g722: split decoder and encoder into separate files
[ffmpeg.git] / libavcodec / g722enc.c
1 /*
2  * Copyright (c) CMU 1993 Computer Science, Speech Group
3  *                        Chengxiang Lu and Alex Hauptmann
4  * Copyright (c) 2005 Steve Underwood <steveu at coppice.org>
5  * Copyright (c) 2009 Kenan Gillet
6  * Copyright (c) 2010 Martin Storsjo
7  *
8  * This file is part of Libav.
9  *
10  * Libav is free software; you can redistribute it and/or
11  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
12  * License as published by the Free Software Foundation; either
13  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
14  *
15  * Libav is distributed in the hope that it will be useful,
16  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
17  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
18  * Lesser General Public License for more details.
19  *
20  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
21  * License along with Libav; if not, write to the Free Software
22  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
23  */
24
25 /**
26  * @file
27  * G.722 ADPCM audio encoder
28  */
29
30 #include "avcodec.h"
31 #include "g722.h"
32
33 #define FREEZE_INTERVAL 128
34
35 static av_cold int g722_encode_init(AVCodecContext * avctx)
36 {
37     G722Context *c = avctx->priv_data;
38
39     if (avctx->channels != 1) {
40         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Only mono tracks are allowed.\n");
41         return AVERROR_INVALIDDATA;
42     }
43
44     c->band[0].scale_factor = 8;
45     c->band[1].scale_factor = 2;
46     c->prev_samples_pos = 22;
47
48     if (avctx->trellis) {
49         int frontier = 1 << avctx->trellis;
50         int max_paths = frontier * FREEZE_INTERVAL;
51         int i;
52         for (i = 0; i < 2; i++) {
53             c->paths[i] = av_mallocz(max_paths * sizeof(**c->paths));
54             c->node_buf[i] = av_mallocz(2 * frontier * sizeof(**c->node_buf));
55             c->nodep_buf[i] = av_mallocz(2 * frontier * sizeof(**c->nodep_buf));
56         }
57     }
58
59     return 0;
60 }
61
62 static av_cold int g722_encode_close(AVCodecContext *avctx)
63 {
64     G722Context *c = avctx->priv_data;
65     int i;
66     for (i = 0; i < 2; i++) {
67         av_freep(&c->paths[i]);
68         av_freep(&c->node_buf[i]);
69         av_freep(&c->nodep_buf[i]);
70     }
71     return 0;
72 }
73
74 static const int16_t low_quant[33] = {
75       35,   72,  110,  150,  190,  233,  276,  323,
76      370,  422,  473,  530,  587,  650,  714,  786,
77      858,  940, 1023, 1121, 1219, 1339, 1458, 1612,
78     1765, 1980, 2195, 2557, 2919
79 };
80
81 static inline void filter_samples(G722Context *c, const int16_t *samples,
82                                   int *xlow, int *xhigh)
83 {
84     int xout1, xout2;
85     c->prev_samples[c->prev_samples_pos++] = samples[0];
86     c->prev_samples[c->prev_samples_pos++] = samples[1];
87     ff_g722_apply_qmf(c->prev_samples + c->prev_samples_pos - 24, &xout1, &xout2);
88     *xlow  = xout1 + xout2 >> 13;
89     *xhigh = xout1 - xout2 >> 13;
90     if (c->prev_samples_pos >= PREV_SAMPLES_BUF_SIZE) {
91         memmove(c->prev_samples,
92                 c->prev_samples + c->prev_samples_pos - 22,
93                 22 * sizeof(c->prev_samples[0]));
94         c->prev_samples_pos = 22;
95     }
96 }
97
98 static inline int encode_high(const struct G722Band *state, int xhigh)
99 {
100     int diff = av_clip_int16(xhigh - state->s_predictor);
101     int pred = 141 * state->scale_factor >> 8;
102            /* = diff >= 0 ? (diff < pred) + 2 : diff >= -pred */
103     return ((diff ^ (diff >> (sizeof(diff)*8-1))) < pred) + 2*(diff >= 0);
104 }
105
106 static inline int encode_low(const struct G722Band* state, int xlow)
107 {
108     int diff  = av_clip_int16(xlow - state->s_predictor);
109            /* = diff >= 0 ? diff : -(diff + 1) */
110     int limit = diff ^ (diff >> (sizeof(diff)*8-1));
111     int i = 0;
112     limit = limit + 1 << 10;
113     if (limit > low_quant[8] * state->scale_factor)
114         i = 9;
115     while (i < 29 && limit > low_quant[i] * state->scale_factor)
116         i++;
117     return (diff < 0 ? (i < 2 ? 63 : 33) : 61) - i;
118 }
119
120 static int g722_encode_trellis(AVCodecContext *avctx,
121                                uint8_t *dst, int buf_size, void *data)
122 {
123     G722Context *c = avctx->priv_data;
124     const int16_t *samples = data;
125     int i, j, k;
126     int frontier = 1 << avctx->trellis;
127     struct TrellisNode **nodes[2];
128     struct TrellisNode **nodes_next[2];
129     int pathn[2] = {0, 0}, froze = -1;
130     struct TrellisPath *p[2];
131
132     for (i = 0; i < 2; i++) {
133         nodes[i] = c->nodep_buf[i];
134         nodes_next[i] = c->nodep_buf[i] + frontier;
135         memset(c->nodep_buf[i], 0, 2 * frontier * sizeof(*c->nodep_buf));
136         nodes[i][0] = c->node_buf[i] + frontier;
137         nodes[i][0]->ssd = 0;
138         nodes[i][0]->path = 0;
139         nodes[i][0]->state = c->band[i];
140     }
141
142     for (i = 0; i < buf_size >> 1; i++) {
143         int xlow, xhigh;
144         struct TrellisNode *next[2];
145         int heap_pos[2] = {0, 0};
146
147         for (j = 0; j < 2; j++) {
148             next[j] = c->node_buf[j] + frontier*(i & 1);
149             memset(nodes_next[j], 0, frontier * sizeof(**nodes_next));
150         }
151
152         filter_samples(c, &samples[2*i], &xlow, &xhigh);
153
154         for (j = 0; j < frontier && nodes[0][j]; j++) {
155             /* Only k >> 2 affects the future adaptive state, therefore testing
156              * small steps that don't change k >> 2 is useless, the orignal
157              * value from encode_low is better than them. Since we step k
158              * in steps of 4, make sure range is a multiple of 4, so that
159              * we don't miss the original value from encode_low. */
160             int range = j < frontier/2 ? 4 : 0;
161             struct TrellisNode *cur_node = nodes[0][j];
162
163             int ilow = encode_low(&cur_node->state, xlow);
164
165             for (k = ilow - range; k <= ilow + range && k <= 63; k += 4) {
166                 int decoded, dec_diff, pos;
167                 uint32_t ssd;
168                 struct TrellisNode* node;
169
170                 if (k < 0)
171                     continue;
172
173                 decoded = av_clip((cur_node->state.scale_factor *
174                                   ff_g722_low_inv_quant6[k] >> 10)
175                                 + cur_node->state.s_predictor, -16384, 16383);
176                 dec_diff = xlow - decoded;
177
178 #define STORE_NODE(index, UPDATE, VALUE)\
179                 ssd = cur_node->ssd + dec_diff*dec_diff;\
180                 /* Check for wraparound. Using 64 bit ssd counters would \
181                  * be simpler, but is slower on x86 32 bit. */\
182                 if (ssd < cur_node->ssd)\
183                     continue;\
184                 if (heap_pos[index] < frontier) {\
185                     pos = heap_pos[index]++;\
186                     assert(pathn[index] < FREEZE_INTERVAL * frontier);\
187                     node = nodes_next[index][pos] = next[index]++;\
188                     node->path = pathn[index]++;\
189                 } else {\
190                     /* Try to replace one of the leaf nodes with the new \
191                      * one, but not always testing the same leaf position */\
192                     pos = (frontier>>1) + (heap_pos[index] & ((frontier>>1) - 1));\
193                     if (ssd >= nodes_next[index][pos]->ssd)\
194                         continue;\
195                     heap_pos[index]++;\
196                     node = nodes_next[index][pos];\
197                 }\
198                 node->ssd = ssd;\
199                 node->state = cur_node->state;\
200                 UPDATE;\
201                 c->paths[index][node->path].value = VALUE;\
202                 c->paths[index][node->path].prev = cur_node->path;\
203                 /* Sift the newly inserted node up in the heap to restore \
204                  * the heap property */\
205                 while (pos > 0) {\
206                     int parent = (pos - 1) >> 1;\
207                     if (nodes_next[index][parent]->ssd <= ssd)\
208                         break;\
209                     FFSWAP(struct TrellisNode*, nodes_next[index][parent],\
210                                                 nodes_next[index][pos]);\
211                     pos = parent;\
212                 }
213                 STORE_NODE(0, ff_g722_update_low_predictor(&node->state, k >> 2), k);
214             }
215         }
216
217         for (j = 0; j < frontier && nodes[1][j]; j++) {
218             int ihigh;
219             struct TrellisNode *cur_node = nodes[1][j];
220
221             /* We don't try to get any initial guess for ihigh via
222              * encode_high - since there's only 4 possible values, test
223              * them all. Testing all of these gives a much, much larger
224              * gain than testing a larger range around ilow. */
225             for (ihigh = 0; ihigh < 4; ihigh++) {
226                 int dhigh, decoded, dec_diff, pos;
227                 uint32_t ssd;
228                 struct TrellisNode* node;
229
230                 dhigh = cur_node->state.scale_factor *
231                         ff_g722_high_inv_quant[ihigh] >> 10;
232                 decoded = av_clip(dhigh + cur_node->state.s_predictor,
233                                   -16384, 16383);
234                 dec_diff = xhigh - decoded;
235
236                 STORE_NODE(1, ff_g722_update_high_predictor(&node->state, dhigh, ihigh), ihigh);
237             }
238         }
239
240         for (j = 0; j < 2; j++) {
241             FFSWAP(struct TrellisNode**, nodes[j], nodes_next[j]);
242
243             if (nodes[j][0]->ssd > (1 << 16)) {
244                 for (k = 1; k < frontier && nodes[j][k]; k++)
245                     nodes[j][k]->ssd -= nodes[j][0]->ssd;
246                 nodes[j][0]->ssd = 0;
247             }
248         }
249
250         if (i == froze + FREEZE_INTERVAL) {
251             p[0] = &c->paths[0][nodes[0][0]->path];
252             p[1] = &c->paths[1][nodes[1][0]->path];
253             for (j = i; j > froze; j--) {
254                 dst[j] = p[1]->value << 6 | p[0]->value;
255                 p[0] = &c->paths[0][p[0]->prev];
256                 p[1] = &c->paths[1][p[1]->prev];
257             }
258             froze = i;
259             pathn[0] = pathn[1] = 0;
260             memset(nodes[0] + 1, 0, (frontier - 1)*sizeof(**nodes));
261             memset(nodes[1] + 1, 0, (frontier - 1)*sizeof(**nodes));
262         }
263     }
264
265     p[0] = &c->paths[0][nodes[0][0]->path];
266     p[1] = &c->paths[1][nodes[1][0]->path];
267     for (j = i; j > froze; j--) {
268         dst[j] = p[1]->value << 6 | p[0]->value;
269         p[0] = &c->paths[0][p[0]->prev];
270         p[1] = &c->paths[1][p[1]->prev];
271     }
272     c->band[0] = nodes[0][0]->state;
273     c->band[1] = nodes[1][0]->state;
274
275     return i;
276 }
277
278 static int g722_encode_frame(AVCodecContext *avctx,
279                              uint8_t *dst, int buf_size, void *data)
280 {
281     G722Context *c = avctx->priv_data;
282     const int16_t *samples = data;
283     int i;
284
285     if (avctx->trellis)
286         return g722_encode_trellis(avctx, dst, buf_size, data);
287
288     for (i = 0; i < buf_size >> 1; i++) {
289         int xlow, xhigh, ihigh, ilow;
290         filter_samples(c, &samples[2*i], &xlow, &xhigh);
291         ihigh = encode_high(&c->band[1], xhigh);
292         ilow  = encode_low(&c->band[0], xlow);
293         ff_g722_update_high_predictor(&c->band[1], c->band[1].scale_factor *
294                                       ff_g722_high_inv_quant[ihigh] >> 10, ihigh);
295         ff_g722_update_low_predictor(&c->band[0], ilow >> 2);
296         *dst++ = ihigh << 6 | ilow;
297     }
298     return i;
299 }
300
301 AVCodec ff_adpcm_g722_encoder = {
302     .name           = "g722",
303     .type           = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
304     .id             = CODEC_ID_ADPCM_G722,
305     .priv_data_size = sizeof(G722Context),
306     .init           = g722_encode_init,
307     .close          = g722_encode_close,
308     .encode         = g722_encode_frame,
309     .long_name      = NULL_IF_CONFIG_SMALL("G.722 ADPCM"),
310     .sample_fmts    = (const enum AVSampleFormat[]){AV_SAMPLE_FMT_S16,AV_SAMPLE_FMT_NONE},
311 };