fdce022b938fcf9444c22dc3d5a25ef7490d67d7
[ffmpeg.git] / libavcodec / g726.c
1 /*
2  * G.726 ADPCM audio codec 
3  * Copyright (c) 2004 Roman Shaposhnik.
4  *
5  * This is a very straightforward rendition of the G.726
6  * Section 4 "Computational Details". 
7  *
8  * This library is free software; you can redistribute it and/or
9  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
10  * License as published by the Free Software Foundation; either
11  * version 2 of the License, or (at your option) any later version.
12  *
13  * This library is distributed in the hope that it will be useful,
14  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
15  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
16  * Lesser General Public License for more details.
17  *
18  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
19  * License along with this library; if not, write to the Free Software
20  * Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
21  */
22 #include <limits.h>
23 #include "avcodec.h"
24 #include "common.h"
25
26 /**
27  * G.726 11bit float.
28  * G.726 Standard uses rather odd 11bit floating point arithmentic for 
29  * numerous occasions. It's a mistery to me why they did it this way
30  * instead of simply using 32bit integer arithmetic.
31  */
32 typedef struct Float11 {
33         int sign;   /**< 1bit sign */
34         int exp;    /**< 4bit exponent */
35         int mant;   /**< 6bit mantissa */
36 } Float11;
37
38 static inline Float11* i2f(int16_t i, Float11* f)
39 {
40         f->sign = (i < 0);
41         if (f->sign)
42                 i = -i;
43         f->exp = av_log2_16bit(i) + !!i;
44         f->mant = i? (i<<6) >> f->exp : 
45                          1<<5;
46         return f;
47 }
48
49 static inline int16_t mult(Float11* f1, Float11* f2)
50 {
51         int res, exp;
52
53         exp = f1->exp + f2->exp;
54         res = (((f1->mant * f2->mant) + 0x30) >> 4) << 7;
55         res = exp > 26 ? res << (exp - 26) : res >> (26 - exp);
56         return (f1->sign ^ f2->sign) ? -res : res;
57 }
58
59 static inline int sgn(int value)
60 {
61    return (value < 0) ? -1 : 1;
62 }
63
64 typedef struct G726Tables {
65         int  bits;            /**< bits per sample */
66         int* quant;           /**< quantization table */
67         int* iquant;          /**< inverse quantization table */
68         int* W;               /**< special table #1 ;-) */
69         int* F;               /**< special table #2 */
70 } G726Tables;
71
72 typedef struct G726Context {
73          G726Tables* tbls;    /**< static tables needed for computation */
74          
75          Float11 sr[2];       /**< prev. reconstructed samples */
76          Float11 dq[6];       /**< prev. difference */
77          int a[2];            /**< second order predictor coeffs */
78          int b[6];            /**< sixth order predictor coeffs */
79          int pk[2];           /**< signs of prev. 2 sez + dq */
80          
81          int ap;              /**< scale factor control */
82          int yu;              /**< fast scale factor */
83          int yl;              /**< slow scale factor */
84          int dms;             /**< short average magnitude of F[i] */
85          int dml;             /**< long average magnitude of F[i] */
86          int td;              /**< tone detect */
87
88          int se;              /**< estimated signal for the next iteration */
89          int sez;             /**< estimated second order prediction */
90          int y;               /**< quantizer scaling factor for the next iteration */
91 } G726Context;
92
93 static int quant_tbl16[] =                       /**< 16kbit/s 2bits per sample */
94            { 260, INT_MAX }; 
95 static int iquant_tbl16[] =
96            { 116, 365, 365, 116 };
97 static int W_tbl16[] = 
98            { -22, 439, 439, -22 };
99 static int F_tbl16[] =
100            { 0, 7, 7, 0 };
101            
102 static int quant_tbl24[] =                       /**< 24kbit/s 3bits per sample */
103            {  7, 217, 330, INT_MAX };
104 static int iquant_tbl24[] =
105            { INT_MIN, 135, 273, 373, 373, 273, 135, INT_MIN };
106 static int W_tbl24[] = 
107            { -4,  30, 137, 582, 582, 137,  30, -4 }; 
108 static int F_tbl24[] =
109            { 0, 1, 2, 7, 7, 2, 1, 0 };
110            
111 static int quant_tbl32[] =                       /**< 32kbit/s 4bits per sample */
112            { -125,  79, 177, 245, 299, 348, 399, INT_MAX };
113 static int iquant_tbl32[] =
114            { INT_MIN,   4, 135, 213, 273, 323, 373, 425,  
115                  425, 373, 323, 273, 213, 135,   4, INT_MIN };
116 static int W_tbl32[] = 
117            { -12,  18,  41,  64, 112, 198, 355, 1122,
118             1122, 355, 198, 112,  64,  41,  18, -12};
119 static int F_tbl32[] = 
120            { 0, 0, 0, 1, 1, 1, 3, 7, 7, 3, 1, 1, 1, 0, 0, 0 };
121            
122 static int quant_tbl40[] =                      /**< 40kbit/s 5bits per sample */
123            { -122, -16,  67, 138, 197, 249, 297, 338,
124               377, 412, 444, 474, 501, 527, 552, INT_MAX };
125 static int iquant_tbl40[] =
126            { INT_MIN, -66,  28, 104, 169, 224, 274, 318,  
127                  358, 395, 429, 459, 488, 514, 539, 566,
128                  566, 539, 514, 488, 459, 429, 395, 358,
129                  318, 274, 224, 169, 104,  28, -66, INT_MIN };
130 static int W_tbl40[] = 
131            {   14,  14,  24,  39,  40,  41,   58,  100,
132               141, 179, 219, 280, 358, 440,  529,  696, 
133               696, 529, 440, 358, 280, 219,  179,  141,
134               100,  58,  41,  40,  39,  24,   14,   14 };
135 static int F_tbl40[] = 
136            { 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 6,
137              6, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0 };
138
139 static G726Tables G726Tables_pool[] = 
140            {{ 2, quant_tbl16, iquant_tbl16, W_tbl16, F_tbl16 },
141             { 3, quant_tbl24, iquant_tbl24, W_tbl24, F_tbl24 },
142             { 4, quant_tbl32, iquant_tbl32, W_tbl32, F_tbl32 },
143             { 5, quant_tbl40, iquant_tbl40, W_tbl40, F_tbl40 }};
144                                                
145
146 /**
147  * Para 4.2.2 page 18: Adaptive quantizer. 
148  */
149 static inline uint8_t quant(G726Context* c, int d)
150 {
151    int sign, exp, i, dln;
152    
153    sign = i = 0;
154    if (d < 0) {
155        sign = 1;
156        d = -d;
157    }
158    exp = av_log2_16bit(d);
159    dln = ((exp<<7) + (((d<<7)>>exp)&0x7f)) - (c->y>>2);
160    
161    while (c->tbls->quant[i] < INT_MAX && c->tbls->quant[i] < dln)
162         ++i;
163    
164    if (sign)
165        i = ~i;
166    if (c->tbls->bits != 2 && i == 0) /* I'm not sure this is a good idea */
167        i = 0xff;
168
169    return i; 
170 }
171
172 /**
173  * Para 4.2.3 page 22: Inverse adaptive quantizer.
174  */
175 static inline int16_t inverse_quant(G726Context* c, int i)
176 {
177     int dql, dex, dqt;
178         
179     dql = c->tbls->iquant[i] + (c->y >> 2);
180     dex = (dql>>7) & 0xf;        /* 4bit exponent */
181     dqt = (1<<7) + (dql & 0x7f); /* log2 -> linear */
182     return (dql < 0) ? 0 : ((dqt<<7) >> (14-dex)); 
183 }
184
185 static inline int16_t g726_iterate(G726Context* c, int16_t I)
186 {
187     int dq, re_signal, pk0, fa1, i, tr, ylint, ylfrac, thr2, al, dq0;
188     Float11 f;
189     
190     dq = inverse_quant(c, I);
191     if (I >> (c->tbls->bits - 1))  /* get the sign */
192         dq = -dq;
193     re_signal = c->se + dq;
194
195     /* Transition detect */
196     ylint = (c->yl >> 15);
197     ylfrac = (c->yl >> 10) & 0x1f;
198     thr2 = (ylint > 9) ? 0x1f << 10 : (0x20 + ylfrac) << ylint;
199     if (c->td == 1 && abs(dq) > ((thr2+(thr2>>1))>>1))
200         tr = 1;
201     else
202         tr = 0;
203     
204     /* Update second order predictor coefficient A2 and A1 */
205     pk0 = (c->sez + dq) ? sgn(c->sez + dq) : 0;
206     dq0 = dq ? sgn(dq) : 0;
207     if (tr) {
208         c->a[0] = 0;
209         c->a[1] = 0;
210         for (i=0; i<6; i++)
211            c->b[i] = 0;
212     } else {
213         /* This is a bit crazy, but it really is +255 not +256 */
214         fa1 = clip((-c->a[0]*c->pk[0]*pk0)>>5, -256, 255);
215         
216         c->a[1] += 128*pk0*c->pk[1] + fa1 - (c->a[1]>>7);
217         c->a[1] = clip(c->a[1], -12288, 12288);
218         c->a[0] += 64*3*pk0*c->pk[0] - (c->a[0] >> 8);
219         c->a[0] = clip(c->a[0], -(15360 - c->a[1]), 15360 - c->a[1]);
220
221         for (i=0; i<6; i++)
222              c->b[i] += 128*dq0*sgn(-c->dq[i].sign) - (c->b[i]>>8);
223     }
224
225     /* Update Dq and Sr and Pk */
226     c->pk[1] = c->pk[0];
227     c->pk[0] = pk0 ? pk0 : 1;
228     c->sr[1] = c->sr[0];
229     i2f(re_signal, &c->sr[0]);
230     for (i=5; i>0; i--)
231        c->dq[i] = c->dq[i-1];
232     i2f(dq, &c->dq[0]);
233     c->dq[0].sign = I >> (c->tbls->bits - 1); /* Isn't it crazy ?!?! */
234     
235     /* Update tone detect [I'm not sure 'tr == 0' is really needed] */
236     c->td = (tr == 0 && c->a[1] < -11776); 
237        
238     /* Update Ap */
239     c->dms += ((c->tbls->F[I]<<9) - c->dms) >> 5;
240     c->dml += ((c->tbls->F[I]<<11) - c->dml) >> 7;
241     if (tr) 
242        c->ap = 256;
243     else if (c->y > 1535 && !c->td && (abs((c->dms << 2) - c->dml) < (c->dml >> 3)))
244        c->ap += (-c->ap) >> 4;
245     else
246        c->ap += (0x200 - c->ap) >> 4; 
247
248     /* Update Yu and Yl */
249     c->yu = clip(c->y + (((c->tbls->W[I] << 5) - c->y) >> 5), 544, 5120);
250     c->yl += c->yu + ((-c->yl)>>6);
251  
252     /* Next iteration for Y */
253     al = (c->ap >= 256) ? 1<<6 : c->ap >> 2;
254     c->y = (c->yl + (c->yu - (c->yl>>6))*al) >> 6;
255         
256     /* Next iteration for SE and SEZ */
257     c->se = 0;
258     for (i=0; i<6; i++)
259        c->se += mult(i2f(c->b[i] >> 2, &f), &c->dq[i]);
260     c->sez = c->se >> 1;
261     for (i=0; i<2; i++)
262        c->se += mult(i2f(c->a[i] >> 2, &f), &c->sr[i]);
263     c->se >>= 1;
264
265     return clip(re_signal << 2, -0xffff, 0xffff);
266 }
267
268 static int g726_reset(G726Context* c, int bit_rate)
269 {
270     int i;
271
272     c->tbls = &G726Tables_pool[bit_rate/8000 - 2];
273     for (i=0; i<2; i++) {
274        i2f(0, &c->sr[i]);
275        c->a[i] = 0;
276        c->pk[i] = 1;
277     }
278     for (i=0; i<6; i++) {
279        i2f(0, &c->dq[i]);
280        c->b[i] = 0;
281     }
282     c->ap = 0;
283     c->dms = 0;
284     c->dml = 0;
285     c->yu = 544;
286     c->yl = 34816;
287     c->td = 0;
288
289     c->se = 0;
290     c->sez = 0;
291     c->y = 544;
292
293     return 0;
294 }
295
296 static int16_t g726_decode(G726Context* c, int16_t i)
297 {
298     return g726_iterate(c, i);
299 }
300
301 static int16_t g726_encode(G726Context* c, int16_t sig)
302 {
303    uint8_t i;
304    
305    i = quant(c, sig/4 - c->se) & ((1<<c->tbls->bits) - 1);
306    g726_iterate(c, i);
307    return i;
308 }
309
310 /* Interfacing to the libavcodec */
311
312 typedef struct AVG726Context {
313    G726Context c;
314    int bits_left;
315    int bit_buffer;
316    int code_size;
317 } AVG726Context;
318
319 static int g726_init(AVCodecContext * avctx)
320 {
321     AVG726Context* c = (AVG726Context*)avctx->priv_data;
322     
323     if (avctx->channels != 1 ||
324         (avctx->bit_rate != 16000 && avctx->bit_rate != 24000 &&
325          avctx->bit_rate != 32000 && avctx->bit_rate != 40000)) {
326         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "G726: unsupported audio format\n");
327         return -1;
328     }
329     if (avctx->sample_rate != 8000 && avctx->strict_std_compliance>=0) {
330         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "G726: unsupported audio format\n");
331         return -1;
332     }
333     g726_reset(&c->c, avctx->bit_rate);
334     c->code_size = c->c.tbls->bits;
335     c->bit_buffer = 0;
336     c->bits_left = 0;
337
338     avctx->coded_frame = avcodec_alloc_frame();
339     if (!avctx->coded_frame)
340         return -ENOMEM;
341     avctx->coded_frame->key_frame = 1;
342
343     return 0;
344 }
345
346 static int g726_close(AVCodecContext *avctx)
347 {
348     av_freep(&avctx->coded_frame);
349     return 0;
350 }
351
352 static int g726_encode_frame(AVCodecContext *avctx,
353                             uint8_t *dst, int buf_size, void *data)
354 {
355     AVG726Context *c = avctx->priv_data;
356     short *samples = data;
357     PutBitContext pb;
358
359     init_put_bits(&pb, dst, 1024*1024);
360
361     for (; buf_size; buf_size--)
362        put_bits(&pb, c->code_size, g726_encode(&c->c, *samples++));
363
364     flush_put_bits(&pb);
365
366     return put_bits_count(&pb)>>3; 
367 }               
368
369 static int g726_decode_frame(AVCodecContext *avctx,
370                              void *data, int *data_size,
371                              uint8_t *buf, int buf_size)
372 {
373     AVG726Context *c = avctx->priv_data;
374     short *samples = data;
375     uint8_t code;
376     uint8_t mask;
377     GetBitContext gb; 
378    
379     if (!buf_size)
380         goto out;
381     
382     mask = (1<<c->code_size) - 1;
383     init_get_bits(&gb, buf, buf_size * 8);
384     if (c->bits_left) {
385         int s = c->code_size - c->bits_left;;
386         code = (c->bit_buffer << s) | get_bits(&gb, s);
387         *samples++ = g726_decode(&c->c, code & mask);
388     }
389     
390     while (get_bits_count(&gb) + c->code_size <= buf_size*8)
391         *samples++ = g726_decode(&c->c, get_bits(&gb, c->code_size) & mask);
392     
393     c->bits_left = buf_size*8 - get_bits_count(&gb);
394     c->bit_buffer = get_bits(&gb, c->bits_left);
395     
396 out:
397     *data_size = (uint8_t*)samples - (uint8_t*)data;
398     return buf_size;
399 }
400
401 #ifdef CONFIG_ENCODERS
402 AVCodec adpcm_g726_encoder = {
403     "g726",
404     CODEC_TYPE_AUDIO,
405     CODEC_ID_ADPCM_G726,
406     sizeof(AVG726Context),
407     g726_init,
408     g726_encode_frame,
409     g726_close,
410     NULL,
411 };
412 #endif //CONFIG_ENCODERS
413
414 AVCodec adpcm_g726_decoder = {
415     "g726",
416     CODEC_TYPE_AUDIO,
417     CODEC_ID_ADPCM_G726,
418     sizeof(AVG726Context),
419     g726_init,
420     NULL,
421     g726_close,
422     g726_decode_frame,
423 };