simplify
[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 file is part of FFmpeg.
9  *
10  * FFmpeg 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  * FFmpeg 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 FFmpeg; if not, write to the Free Software
22  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
23  */
24 #include <limits.h>
25 #include "avcodec.h"
26 #include "bitstream.h"
27
28 /**
29  * G.726 11bit float.
30  * G.726 Standard uses rather odd 11bit floating point arithmentic for
31  * numerous occasions. It's a mistery to me why they did it this way
32  * instead of simply using 32bit integer arithmetic.
33  */
34 typedef struct Float11 {
35     uint8_t sign;   /**< 1bit sign */
36     uint8_t exp;    /**< 4bit exponent */
37     uint8_t mant;   /**< 6bit mantissa */
38 } Float11;
39
40 static inline Float11* i2f(int i, Float11* f)
41 {
42     f->sign = (i < 0);
43     if (f->sign)
44         i = -i;
45     f->exp = av_log2_16bit(i) + !!i;
46     f->mant = i? (i<<6) >> f->exp : 1<<5;
47     return f;
48 }
49
50 static inline int16_t mult(Float11* f1, Float11* f2)
51 {
52         int res, exp;
53
54         exp = f1->exp + f2->exp;
55         res = (((f1->mant * f2->mant) + 0x30) >> 4);
56         res = exp > 19 ? res << (exp - 19) : res >> (19 - exp);
57         return (f1->sign ^ f2->sign) ? -res : res;
58 }
59
60 static inline int sgn(int value)
61 {
62     return (value < 0) ? -1 : 1;
63 }
64
65 typedef struct G726Tables {
66     int  bits;          /**< bits per sample */
67     const int* quant;         /**< quantization table */
68     const int16_t* iquant;    /**< inverse quantization table */
69     const int16_t* W;         /**< special table #1 ;-) */
70     const uint8_t* F;         /**< special table #2 */
71 } G726Tables;
72
73 typedef struct G726Context {
74     const G726Tables* tbls;   /**< static tables needed for computation */
75
76     Float11 sr[2];      /**< prev. reconstructed samples */
77     Float11 dq[6];      /**< prev. difference */
78     int a[2];           /**< second order predictor coeffs */
79     int b[6];           /**< sixth order predictor coeffs */
80     int pk[2];          /**< signs of prev. 2 sez + dq */
81
82     int ap;             /**< scale factor control */
83     int yu;             /**< fast scale factor */
84     int yl;             /**< slow scale factor */
85     int dms;            /**< short average magnitude of F[i] */
86     int dml;            /**< long average magnitude of F[i] */
87     int td;             /**< tone detect */
88
89     int se;             /**< estimated signal for the next iteration */
90     int sez;            /**< estimated second order prediction */
91     int y;              /**< quantizer scaling factor for the next iteration */
92     int code_size;
93 } G726Context;
94
95 static const int quant_tbl16[] =                  /**< 16kbit/s 2bits per sample */
96            { 260, INT_MAX };
97 static const int16_t iquant_tbl16[] =
98            { 116, 365, 365, 116 };
99 static const int16_t W_tbl16[] =
100            { -22, 439, 439, -22 };
101 static const uint8_t F_tbl16[] =
102            { 0, 7, 7, 0 };
103
104 static const int quant_tbl24[] =                  /**< 24kbit/s 3bits per sample */
105            {  7, 217, 330, INT_MAX };
106 static const int16_t iquant_tbl24[] =
107            { INT16_MIN, 135, 273, 373, 373, 273, 135, INT16_MIN };
108 static const int16_t W_tbl24[] =
109            { -4,  30, 137, 582, 582, 137,  30, -4 };
110 static const uint8_t F_tbl24[] =
111            { 0, 1, 2, 7, 7, 2, 1, 0 };
112
113 static const int quant_tbl32[] =                  /**< 32kbit/s 4bits per sample */
114            { -125,  79, 177, 245, 299, 348, 399, INT_MAX };
115 static const int16_t iquant_tbl32[] =
116          { INT16_MIN,   4, 135, 213, 273, 323, 373, 425,
117                  425, 373, 323, 273, 213, 135,   4, INT16_MIN };
118 static const int16_t W_tbl32[] =
119            { -12,  18,  41,  64, 112, 198, 355, 1122,
120             1122, 355, 198, 112,  64,  41,  18, -12};
121 static const uint8_t F_tbl32[] =
122            { 0, 0, 0, 1, 1, 1, 3, 7, 7, 3, 1, 1, 1, 0, 0, 0 };
123
124 static const int quant_tbl40[] =                  /**< 40kbit/s 5bits per sample */
125            { -122, -16,  67, 138, 197, 249, 297, 338,
126               377, 412, 444, 474, 501, 527, 552, INT_MAX };
127 static const int16_t iquant_tbl40[] =
128          { INT16_MIN, -66,  28, 104, 169, 224, 274, 318,
129                  358, 395, 429, 459, 488, 514, 539, 566,
130                  566, 539, 514, 488, 459, 429, 395, 358,
131                  318, 274, 224, 169, 104,  28, -66, INT16_MIN };
132 static const int16_t W_tbl40[] =
133            {   14,  14,  24,  39,  40,  41,   58,  100,
134               141, 179, 219, 280, 358, 440,  529,  696,
135               696, 529, 440, 358, 280, 219,  179,  141,
136               100,  58,  41,  40,  39,  24,   14,   14 };
137 static const uint8_t F_tbl40[] =
138            { 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 6,
139              6, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0 };
140
141 static const G726Tables G726Tables_pool[] =
142            {{ 2, quant_tbl16, iquant_tbl16, W_tbl16, F_tbl16 },
143             { 3, quant_tbl24, iquant_tbl24, W_tbl24, F_tbl24 },
144             { 4, quant_tbl32, iquant_tbl32, W_tbl32, F_tbl32 },
145             { 5, quant_tbl40, iquant_tbl40, W_tbl40, F_tbl40 }};
146
147
148 /**
149  * Para 4.2.2 page 18: Adaptive quantizer.
150  */
151 static inline uint8_t quant(G726Context* c, int d)
152 {
153     int sign, exp, i, dln;
154
155     sign = i = 0;
156     if (d < 0) {
157         sign = 1;
158         d = -d;
159     }
160     exp = av_log2_16bit(d);
161     dln = ((exp<<7) + (((d<<7)>>exp)&0x7f)) - (c->y>>2);
162
163     while (c->tbls->quant[i] < INT_MAX && c->tbls->quant[i] < dln)
164         ++i;
165
166     if (sign)
167         i = ~i;
168     if (c->tbls->bits != 2 && i == 0) /* I'm not sure this is a good idea */
169         i = 0xff;
170
171     return i;
172 }
173
174 /**
175  * Para 4.2.3 page 22: Inverse adaptive quantizer.
176  */
177 static inline int16_t inverse_quant(G726Context* c, int i)
178 {
179     int dql, dex, dqt;
180
181     dql = c->tbls->iquant[i] + (c->y >> 2);
182     dex = (dql>>7) & 0xf;        /* 4bit exponent */
183     dqt = (1<<7) + (dql & 0x7f); /* log2 -> linear */
184     return (dql < 0) ? 0 : ((dqt<<dex) >> 7);
185 }
186
187 static int16_t g726_decode(G726Context* c, int16_t I)
188 {
189     int dq, re_signal, pk0, fa1, i, tr, ylint, ylfrac, thr2, al, dq0;
190     Float11 f;
191
192     dq = inverse_quant(c, I);
193     if (I >> (c->tbls->bits - 1))  /* get the sign */
194         dq = -dq;
195     re_signal = c->se + dq;
196
197     /* Transition detect */
198     ylint = (c->yl >> 15);
199     ylfrac = (c->yl >> 10) & 0x1f;
200     thr2 = (ylint > 9) ? 0x1f << 10 : (0x20 + ylfrac) << ylint;
201     tr= (c->td == 1 && abs(dq) > ((3*thr2)>>2));
202
203     /* Update second order predictor coefficient A2 and A1 */
204     pk0 = (c->sez + dq) ? sgn(c->sez + dq) : 0;
205     dq0 = dq ? sgn(dq) : 0;
206     if (tr) {
207         c->a[0] = 0;
208         c->a[1] = 0;
209         for (i=0; i<6; i++)
210             c->b[i] = 0;
211     } else {
212         /* This is a bit crazy, but it really is +255 not +256 */
213         fa1 = av_clip((-c->a[0]*c->pk[0]*pk0)>>5, -256, 255);
214
215         c->a[1] += 128*pk0*c->pk[1] + fa1 - (c->a[1]>>7);
216         c->a[1] = av_clip(c->a[1], -12288, 12288);
217         c->a[0] += 64*3*pk0*c->pk[0] - (c->a[0] >> 8);
218         c->a[0] = av_clip(c->a[0], -(15360 - c->a[1]), 15360 - c->a[1]);
219
220         for (i=0; i<6; i++)
221             c->b[i] += 128*dq0*sgn(-c->dq[i].sign) - (c->b[i]>>8);
222     }
223
224     /* Update Dq and Sr and Pk */
225     c->pk[1] = c->pk[0];
226     c->pk[0] = pk0 ? pk0 : 1;
227     c->sr[1] = c->sr[0];
228     i2f(re_signal, &c->sr[0]);
229     for (i=5; i>0; i--)
230         c->dq[i] = c->dq[i-1];
231     i2f(dq, &c->dq[0]);
232     c->dq[0].sign = I >> (c->tbls->bits - 1); /* Isn't it crazy ?!?! */
233
234     c->td = c->a[1] < -11776;
235
236     /* Update Ap */
237     c->dms += ((c->tbls->F[I]<<9) - c->dms) >> 5;
238     c->dml += ((c->tbls->F[I]<<11) - c->dml) >> 7;
239     if (tr)
240         c->ap = 256;
241     else if (c->y > 1535 && !c->td && abs((c->dms << 2) - c->dml) < (c->dml >> 3))
242         c->ap += (-c->ap) >> 4;
243     else
244         c->ap += (0x200 - c->ap) >> 4;
245
246     /* Update Yu and Yl */
247     c->yu = av_clip(c->y + c->tbls->W[I] + ((-c->y)>>5), 544, 5120);
248     c->yl += c->yu + ((-c->yl)>>6);
249
250     /* Next iteration for Y */
251     al = (c->ap >= 256) ? 1<<6 : c->ap >> 2;
252     c->y = (c->yl + (c->yu - (c->yl>>6))*al) >> 6;
253
254     /* Next iteration for SE and SEZ */
255     c->se = 0;
256     for (i=0; i<6; i++)
257         c->se += mult(i2f(c->b[i] >> 2, &f), &c->dq[i]);
258     c->sez = c->se >> 1;
259     for (i=0; i<2; i++)
260         c->se += mult(i2f(c->a[i] >> 2, &f), &c->sr[i]);
261     c->se >>= 1;
262
263     return av_clip(re_signal << 2, -0xffff, 0xffff);
264 }
265
266 static av_cold int g726_reset(G726Context* c, int index)
267 {
268     int i;
269
270     c->tbls = &G726Tables_pool[index];
271     for (i=0; i<2; i++) {
272         c->sr[i].mant = 1<<5;
273         c->pk[i] = 1;
274     }
275     for (i=0; i<6; i++) {
276         c->dq[i].mant = 1<<5;
277     }
278     c->yu = 544;
279     c->yl = 34816;
280
281     c->y = 544;
282
283     return 0;
284 }
285
286 #ifdef CONFIG_ENCODERS
287 static int16_t g726_encode(G726Context* c, int16_t sig)
288 {
289     uint8_t i;
290
291     i = quant(c, sig/4 - c->se) & ((1<<c->tbls->bits) - 1);
292     g726_decode(c, i);
293     return i;
294 }
295 #endif
296
297 /* Interfacing to the libavcodec */
298
299 static av_cold int g726_init(AVCodecContext * avctx)
300 {
301     G726Context* c = avctx->priv_data;
302     unsigned int index= (avctx->bit_rate + avctx->sample_rate/2) / avctx->sample_rate - 2;
303
304     if (avctx->bit_rate % avctx->sample_rate && avctx->codec->encode) {
305         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Bitrate - Samplerate combination is invalid\n");
306         return -1;
307     }
308     if(avctx->channels != 1){
309         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Only mono is supported\n");
310         return -1;
311     }
312     if(index>3){
313         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Unsupported number of bits %d\n", index+2);
314         return -1;
315     }
316     g726_reset(c, index);
317     c->code_size = c->tbls->bits;
318
319     avctx->coded_frame = avcodec_alloc_frame();
320     if (!avctx->coded_frame)
321         return AVERROR(ENOMEM);
322     avctx->coded_frame->key_frame = 1;
323
324     return 0;
325 }
326
327 static av_cold int g726_close(AVCodecContext *avctx)
328 {
329     av_freep(&avctx->coded_frame);
330     return 0;
331 }
332
333 #ifdef CONFIG_ENCODERS
334 static int g726_encode_frame(AVCodecContext *avctx,
335                             uint8_t *dst, int buf_size, void *data)
336 {
337     G726Context *c = avctx->priv_data;
338     short *samples = data;
339     PutBitContext pb;
340
341     init_put_bits(&pb, dst, 1024*1024);
342
343     for (; buf_size; buf_size--)
344         put_bits(&pb, c->code_size, g726_encode(c, *samples++));
345
346     flush_put_bits(&pb);
347
348     return put_bits_count(&pb)>>3;
349 }
350 #endif
351
352 static int g726_decode_frame(AVCodecContext *avctx,
353                              void *data, int *data_size,
354                              const uint8_t *buf, int buf_size)
355 {
356     G726Context *c = avctx->priv_data;
357     short *samples = data;
358     GetBitContext gb;
359
360     init_get_bits(&gb, buf, buf_size * 8);
361
362     while (get_bits_count(&gb) + c->code_size <= buf_size*8)
363         *samples++ = g726_decode(c, get_bits(&gb, c->code_size));
364
365     if(buf_size*8 != get_bits_count(&gb))
366         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Frame invalidly split, missing parser?\n");
367
368     *data_size = (uint8_t*)samples - (uint8_t*)data;
369     return buf_size;
370 }
371
372 #ifdef CONFIG_ENCODERS
373 AVCodec adpcm_g726_encoder = {
374     "g726",
375     CODEC_TYPE_AUDIO,
376     CODEC_ID_ADPCM_G726,
377     sizeof(G726Context),
378     g726_init,
379     g726_encode_frame,
380     g726_close,
381     NULL,
382     .long_name = NULL_IF_CONFIG_SMALL("G.726 ADPCM"),
383 };
384 #endif //CONFIG_ENCODERS
385
386 AVCodec adpcm_g726_decoder = {
387     "g726",
388     CODEC_TYPE_AUDIO,
389     CODEC_ID_ADPCM_G726,
390     sizeof(G726Context),
391     g726_init,
392     NULL,
393     g726_close,
394     g726_decode_frame,
395     .long_name = NULL_IF_CONFIG_SMALL("G.726 ADPCM"),
396 };