Move autocorrelation function from flacenc.c to lpc.c. Also rename the
[ffmpeg.git] / libavcodec / flacenc.c
1 /**
2  * FLAC audio encoder
3  * Copyright (c) 2006  Justin Ruggles <justin.ruggles@gmail.com>
4  *
5  * This file is part of FFmpeg.
6  *
7  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
8  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
9  * License as published by the Free Software Foundation; either
10  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
11  *
12  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
13  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
15  * Lesser General Public License for more details.
16  *
17  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
18  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
19  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
20  */
21
22 #include "libavutil/crc.h"
23 #include "libavutil/md5.h"
24 #include "avcodec.h"
25 #include "get_bits.h"
26 #include "dsputil.h"
27 #include "golomb.h"
28 #include "lpc.h"
29 #include "flac.h"
30 #include "flacdata.h"
31
32 #define FLAC_SUBFRAME_CONSTANT  0
33 #define FLAC_SUBFRAME_VERBATIM  1
34 #define FLAC_SUBFRAME_FIXED     8
35 #define FLAC_SUBFRAME_LPC      32
36
37 #define MAX_FIXED_ORDER     4
38 #define MAX_PARTITION_ORDER 8
39 #define MAX_PARTITIONS     (1 << MAX_PARTITION_ORDER)
40 #define MAX_LPC_PRECISION  15
41 #define MAX_LPC_SHIFT      15
42 #define MAX_RICE_PARAM     14
43
44 typedef struct CompressionOptions {
45     int compression_level;
46     int block_time_ms;
47     int use_lpc;
48     int lpc_coeff_precision;
49     int min_prediction_order;
50     int max_prediction_order;
51     int prediction_order_method;
52     int min_partition_order;
53     int max_partition_order;
54 } CompressionOptions;
55
56 typedef struct RiceContext {
57     int porder;
58     int params[MAX_PARTITIONS];
59 } RiceContext;
60
61 typedef struct FlacSubframe {
62     int type;
63     int type_code;
64     int obits;
65     int order;
66     int32_t coefs[MAX_LPC_ORDER];
67     int shift;
68     RiceContext rc;
69     int32_t samples[FLAC_MAX_BLOCKSIZE];
70     int32_t residual[FLAC_MAX_BLOCKSIZE+1];
71 } FlacSubframe;
72
73 typedef struct FlacFrame {
74     FlacSubframe subframes[FLAC_MAX_CHANNELS];
75     int blocksize;
76     int bs_code[2];
77     uint8_t crc8;
78     int ch_mode;
79 } FlacFrame;
80
81 typedef struct FlacEncodeContext {
82     PutBitContext pb;
83     int channels;
84     int samplerate;
85     int sr_code[2];
86     int max_blocksize;
87     int min_framesize;
88     int max_framesize;
89     int max_encoded_framesize;
90     uint32_t frame_count;
91     uint64_t sample_count;
92     uint8_t md5sum[16];
93     FlacFrame frame;
94     CompressionOptions options;
95     AVCodecContext *avctx;
96     DSPContext dsp;
97     struct AVMD5 *md5ctx;
98 } FlacEncodeContext;
99
100 /**
101  * Writes streaminfo metadata block to byte array
102  */
103 static void write_streaminfo(FlacEncodeContext *s, uint8_t *header)
104 {
105     PutBitContext pb;
106
107     memset(header, 0, FLAC_STREAMINFO_SIZE);
108     init_put_bits(&pb, header, FLAC_STREAMINFO_SIZE);
109
110     /* streaminfo metadata block */
111     put_bits(&pb, 16, s->max_blocksize);
112     put_bits(&pb, 16, s->max_blocksize);
113     put_bits(&pb, 24, s->min_framesize);
114     put_bits(&pb, 24, s->max_framesize);
115     put_bits(&pb, 20, s->samplerate);
116     put_bits(&pb, 3, s->channels-1);
117     put_bits(&pb, 5, 15);       /* bits per sample - 1 */
118     /* write 36-bit sample count in 2 put_bits() calls */
119     put_bits(&pb, 24, (s->sample_count & 0xFFFFFF000LL) >> 12);
120     put_bits(&pb, 12,  s->sample_count & 0x000000FFFLL);
121     flush_put_bits(&pb);
122     memcpy(&header[18], s->md5sum, 16);
123 }
124
125 /**
126  * Sets blocksize based on samplerate
127  * Chooses the closest predefined blocksize >= BLOCK_TIME_MS milliseconds
128  */
129 static int select_blocksize(int samplerate, int block_time_ms)
130 {
131     int i;
132     int target;
133     int blocksize;
134
135     assert(samplerate > 0);
136     blocksize = ff_flac_blocksize_table[1];
137     target = (samplerate * block_time_ms) / 1000;
138     for(i=0; i<16; i++) {
139         if(target >= ff_flac_blocksize_table[i] && ff_flac_blocksize_table[i] > blocksize) {
140             blocksize = ff_flac_blocksize_table[i];
141         }
142     }
143     return blocksize;
144 }
145
146 static av_cold int flac_encode_init(AVCodecContext *avctx)
147 {
148     int freq = avctx->sample_rate;
149     int channels = avctx->channels;
150     FlacEncodeContext *s = avctx->priv_data;
151     int i, level;
152     uint8_t *streaminfo;
153
154     s->avctx = avctx;
155
156     dsputil_init(&s->dsp, avctx);
157
158     if(avctx->sample_fmt != SAMPLE_FMT_S16) {
159         return -1;
160     }
161
162     if(channels < 1 || channels > FLAC_MAX_CHANNELS) {
163         return -1;
164     }
165     s->channels = channels;
166
167     /* find samplerate in table */
168     if(freq < 1)
169         return -1;
170     for(i=4; i<12; i++) {
171         if(freq == ff_flac_sample_rate_table[i]) {
172             s->samplerate = ff_flac_sample_rate_table[i];
173             s->sr_code[0] = i;
174             s->sr_code[1] = 0;
175             break;
176         }
177     }
178     /* if not in table, samplerate is non-standard */
179     if(i == 12) {
180         if(freq % 1000 == 0 && freq < 255000) {
181             s->sr_code[0] = 12;
182             s->sr_code[1] = freq / 1000;
183         } else if(freq % 10 == 0 && freq < 655350) {
184             s->sr_code[0] = 14;
185             s->sr_code[1] = freq / 10;
186         } else if(freq < 65535) {
187             s->sr_code[0] = 13;
188             s->sr_code[1] = freq;
189         } else {
190             return -1;
191         }
192         s->samplerate = freq;
193     }
194
195     /* set compression option defaults based on avctx->compression_level */
196     if(avctx->compression_level < 0) {
197         s->options.compression_level = 5;
198     } else {
199         s->options.compression_level = avctx->compression_level;
200     }
201     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " compression: %d\n", s->options.compression_level);
202
203     level= s->options.compression_level;
204     if(level > 12) {
205         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid compression level: %d\n",
206                s->options.compression_level);
207         return -1;
208     }
209
210     s->options.block_time_ms       = ((int[]){ 27, 27, 27,105,105,105,105,105,105,105,105,105,105})[level];
211     s->options.use_lpc             = ((int[]){  0,  0,  0,  1,  1,  1,  1,  1,  1,  1,  1,  1,  1})[level];
212     s->options.min_prediction_order= ((int[]){  2,  0,  0,  1,  1,  1,  1,  1,  1,  1,  1,  1,  1})[level];
213     s->options.max_prediction_order= ((int[]){  3,  4,  4,  6,  8,  8,  8,  8, 12, 12, 12, 32, 32})[level];
214     s->options.prediction_order_method = ((int[]){ ORDER_METHOD_EST,    ORDER_METHOD_EST,    ORDER_METHOD_EST,
215                                                    ORDER_METHOD_EST,    ORDER_METHOD_EST,    ORDER_METHOD_EST,
216                                                    ORDER_METHOD_4LEVEL, ORDER_METHOD_LOG,    ORDER_METHOD_4LEVEL,
217                                                    ORDER_METHOD_LOG,    ORDER_METHOD_SEARCH, ORDER_METHOD_LOG,
218                                                    ORDER_METHOD_SEARCH})[level];
219     s->options.min_partition_order = ((int[]){  2,  2,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0})[level];
220     s->options.max_partition_order = ((int[]){  2,  2,  3,  3,  3,  8,  8,  8,  8,  8,  8,  8,  8})[level];
221
222     /* set compression option overrides from AVCodecContext */
223     if(avctx->use_lpc >= 0) {
224         s->options.use_lpc = av_clip(avctx->use_lpc, 0, 11);
225     }
226     if(s->options.use_lpc == 1)
227         av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " use lpc: Levinson-Durbin recursion with Welch window\n");
228     else if(s->options.use_lpc > 1)
229         av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " use lpc: Cholesky factorization\n");
230
231     if(avctx->min_prediction_order >= 0) {
232         if(s->options.use_lpc) {
233             if(avctx->min_prediction_order < MIN_LPC_ORDER ||
234                     avctx->min_prediction_order > MAX_LPC_ORDER) {
235                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid min prediction order: %d\n",
236                        avctx->min_prediction_order);
237                 return -1;
238             }
239         } else {
240             if(avctx->min_prediction_order > MAX_FIXED_ORDER) {
241                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid min prediction order: %d\n",
242                        avctx->min_prediction_order);
243                 return -1;
244             }
245         }
246         s->options.min_prediction_order = avctx->min_prediction_order;
247     }
248     if(avctx->max_prediction_order >= 0) {
249         if(s->options.use_lpc) {
250             if(avctx->max_prediction_order < MIN_LPC_ORDER ||
251                     avctx->max_prediction_order > MAX_LPC_ORDER) {
252                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid max prediction order: %d\n",
253                        avctx->max_prediction_order);
254                 return -1;
255             }
256         } else {
257             if(avctx->max_prediction_order > MAX_FIXED_ORDER) {
258                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid max prediction order: %d\n",
259                        avctx->max_prediction_order);
260                 return -1;
261             }
262         }
263         s->options.max_prediction_order = avctx->max_prediction_order;
264     }
265     if(s->options.max_prediction_order < s->options.min_prediction_order) {
266         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid prediction orders: min=%d max=%d\n",
267                s->options.min_prediction_order, s->options.max_prediction_order);
268         return -1;
269     }
270     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " prediction order: %d, %d\n",
271            s->options.min_prediction_order, s->options.max_prediction_order);
272
273     if(avctx->prediction_order_method >= 0) {
274         if(avctx->prediction_order_method > ORDER_METHOD_LOG) {
275             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid prediction order method: %d\n",
276                    avctx->prediction_order_method);
277             return -1;
278         }
279         s->options.prediction_order_method = avctx->prediction_order_method;
280     }
281     switch(s->options.prediction_order_method) {
282         case ORDER_METHOD_EST:    av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
283                                          "estimate"); break;
284         case ORDER_METHOD_2LEVEL: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
285                                          "2-level"); break;
286         case ORDER_METHOD_4LEVEL: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
287                                          "4-level"); break;
288         case ORDER_METHOD_8LEVEL: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
289                                          "8-level"); break;
290         case ORDER_METHOD_SEARCH: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
291                                          "full search"); break;
292         case ORDER_METHOD_LOG:    av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
293                                          "log search"); break;
294     }
295
296     if(avctx->min_partition_order >= 0) {
297         if(avctx->min_partition_order > MAX_PARTITION_ORDER) {
298             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid min partition order: %d\n",
299                    avctx->min_partition_order);
300             return -1;
301         }
302         s->options.min_partition_order = avctx->min_partition_order;
303     }
304     if(avctx->max_partition_order >= 0) {
305         if(avctx->max_partition_order > MAX_PARTITION_ORDER) {
306             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid max partition order: %d\n",
307                    avctx->max_partition_order);
308             return -1;
309         }
310         s->options.max_partition_order = avctx->max_partition_order;
311     }
312     if(s->options.max_partition_order < s->options.min_partition_order) {
313         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid partition orders: min=%d max=%d\n",
314                s->options.min_partition_order, s->options.max_partition_order);
315         return -1;
316     }
317     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " partition order: %d, %d\n",
318            s->options.min_partition_order, s->options.max_partition_order);
319
320     if(avctx->frame_size > 0) {
321         if(avctx->frame_size < FLAC_MIN_BLOCKSIZE ||
322                 avctx->frame_size > FLAC_MAX_BLOCKSIZE) {
323             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid block size: %d\n",
324                    avctx->frame_size);
325             return -1;
326         }
327     } else {
328         s->avctx->frame_size = select_blocksize(s->samplerate, s->options.block_time_ms);
329     }
330     s->max_blocksize = s->avctx->frame_size;
331     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " block size: %d\n", s->avctx->frame_size);
332
333     /* set LPC precision */
334     if(avctx->lpc_coeff_precision > 0) {
335         if(avctx->lpc_coeff_precision > MAX_LPC_PRECISION) {
336             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid lpc coeff precision: %d\n",
337                    avctx->lpc_coeff_precision);
338             return -1;
339         }
340         s->options.lpc_coeff_precision = avctx->lpc_coeff_precision;
341     } else {
342         /* default LPC precision */
343         s->options.lpc_coeff_precision = 15;
344     }
345     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " lpc precision: %d\n",
346            s->options.lpc_coeff_precision);
347
348     /* set maximum encoded frame size in verbatim mode */
349     s->max_framesize = ff_flac_get_max_frame_size(s->avctx->frame_size,
350                                                   s->channels, 16);
351
352     /* initialize MD5 context */
353     s->md5ctx = av_malloc(av_md5_size);
354     if(!s->md5ctx)
355         return AVERROR_NOMEM;
356     av_md5_init(s->md5ctx);
357
358     streaminfo = av_malloc(FLAC_STREAMINFO_SIZE);
359     write_streaminfo(s, streaminfo);
360     avctx->extradata = streaminfo;
361     avctx->extradata_size = FLAC_STREAMINFO_SIZE;
362
363     s->frame_count = 0;
364     s->min_framesize = s->max_framesize;
365
366     avctx->coded_frame = avcodec_alloc_frame();
367     avctx->coded_frame->key_frame = 1;
368
369     return 0;
370 }
371
372 static void init_frame(FlacEncodeContext *s)
373 {
374     int i, ch;
375     FlacFrame *frame;
376
377     frame = &s->frame;
378
379     for(i=0; i<16; i++) {
380         if(s->avctx->frame_size == ff_flac_blocksize_table[i]) {
381             frame->blocksize = ff_flac_blocksize_table[i];
382             frame->bs_code[0] = i;
383             frame->bs_code[1] = 0;
384             break;
385         }
386     }
387     if(i == 16) {
388         frame->blocksize = s->avctx->frame_size;
389         if(frame->blocksize <= 256) {
390             frame->bs_code[0] = 6;
391             frame->bs_code[1] = frame->blocksize-1;
392         } else {
393             frame->bs_code[0] = 7;
394             frame->bs_code[1] = frame->blocksize-1;
395         }
396     }
397
398     for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
399         frame->subframes[ch].obits = 16;
400     }
401 }
402
403 /**
404  * Copy channel-interleaved input samples into separate subframes
405  */
406 static void copy_samples(FlacEncodeContext *s, int16_t *samples)
407 {
408     int i, j, ch;
409     FlacFrame *frame;
410
411     frame = &s->frame;
412     for(i=0,j=0; i<frame->blocksize; i++) {
413         for(ch=0; ch<s->channels; ch++,j++) {
414             frame->subframes[ch].samples[i] = samples[j];
415         }
416     }
417 }
418
419
420 #define rice_encode_count(sum, n, k) (((n)*((k)+1))+((sum-(n>>1))>>(k)))
421
422 /**
423  * Solve for d/dk(rice_encode_count) = n-((sum-(n>>1))>>(k+1)) = 0
424  */
425 static int find_optimal_param(uint32_t sum, int n)
426 {
427     int k;
428     uint32_t sum2;
429
430     if(sum <= n>>1)
431         return 0;
432     sum2 = sum-(n>>1);
433     k = av_log2(n<256 ? FASTDIV(sum2,n) : sum2/n);
434     return FFMIN(k, MAX_RICE_PARAM);
435 }
436
437 static uint32_t calc_optimal_rice_params(RiceContext *rc, int porder,
438                                          uint32_t *sums, int n, int pred_order)
439 {
440     int i;
441     int k, cnt, part;
442     uint32_t all_bits;
443
444     part = (1 << porder);
445     all_bits = 4 * part;
446
447     cnt = (n >> porder) - pred_order;
448     for(i=0; i<part; i++) {
449         k = find_optimal_param(sums[i], cnt);
450         rc->params[i] = k;
451         all_bits += rice_encode_count(sums[i], cnt, k);
452         cnt = n >> porder;
453     }
454
455     rc->porder = porder;
456
457     return all_bits;
458 }
459
460 static void calc_sums(int pmin, int pmax, uint32_t *data, int n, int pred_order,
461                       uint32_t sums[][MAX_PARTITIONS])
462 {
463     int i, j;
464     int parts;
465     uint32_t *res, *res_end;
466
467     /* sums for highest level */
468     parts = (1 << pmax);
469     res = &data[pred_order];
470     res_end = &data[n >> pmax];
471     for(i=0; i<parts; i++) {
472         uint32_t sum = 0;
473         while(res < res_end){
474             sum += *(res++);
475         }
476         sums[pmax][i] = sum;
477         res_end+= n >> pmax;
478     }
479     /* sums for lower levels */
480     for(i=pmax-1; i>=pmin; i--) {
481         parts = (1 << i);
482         for(j=0; j<parts; j++) {
483             sums[i][j] = sums[i+1][2*j] + sums[i+1][2*j+1];
484         }
485     }
486 }
487
488 static uint32_t calc_rice_params(RiceContext *rc, int pmin, int pmax,
489                                  int32_t *data, int n, int pred_order)
490 {
491     int i;
492     uint32_t bits[MAX_PARTITION_ORDER+1];
493     int opt_porder;
494     RiceContext tmp_rc;
495     uint32_t *udata;
496     uint32_t sums[MAX_PARTITION_ORDER+1][MAX_PARTITIONS];
497
498     assert(pmin >= 0 && pmin <= MAX_PARTITION_ORDER);
499     assert(pmax >= 0 && pmax <= MAX_PARTITION_ORDER);
500     assert(pmin <= pmax);
501
502     udata = av_malloc(n * sizeof(uint32_t));
503     for(i=0; i<n; i++) {
504         udata[i] = (2*data[i]) ^ (data[i]>>31);
505     }
506
507     calc_sums(pmin, pmax, udata, n, pred_order, sums);
508
509     opt_porder = pmin;
510     bits[pmin] = UINT32_MAX;
511     for(i=pmin; i<=pmax; i++) {
512         bits[i] = calc_optimal_rice_params(&tmp_rc, i, sums[i], n, pred_order);
513         if(bits[i] <= bits[opt_porder]) {
514             opt_porder = i;
515             *rc= tmp_rc;
516         }
517     }
518
519     av_freep(&udata);
520     return bits[opt_porder];
521 }
522
523 static int get_max_p_order(int max_porder, int n, int order)
524 {
525     int porder = FFMIN(max_porder, av_log2(n^(n-1)));
526     if(order > 0)
527         porder = FFMIN(porder, av_log2(n/order));
528     return porder;
529 }
530
531 static uint32_t calc_rice_params_fixed(RiceContext *rc, int pmin, int pmax,
532                                        int32_t *data, int n, int pred_order,
533                                        int bps)
534 {
535     uint32_t bits;
536     pmin = get_max_p_order(pmin, n, pred_order);
537     pmax = get_max_p_order(pmax, n, pred_order);
538     bits = pred_order*bps + 6;
539     bits += calc_rice_params(rc, pmin, pmax, data, n, pred_order);
540     return bits;
541 }
542
543 static uint32_t calc_rice_params_lpc(RiceContext *rc, int pmin, int pmax,
544                                      int32_t *data, int n, int pred_order,
545                                      int bps, int precision)
546 {
547     uint32_t bits;
548     pmin = get_max_p_order(pmin, n, pred_order);
549     pmax = get_max_p_order(pmax, n, pred_order);
550     bits = pred_order*bps + 4 + 5 + pred_order*precision + 6;
551     bits += calc_rice_params(rc, pmin, pmax, data, n, pred_order);
552     return bits;
553 }
554
555 static void encode_residual_verbatim(int32_t *res, int32_t *smp, int n)
556 {
557     assert(n > 0);
558     memcpy(res, smp, n * sizeof(int32_t));
559 }
560
561 static void encode_residual_fixed(int32_t *res, const int32_t *smp, int n,
562                                   int order)
563 {
564     int i;
565
566     for(i=0; i<order; i++) {
567         res[i] = smp[i];
568     }
569
570     if(order==0){
571         for(i=order; i<n; i++)
572             res[i]= smp[i];
573     }else if(order==1){
574         for(i=order; i<n; i++)
575             res[i]= smp[i] - smp[i-1];
576     }else if(order==2){
577         int a = smp[order-1] - smp[order-2];
578         for(i=order; i<n; i+=2) {
579             int b = smp[i] - smp[i-1];
580             res[i]= b - a;
581             a = smp[i+1] - smp[i];
582             res[i+1]= a - b;
583         }
584     }else if(order==3){
585         int a = smp[order-1] - smp[order-2];
586         int c = smp[order-1] - 2*smp[order-2] + smp[order-3];
587         for(i=order; i<n; i+=2) {
588             int b = smp[i] - smp[i-1];
589             int d = b - a;
590             res[i]= d - c;
591             a = smp[i+1] - smp[i];
592             c = a - b;
593             res[i+1]= c - d;
594         }
595     }else{
596         int a = smp[order-1] - smp[order-2];
597         int c = smp[order-1] - 2*smp[order-2] + smp[order-3];
598         int e = smp[order-1] - 3*smp[order-2] + 3*smp[order-3] - smp[order-4];
599         for(i=order; i<n; i+=2) {
600             int b = smp[i] - smp[i-1];
601             int d = b - a;
602             int f = d - c;
603             res[i]= f - e;
604             a = smp[i+1] - smp[i];
605             c = a - b;
606             e = c - d;
607             res[i+1]= e - f;
608         }
609     }
610 }
611
612 #define LPC1(x) {\
613     int c = coefs[(x)-1];\
614     p0 += c*s;\
615     s = smp[i-(x)+1];\
616     p1 += c*s;\
617 }
618
619 static av_always_inline void encode_residual_lpc_unrolled(
620     int32_t *res, const int32_t *smp, int n,
621     int order, const int32_t *coefs, int shift, int big)
622 {
623     int i;
624     for(i=order; i<n; i+=2) {
625         int s = smp[i-order];
626         int p0 = 0, p1 = 0;
627         if(big) {
628             switch(order) {
629                 case 32: LPC1(32)
630                 case 31: LPC1(31)
631                 case 30: LPC1(30)
632                 case 29: LPC1(29)
633                 case 28: LPC1(28)
634                 case 27: LPC1(27)
635                 case 26: LPC1(26)
636                 case 25: LPC1(25)
637                 case 24: LPC1(24)
638                 case 23: LPC1(23)
639                 case 22: LPC1(22)
640                 case 21: LPC1(21)
641                 case 20: LPC1(20)
642                 case 19: LPC1(19)
643                 case 18: LPC1(18)
644                 case 17: LPC1(17)
645                 case 16: LPC1(16)
646                 case 15: LPC1(15)
647                 case 14: LPC1(14)
648                 case 13: LPC1(13)
649                 case 12: LPC1(12)
650                 case 11: LPC1(11)
651                 case 10: LPC1(10)
652                 case  9: LPC1( 9)
653                          LPC1( 8)
654                          LPC1( 7)
655                          LPC1( 6)
656                          LPC1( 5)
657                          LPC1( 4)
658                          LPC1( 3)
659                          LPC1( 2)
660                          LPC1( 1)
661             }
662         } else {
663             switch(order) {
664                 case  8: LPC1( 8)
665                 case  7: LPC1( 7)
666                 case  6: LPC1( 6)
667                 case  5: LPC1( 5)
668                 case  4: LPC1( 4)
669                 case  3: LPC1( 3)
670                 case  2: LPC1( 2)
671                 case  1: LPC1( 1)
672             }
673         }
674         res[i  ] = smp[i  ] - (p0 >> shift);
675         res[i+1] = smp[i+1] - (p1 >> shift);
676     }
677 }
678
679 static void encode_residual_lpc(int32_t *res, const int32_t *smp, int n,
680                                 int order, const int32_t *coefs, int shift)
681 {
682     int i;
683     for(i=0; i<order; i++) {
684         res[i] = smp[i];
685     }
686 #if CONFIG_SMALL
687     for(i=order; i<n; i+=2) {
688         int j;
689         int s = smp[i];
690         int p0 = 0, p1 = 0;
691         for(j=0; j<order; j++) {
692             int c = coefs[j];
693             p1 += c*s;
694             s = smp[i-j-1];
695             p0 += c*s;
696         }
697         res[i  ] = smp[i  ] - (p0 >> shift);
698         res[i+1] = smp[i+1] - (p1 >> shift);
699     }
700 #else
701     switch(order) {
702         case  1: encode_residual_lpc_unrolled(res, smp, n, 1, coefs, shift, 0); break;
703         case  2: encode_residual_lpc_unrolled(res, smp, n, 2, coefs, shift, 0); break;
704         case  3: encode_residual_lpc_unrolled(res, smp, n, 3, coefs, shift, 0); break;
705         case  4: encode_residual_lpc_unrolled(res, smp, n, 4, coefs, shift, 0); break;
706         case  5: encode_residual_lpc_unrolled(res, smp, n, 5, coefs, shift, 0); break;
707         case  6: encode_residual_lpc_unrolled(res, smp, n, 6, coefs, shift, 0); break;
708         case  7: encode_residual_lpc_unrolled(res, smp, n, 7, coefs, shift, 0); break;
709         case  8: encode_residual_lpc_unrolled(res, smp, n, 8, coefs, shift, 0); break;
710         default: encode_residual_lpc_unrolled(res, smp, n, order, coefs, shift, 1); break;
711     }
712 #endif
713 }
714
715 static int encode_residual(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
716 {
717     int i, n;
718     int min_order, max_order, opt_order, precision, omethod;
719     int min_porder, max_porder;
720     FlacFrame *frame;
721     FlacSubframe *sub;
722     int32_t coefs[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
723     int shift[MAX_LPC_ORDER];
724     int32_t *res, *smp;
725
726     frame = &ctx->frame;
727     sub = &frame->subframes[ch];
728     res = sub->residual;
729     smp = sub->samples;
730     n = frame->blocksize;
731
732     /* CONSTANT */
733     for(i=1; i<n; i++) {
734         if(smp[i] != smp[0]) break;
735     }
736     if(i == n) {
737         sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_CONSTANT;
738         res[0] = smp[0];
739         return sub->obits;
740     }
741
742     /* VERBATIM */
743     if(n < 5) {
744         sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_VERBATIM;
745         encode_residual_verbatim(res, smp, n);
746         return sub->obits * n;
747     }
748
749     min_order = ctx->options.min_prediction_order;
750     max_order = ctx->options.max_prediction_order;
751     min_porder = ctx->options.min_partition_order;
752     max_porder = ctx->options.max_partition_order;
753     precision = ctx->options.lpc_coeff_precision;
754     omethod = ctx->options.prediction_order_method;
755
756     /* FIXED */
757     if(!ctx->options.use_lpc || max_order == 0 || (n <= max_order)) {
758         uint32_t bits[MAX_FIXED_ORDER+1];
759         if(max_order > MAX_FIXED_ORDER) max_order = MAX_FIXED_ORDER;
760         opt_order = 0;
761         bits[0] = UINT32_MAX;
762         for(i=min_order; i<=max_order; i++) {
763             encode_residual_fixed(res, smp, n, i);
764             bits[i] = calc_rice_params_fixed(&sub->rc, min_porder, max_porder, res,
765                                              n, i, sub->obits);
766             if(bits[i] < bits[opt_order]) {
767                 opt_order = i;
768             }
769         }
770         sub->order = opt_order;
771         sub->type = FLAC_SUBFRAME_FIXED;
772         sub->type_code = sub->type | sub->order;
773         if(sub->order != max_order) {
774             encode_residual_fixed(res, smp, n, sub->order);
775             return calc_rice_params_fixed(&sub->rc, min_porder, max_porder, res, n,
776                                           sub->order, sub->obits);
777         }
778         return bits[sub->order];
779     }
780
781     /* LPC */
782     opt_order = ff_lpc_calc_coefs(&ctx->dsp, smp, n, min_order, max_order,
783                                   precision, coefs, shift, ctx->options.use_lpc,
784                                   omethod, MAX_LPC_SHIFT, 0);
785
786     if(omethod == ORDER_METHOD_2LEVEL ||
787        omethod == ORDER_METHOD_4LEVEL ||
788        omethod == ORDER_METHOD_8LEVEL) {
789         int levels = 1 << omethod;
790         uint32_t bits[levels];
791         int order;
792         int opt_index = levels-1;
793         opt_order = max_order-1;
794         bits[opt_index] = UINT32_MAX;
795         for(i=levels-1; i>=0; i--) {
796             order = min_order + (((max_order-min_order+1) * (i+1)) / levels)-1;
797             if(order < 0) order = 0;
798             encode_residual_lpc(res, smp, n, order+1, coefs[order], shift[order]);
799             bits[i] = calc_rice_params_lpc(&sub->rc, min_porder, max_porder,
800                                            res, n, order+1, sub->obits, precision);
801             if(bits[i] < bits[opt_index]) {
802                 opt_index = i;
803                 opt_order = order;
804             }
805         }
806         opt_order++;
807     } else if(omethod == ORDER_METHOD_SEARCH) {
808         // brute-force optimal order search
809         uint32_t bits[MAX_LPC_ORDER];
810         opt_order = 0;
811         bits[0] = UINT32_MAX;
812         for(i=min_order-1; i<max_order; i++) {
813             encode_residual_lpc(res, smp, n, i+1, coefs[i], shift[i]);
814             bits[i] = calc_rice_params_lpc(&sub->rc, min_porder, max_porder,
815                                            res, n, i+1, sub->obits, precision);
816             if(bits[i] < bits[opt_order]) {
817                 opt_order = i;
818             }
819         }
820         opt_order++;
821     } else if(omethod == ORDER_METHOD_LOG) {
822         uint32_t bits[MAX_LPC_ORDER];
823         int step;
824
825         opt_order= min_order - 1 + (max_order-min_order)/3;
826         memset(bits, -1, sizeof(bits));
827
828         for(step=16 ;step; step>>=1){
829             int last= opt_order;
830             for(i=last-step; i<=last+step; i+= step){
831                 if(i<min_order-1 || i>=max_order || bits[i] < UINT32_MAX)
832                     continue;
833                 encode_residual_lpc(res, smp, n, i+1, coefs[i], shift[i]);
834                 bits[i] = calc_rice_params_lpc(&sub->rc, min_porder, max_porder,
835                                             res, n, i+1, sub->obits, precision);
836                 if(bits[i] < bits[opt_order])
837                     opt_order= i;
838             }
839         }
840         opt_order++;
841     }
842
843     sub->order = opt_order;
844     sub->type = FLAC_SUBFRAME_LPC;
845     sub->type_code = sub->type | (sub->order-1);
846     sub->shift = shift[sub->order-1];
847     for(i=0; i<sub->order; i++) {
848         sub->coefs[i] = coefs[sub->order-1][i];
849     }
850     encode_residual_lpc(res, smp, n, sub->order, sub->coefs, sub->shift);
851     return calc_rice_params_lpc(&sub->rc, min_porder, max_porder, res, n, sub->order,
852                                 sub->obits, precision);
853 }
854
855 static int encode_residual_v(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
856 {
857     int i, n;
858     FlacFrame *frame;
859     FlacSubframe *sub;
860     int32_t *res, *smp;
861
862     frame = &ctx->frame;
863     sub = &frame->subframes[ch];
864     res = sub->residual;
865     smp = sub->samples;
866     n = frame->blocksize;
867
868     /* CONSTANT */
869     for(i=1; i<n; i++) {
870         if(smp[i] != smp[0]) break;
871     }
872     if(i == n) {
873         sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_CONSTANT;
874         res[0] = smp[0];
875         return sub->obits;
876     }
877
878     /* VERBATIM */
879     sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_VERBATIM;
880     encode_residual_verbatim(res, smp, n);
881     return sub->obits * n;
882 }
883
884 static int estimate_stereo_mode(int32_t *left_ch, int32_t *right_ch, int n)
885 {
886     int i, best;
887     int32_t lt, rt;
888     uint64_t sum[4];
889     uint64_t score[4];
890     int k;
891
892     /* calculate sum of 2nd order residual for each channel */
893     sum[0] = sum[1] = sum[2] = sum[3] = 0;
894     for(i=2; i<n; i++) {
895         lt = left_ch[i] - 2*left_ch[i-1] + left_ch[i-2];
896         rt = right_ch[i] - 2*right_ch[i-1] + right_ch[i-2];
897         sum[2] += FFABS((lt + rt) >> 1);
898         sum[3] += FFABS(lt - rt);
899         sum[0] += FFABS(lt);
900         sum[1] += FFABS(rt);
901     }
902     /* estimate bit counts */
903     for(i=0; i<4; i++) {
904         k = find_optimal_param(2*sum[i], n);
905         sum[i] = rice_encode_count(2*sum[i], n, k);
906     }
907
908     /* calculate score for each mode */
909     score[0] = sum[0] + sum[1];
910     score[1] = sum[0] + sum[3];
911     score[2] = sum[1] + sum[3];
912     score[3] = sum[2] + sum[3];
913
914     /* return mode with lowest score */
915     best = 0;
916     for(i=1; i<4; i++) {
917         if(score[i] < score[best]) {
918             best = i;
919         }
920     }
921     if(best == 0) {
922         return FLAC_CHMODE_INDEPENDENT;
923     } else if(best == 1) {
924         return FLAC_CHMODE_LEFT_SIDE;
925     } else if(best == 2) {
926         return FLAC_CHMODE_RIGHT_SIDE;
927     } else {
928         return FLAC_CHMODE_MID_SIDE;
929     }
930 }
931
932 /**
933  * Perform stereo channel decorrelation
934  */
935 static void channel_decorrelation(FlacEncodeContext *ctx)
936 {
937     FlacFrame *frame;
938     int32_t *left, *right;
939     int i, n;
940
941     frame = &ctx->frame;
942     n = frame->blocksize;
943     left  = frame->subframes[0].samples;
944     right = frame->subframes[1].samples;
945
946     if(ctx->channels != 2) {
947         frame->ch_mode = FLAC_CHMODE_INDEPENDENT;
948         return;
949     }
950
951     frame->ch_mode = estimate_stereo_mode(left, right, n);
952
953     /* perform decorrelation and adjust bits-per-sample */
954     if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_INDEPENDENT) {
955         return;
956     }
957     if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_MID_SIDE) {
958         int32_t tmp;
959         for(i=0; i<n; i++) {
960             tmp = left[i];
961             left[i] = (tmp + right[i]) >> 1;
962             right[i] = tmp - right[i];
963         }
964         frame->subframes[1].obits++;
965     } else if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_LEFT_SIDE) {
966         for(i=0; i<n; i++) {
967             right[i] = left[i] - right[i];
968         }
969         frame->subframes[1].obits++;
970     } else {
971         for(i=0; i<n; i++) {
972             left[i] -= right[i];
973         }
974         frame->subframes[0].obits++;
975     }
976 }
977
978 static void write_utf8(PutBitContext *pb, uint32_t val)
979 {
980     uint8_t tmp;
981     PUT_UTF8(val, tmp, put_bits(pb, 8, tmp);)
982 }
983
984 static void output_frame_header(FlacEncodeContext *s)
985 {
986     FlacFrame *frame;
987     int crc;
988
989     frame = &s->frame;
990
991     put_bits(&s->pb, 16, 0xFFF8);
992     put_bits(&s->pb, 4, frame->bs_code[0]);
993     put_bits(&s->pb, 4, s->sr_code[0]);
994     if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_INDEPENDENT) {
995         put_bits(&s->pb, 4, s->channels-1);
996     } else {
997         put_bits(&s->pb, 4, frame->ch_mode);
998     }
999     put_bits(&s->pb, 3, 4); /* bits-per-sample code */
1000     put_bits(&s->pb, 1, 0);
1001     write_utf8(&s->pb, s->frame_count);
1002     if(frame->bs_code[0] == 6) {
1003         put_bits(&s->pb, 8, frame->bs_code[1]);
1004     } else if(frame->bs_code[0] == 7) {
1005         put_bits(&s->pb, 16, frame->bs_code[1]);
1006     }
1007     if(s->sr_code[0] == 12) {
1008         put_bits(&s->pb, 8, s->sr_code[1]);
1009     } else if(s->sr_code[0] > 12) {
1010         put_bits(&s->pb, 16, s->sr_code[1]);
1011     }
1012     flush_put_bits(&s->pb);
1013     crc = av_crc(av_crc_get_table(AV_CRC_8_ATM), 0,
1014                  s->pb.buf, put_bits_count(&s->pb)>>3);
1015     put_bits(&s->pb, 8, crc);
1016 }
1017
1018 static void output_subframe_constant(FlacEncodeContext *s, int ch)
1019 {
1020     FlacSubframe *sub;
1021     int32_t res;
1022
1023     sub = &s->frame.subframes[ch];
1024     res = sub->residual[0];
1025     put_sbits(&s->pb, sub->obits, res);
1026 }
1027
1028 static void output_subframe_verbatim(FlacEncodeContext *s, int ch)
1029 {
1030     int i;
1031     FlacFrame *frame;
1032     FlacSubframe *sub;
1033     int32_t res;
1034
1035     frame = &s->frame;
1036     sub = &frame->subframes[ch];
1037
1038     for(i=0; i<frame->blocksize; i++) {
1039         res = sub->residual[i];
1040         put_sbits(&s->pb, sub->obits, res);
1041     }
1042 }
1043
1044 static void output_residual(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
1045 {
1046     int i, j, p, n, parts;
1047     int k, porder, psize, res_cnt;
1048     FlacFrame *frame;
1049     FlacSubframe *sub;
1050     int32_t *res;
1051
1052     frame = &ctx->frame;
1053     sub = &frame->subframes[ch];
1054     res = sub->residual;
1055     n = frame->blocksize;
1056
1057     /* rice-encoded block */
1058     put_bits(&ctx->pb, 2, 0);
1059
1060     /* partition order */
1061     porder = sub->rc.porder;
1062     psize = n >> porder;
1063     parts = (1 << porder);
1064     put_bits(&ctx->pb, 4, porder);
1065     res_cnt = psize - sub->order;
1066
1067     /* residual */
1068     j = sub->order;
1069     for(p=0; p<parts; p++) {
1070         k = sub->rc.params[p];
1071         put_bits(&ctx->pb, 4, k);
1072         if(p == 1) res_cnt = psize;
1073         for(i=0; i<res_cnt && j<n; i++, j++) {
1074             set_sr_golomb_flac(&ctx->pb, res[j], k, INT32_MAX, 0);
1075         }
1076     }
1077 }
1078
1079 static void output_subframe_fixed(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
1080 {
1081     int i;
1082     FlacFrame *frame;
1083     FlacSubframe *sub;
1084
1085     frame = &ctx->frame;
1086     sub = &frame->subframes[ch];
1087
1088     /* warm-up samples */
1089     for(i=0; i<sub->order; i++) {
1090         put_sbits(&ctx->pb, sub->obits, sub->residual[i]);
1091     }
1092
1093     /* residual */
1094     output_residual(ctx, ch);
1095 }
1096
1097 static void output_subframe_lpc(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
1098 {
1099     int i, cbits;
1100     FlacFrame *frame;
1101     FlacSubframe *sub;
1102
1103     frame = &ctx->frame;
1104     sub = &frame->subframes[ch];
1105
1106     /* warm-up samples */
1107     for(i=0; i<sub->order; i++) {
1108         put_sbits(&ctx->pb, sub->obits, sub->residual[i]);
1109     }
1110
1111     /* LPC coefficients */
1112     cbits = ctx->options.lpc_coeff_precision;
1113     put_bits(&ctx->pb, 4, cbits-1);
1114     put_sbits(&ctx->pb, 5, sub->shift);
1115     for(i=0; i<sub->order; i++) {
1116         put_sbits(&ctx->pb, cbits, sub->coefs[i]);
1117     }
1118
1119     /* residual */
1120     output_residual(ctx, ch);
1121 }
1122
1123 static void output_subframes(FlacEncodeContext *s)
1124 {
1125     FlacFrame *frame;
1126     FlacSubframe *sub;
1127     int ch;
1128
1129     frame = &s->frame;
1130
1131     for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
1132         sub = &frame->subframes[ch];
1133
1134         /* subframe header */
1135         put_bits(&s->pb, 1, 0);
1136         put_bits(&s->pb, 6, sub->type_code);
1137         put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no wasted bits */
1138
1139         /* subframe */
1140         if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_CONSTANT) {
1141             output_subframe_constant(s, ch);
1142         } else if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_VERBATIM) {
1143             output_subframe_verbatim(s, ch);
1144         } else if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_FIXED) {
1145             output_subframe_fixed(s, ch);
1146         } else if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_LPC) {
1147             output_subframe_lpc(s, ch);
1148         }
1149     }
1150 }
1151
1152 static void output_frame_footer(FlacEncodeContext *s)
1153 {
1154     int crc;
1155     flush_put_bits(&s->pb);
1156     crc = bswap_16(av_crc(av_crc_get_table(AV_CRC_16_ANSI), 0,
1157                           s->pb.buf, put_bits_count(&s->pb)>>3));
1158     put_bits(&s->pb, 16, crc);
1159     flush_put_bits(&s->pb);
1160 }
1161
1162 static void update_md5_sum(FlacEncodeContext *s, int16_t *samples)
1163 {
1164 #if HAVE_BIGENDIAN
1165     int i;
1166     for(i = 0; i < s->frame.blocksize*s->channels; i++) {
1167         int16_t smp = le2me_16(samples[i]);
1168         av_md5_update(s->md5ctx, (uint8_t *)&smp, 2);
1169     }
1170 #else
1171     av_md5_update(s->md5ctx, (uint8_t *)samples, s->frame.blocksize*s->channels*2);
1172 #endif
1173 }
1174
1175 static int flac_encode_frame(AVCodecContext *avctx, uint8_t *frame,
1176                              int buf_size, void *data)
1177 {
1178     int ch;
1179     FlacEncodeContext *s;
1180     int16_t *samples = data;
1181     int out_bytes;
1182     int reencoded=0;
1183
1184     s = avctx->priv_data;
1185
1186     if(buf_size < s->max_framesize*2) {
1187         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "output buffer too small\n");
1188         return 0;
1189     }
1190
1191     /* when the last block is reached, update the header in extradata */
1192     if (!data) {
1193         s->max_framesize = s->max_encoded_framesize;
1194         av_md5_final(s->md5ctx, s->md5sum);
1195         write_streaminfo(s, avctx->extradata);
1196         return 0;
1197     }
1198
1199     init_frame(s);
1200
1201     copy_samples(s, samples);
1202
1203     channel_decorrelation(s);
1204
1205     for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
1206         encode_residual(s, ch);
1207     }
1208
1209 write_frame:
1210     init_put_bits(&s->pb, frame, buf_size);
1211     output_frame_header(s);
1212     output_subframes(s);
1213     output_frame_footer(s);
1214     out_bytes = put_bits_count(&s->pb) >> 3;
1215
1216     if(out_bytes > s->max_framesize) {
1217         if(reencoded) {
1218             /* still too large. must be an error. */
1219             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "error encoding frame\n");
1220             return -1;
1221         }
1222
1223         /* frame too large. use verbatim mode */
1224         for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
1225             encode_residual_v(s, ch);
1226         }
1227         reencoded = 1;
1228         goto write_frame;
1229     }
1230
1231     s->frame_count++;
1232     s->sample_count += avctx->frame_size;
1233     update_md5_sum(s, samples);
1234     if (out_bytes > s->max_encoded_framesize)
1235         s->max_encoded_framesize = out_bytes;
1236     if (out_bytes < s->min_framesize)
1237         s->min_framesize = out_bytes;
1238
1239     return out_bytes;
1240 }
1241
1242 static av_cold int flac_encode_close(AVCodecContext *avctx)
1243 {
1244     if (avctx->priv_data) {
1245         FlacEncodeContext *s = avctx->priv_data;
1246         av_freep(&s->md5ctx);
1247     }
1248     av_freep(&avctx->extradata);
1249     avctx->extradata_size = 0;
1250     av_freep(&avctx->coded_frame);
1251     return 0;
1252 }
1253
1254 AVCodec flac_encoder = {
1255     "flac",
1256     CODEC_TYPE_AUDIO,
1257     CODEC_ID_FLAC,
1258     sizeof(FlacEncodeContext),
1259     flac_encode_init,
1260     flac_encode_frame,
1261     flac_encode_close,
1262     NULL,
1263     .capabilities = CODEC_CAP_SMALL_LAST_FRAME | CODEC_CAP_DELAY,
1264     .sample_fmts = (const enum SampleFormat[]){SAMPLE_FMT_S16,SAMPLE_FMT_NONE},
1265     .long_name = NULL_IF_CONFIG_SMALL("FLAC (Free Lossless Audio Codec)"),
1266 };