 static void output_frame_header(FlacEncodeContext *s)
1049 {
1050     FlacFrame *frame;
1051     int crc;
1052
1053     frame = &s->frame;
1054
1055     put_bits(&s->pb, 16, 0xFFF8);
1056     put_bits(&s->pb, 4, frame->bs_code[0]);
1057     put_bits(&s->pb, 4, s->sr_code[0]);
1058     if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_NOT_STEREO) {
1059         put_bits(&s->pb, 4, s->ch_code);
1060     } else {
1061         put_bits(&s->pb, 4, frame->ch_mode);
1062     }
1063     put_bits(&s->pb, 3, 4); /* bits-per-sample code */
1064     put_bits(&s->pb, 1, 0);
1065     write_utf8(&s->pb, s->frame_count);
1066     if(frame->bs_code[0] == 6) {
1067         put_bits(&s->pb, 8, frame->bs_code[1]);
1068     } else if(frame->bs_code[0] == 7) {
1069         put_bits(&s->pb, 16, frame->bs_code[1]);
1070     }
1071     if(s->sr_code[0] == 12) {
1072         put_bits(&s->pb, 8, s->sr_code[1]);
1073     } else if(s->sr_code[0] > 12) {
1074         put_bits(&s->pb, 16, s->sr_code[1]);
1075     }
1076     flush_put_bits(&s->pb);
1077     crc = av_crc(av_crc07, 0, s->pb.buf, put_bits_count(&s->pb)>>3);
1078     put_bits(&s->pb, 8, crc);
1079 }
1080
1081 static void output_subframe_constant(FlacEncodeContext *s, int ch)
1082 {
1083     FlacSubframe *sub;
1084     int32_t res;
1085
1086     sub = &s->frame.subframes[ch];
1087     res = sub->residual[0];
1088     put_sbits(&s->pb, sub->obits, res);
1089 }
1090
1091 static void output_subframe_verbatim(FlacEncodeContext *s, int ch)
1092 {
1093     int i;
1094     FlacFrame *frame;
1095     FlacSubframe *sub;
1096     int32_t res;
1097
1098     frame = &s->frame;
1099     sub = &frame->subframes[ch];
1100
1101     for(i=0; i<frame->blocksize; i++) {
1102         res = sub->residual[i];
1103         put_sbits(&s->pb, sub->obits, res);
1104     }
1105 }
1106
1107 static void output_residual(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
1108 {
1109     int i, j, p, n, parts;
1110     int k, porder, psize, res_cnt;
1111     FlacFrame *frame;
1112     FlacSubframe *sub;
1113     int32_t *res;
1114
1115     frame = &ctx->frame;
1116     sub = &frame->subframes[ch];
1117     res = sub->residual;
1118     n = frame->blocksize;
1119
1120     /* rice-encoded block */
1121     put_bits(&ctx->pb, 2, 0);
1122
1123     /* partition order */
1124     porder = sub->rc.porder;
1125     psize = n >> porder;
1126     parts = (1 << porder);
1127     put_bits(&ctx->pb, 4, porder);
1128     res_cnt = psize - sub->order;
1129
1130     /* residual */
1131     j = sub->order;
1132     for(p=0; p<parts; p++) {
1133         k = sub->rc.params[p];
1134         put_bits(&ctx->pb, 4, k);
1135         if(p == 1) res_cnt = psize;
1136         for(i=0; i<res_cnt && j<n; i++, j++) {
1137             set_sr_golomb_flac(&ctx->pb, res[j], k, INT32_MAX, 0);
1138         }
1139     }
1140 }
1141
1142 static void output_subframe_fixed(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
1143 {
1144     int i;
1145     FlacFrame *frame;
1146     FlacSubframe *sub;
1147
1148     frame = &ctx->frame;
1149     sub = &frame->subframes[ch];
1150
1151     /* warm-up samples */
1152     for(i=0; i<sub->order; i++) {
1153         put_sbits(&ctx->pb, sub->obits, sub->residual[i]);
1154     }
1155
1156     /* residual */
1157     output_residual(ctx, ch);
1158 }
1159
1160 static void output_subframe_lpc(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
1161 {
1162     int i, cbits;
1163     FlacFrame *frame;
1164     FlacSubframe *sub;
1165
1166     frame = &ctx->frame;
1167     sub = &frame->subframes[ch];
1168
1169     /* warm-up samples */
1170     for(i=0; i<sub->order; i++) {
1171         put_sbits(&ctx->pb, sub->obits, sub->residual[i]);
1172     }
1173
1174     /* LPC coefficients */
1175     cbits = ctx->options.lpc_coeff_precision;
1176     put_bits(&ctx->pb, 4, cbits-1);
1177     put_sbits(&ctx->pb, 5, sub->shift);
1178     for(i=0; i<sub->order; i++) {
1179         put_sbits(&ctx->pb, cbits, sub->coefs[i]);
1180     }
1181
1182     /* residual */
1183     output_residual(ctx, ch);
1184 }
1185
1186 static void output_subframes(FlacEncodeContext *s)
1187 {
1188     FlacFrame *frame;
1189     FlacSubframe *sub;
1190     int ch;
1191
1192     frame = &s->frame;
1193
1194     for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
1195         sub = &frame->subframes[ch];
1196
1197         /* subframe header */
1198         put_bits(&s->pb, 1, 0);
1199         put_bits(&s->pb, 6, sub->type_code);
1200         put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no wasted bits */
1201
1202         /* subframe */
1203         if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_CONSTANT) {
1204             output_subframe_constant(s, ch);
1205         } else if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_VERBATIM) {
1206             output_subframe_verbatim(s, ch);
1207         } else if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_FIXED) {
1208             output_subframe_fixed(s, ch);
1209         } else if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_LPC) {
1210             output_subframe_lpc(s, ch);
1211         }
1212     }
1213 }
1214
1215 static void output_frame_footer(FlacEncodeContext *s)
1216 {
1217     int crc;
1218     flush_put_bits(&s->pb);
1219     crc = bswap_16(av_crc(av_crc8005, 0, s->pb.buf, put_bits_count(&s->pb)>>3));
1220     put_bits(&s->pb, 16, crc);
1221     flush_put_bits(&s->pb);
1222 }
1223
1224 static int flac_encode_frame(AVCodecContext *avctx, uint8_t *frame,
1225                              int buf_size, void *data)
1226 {
1227     int ch;
1228     FlacEncodeContext *s;
1229     int16_t *samples = data;
1230     int out_bytes;
1231
1232     s = avctx->priv_data;
1233
1234     s->blocksize = avctx->frame_size;
1235     init_frame(s);
1236
1237     copy_samples(s, samples);
1238
1239     channel_decorrelation(s);
1240
1241     for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
1242         encode_residual(s, ch);
1243     }
1244     init_put_bits(&s->pb, frame, buf_size);
1245     output_frame_header(s);
1246     output_subframes(s);
1247     output_frame_footer(s);
1248     out_bytes = put_bits_count(&s->pb) >> 3;
1249
1250     if(out_bytes > s->max_framesize || out_bytes >= buf_size) {
1251         /* frame too large. use verbatim mode */
1252         for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
1253             encode_residual_v(s, ch);
1254         }
1255         init_put_bits(&s->pb, frame, buf_size);
1256         output_frame_header(s);
1257         output_subframes(s);
1258         output_frame_footer(s);
1259         out_bytes = put_bits_count(&s->pb) >> 3;
1260
1261         if(out_bytes > s->max_framesize || out_bytes >= buf_size) {
1262             /* still too large. must be an error. */
1263             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "error encoding frame\n");
1264             return -1;
1265         }
1266     }
1267
1268     s->frame_count++;
1269     return out_bytes;
1270 }
1271
1272 static int flac_encode_close(AVCodecContext *avctx)
1273 {
1274     av_freep(&avctx->extradata);
1275     avctx->extradata_size = 0;
1276     av_freep(&avctx->coded_frame);
1277     return 0;
1278 }
1279
1280 AVCodec flac_encoder = {
1281     "flac",
1282     CODEC_TYPE_AUDIO,
1283     CODEC_ID_FLAC,
1284     sizeof(FlacEncodeContext),
1285     flac_encode_init,
1286     flac_encode_frame,
1287     flac_encode_close,
1288     NULL,
1289     .capabilities = CODEC_CAP_SMALL_LAST_FRAME,
1290 };