74e4f15de8298befe1ed2d606374f0f52b6f44eb
[ffmpeg.git] / libavcodec / jpeg2000.c
1 /*
2  * JPEG 2000 encoder and decoder common functions
3  * Copyright (c) 2007 Kamil Nowosad
4  * Copyright (c) 2013 Nicolas Bertrand <nicoinattendu@gmail.com>
5  *
6  * This file is part of Libav.
7  *
8  * Libav 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 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
12  *
13  * Libav 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 Libav; if not, write to the Free Software
20  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
21  */
22
23 /**
24  * @file
25  * JPEG 2000 image encoder and decoder common functions
26  */
27
28 #include "libavutil/attributes.h"
29 #include "libavutil/common.h"
30 #include "libavutil/mem.h"
31 #include "avcodec.h"
32 #include "jpeg2000.h"
33
34 #define SHL(a, n) ((n) >= 0 ? (a) << (n) : (a) >> -(n))
35
36 /* tag tree routines */
37
38 /* allocate the memory for tag tree */
39 static int32_t tag_tree_size(uint16_t w, uint16_t h)
40 {
41     uint32_t res = 0;
42     while (w > 1 || h > 1) {
43         res += w * h;
44         if (res + 1 >= INT32_MAX)
45             return -1;
46         w = (w + 1) >> 1;
47         h = (h + 1) >> 1;
48     }
49     return (int32_t)(res + 1);
50 }
51
52 static Jpeg2000TgtNode *ff_jpeg2000_tag_tree_init(int w, int h)
53 {
54     int pw = w, ph = h;
55     Jpeg2000TgtNode *res, *t, *t2;
56     int32_t tt_size;
57
58     tt_size = tag_tree_size(w, h);
59     if (tt_size == -1)
60         return NULL;
61
62     t = res = av_mallocz_array(tt_size, sizeof(*t));
63     if (!res)
64         return NULL;
65
66     while (w > 1 || h > 1) {
67         int i, j;
68         pw = w;
69         ph = h;
70
71         w  = (w + 1) >> 1;
72         h  = (h + 1) >> 1;
73         t2 = t + pw * ph;
74
75         for (i = 0; i < ph; i++)
76             for (j = 0; j < pw; j++)
77                 t[i * pw + j].parent = &t2[(i >> 1) * w + (j >> 1)];
78
79         t = t2;
80     }
81     t[0].parent = NULL;
82     return res;
83 }
84
85 uint8_t ff_jpeg2000_sigctxno_lut[256][4];
86
87 static int getsigctxno(int flag, int bandno)
88 {
89     int h, v, d;
90
91     h = ((flag & JPEG2000_T1_SIG_E)  ? 1 : 0) +
92         ((flag & JPEG2000_T1_SIG_W)  ? 1 : 0);
93     v = ((flag & JPEG2000_T1_SIG_N)  ? 1 : 0) +
94         ((flag & JPEG2000_T1_SIG_S)  ? 1 : 0);
95     d = ((flag & JPEG2000_T1_SIG_NE) ? 1 : 0) +
96         ((flag & JPEG2000_T1_SIG_NW) ? 1 : 0) +
97         ((flag & JPEG2000_T1_SIG_SE) ? 1 : 0) +
98         ((flag & JPEG2000_T1_SIG_SW) ? 1 : 0);
99     if (bandno < 3) {
100         if (bandno == 1)
101             FFSWAP(int, h, v);
102         if (h == 2)
103             return 8;
104         if (h == 1) {
105             if (v >= 1)
106                 return 7;
107             if (d >= 1)
108                 return 6;
109             return 5;
110         }
111         if (v == 2)
112             return 4;
113         if (v == 1)
114             return 3;
115         if (d >= 2)
116             return 2;
117         if (d == 1)
118             return 1;
119     } else {
120         if (d >= 3)
121             return 8;
122         if (d == 2) {
123             if (h + v >= 1)
124                 return 7;
125             return 6;
126         }
127         if (d == 1) {
128             if (h + v >= 2)
129                 return 5;
130             if (h + v == 1)
131                 return 4;
132             return 3;
133         }
134         if (h + v >= 2)
135             return 2;
136         if (h + v == 1)
137             return 1;
138     }
139     return 0;
140 }
141
142 uint8_t ff_jpeg2000_sgnctxno_lut[16][16], ff_jpeg2000_xorbit_lut[16][16];
143
144 static const int contribtab[3][3] = { {  0, -1,  1 }, { -1, -1,  0 }, {  1,  0,  1 } };
145 static const int  ctxlbltab[3][3] = { { 13, 12, 11 }, { 10,  9, 10 }, { 11, 12, 13 } };
146 static const int  xorbittab[3][3] = { {  1,  1,  1 }, {  1,  0,  0 }, {  0,  0,  0 } };
147
148 static int getsgnctxno(int flag, uint8_t *xorbit)
149 {
150     int vcontrib, hcontrib;
151
152     hcontrib = contribtab[flag & JPEG2000_T1_SIG_E ? flag & JPEG2000_T1_SGN_E ? 1 : 2 : 0]
153                          [flag & JPEG2000_T1_SIG_W ? flag & JPEG2000_T1_SGN_W ? 1 : 2 : 0] + 1;
154     vcontrib = contribtab[flag & JPEG2000_T1_SIG_S ? flag & JPEG2000_T1_SGN_S ? 1 : 2 : 0]
155                          [flag & JPEG2000_T1_SIG_N ? flag & JPEG2000_T1_SGN_N ? 1 : 2 : 0] + 1;
156     *xorbit = xorbittab[hcontrib][vcontrib];
157
158     return ctxlbltab[hcontrib][vcontrib];
159 }
160
161 void av_cold ff_jpeg2000_init_tier1_luts(void)
162 {
163     int i, j;
164     for (i = 0; i < 256; i++)
165         for (j = 0; j < 4; j++)
166             ff_jpeg2000_sigctxno_lut[i][j] = getsigctxno(i, j);
167     for (i = 0; i < 16; i++)
168         for (j = 0; j < 16; j++)
169             ff_jpeg2000_sgnctxno_lut[i][j] =
170                 getsgnctxno(i + (j << 8), &ff_jpeg2000_xorbit_lut[i][j]);
171 }
172
173 void ff_jpeg2000_set_significance(Jpeg2000T1Context *t1, int x, int y,
174                                   int negative)
175 {
176     x++;
177     y++;
178     t1->flags[y][x] |= JPEG2000_T1_SIG;
179     if (negative) {
180         t1->flags[y][x + 1] |= JPEG2000_T1_SIG_W | JPEG2000_T1_SGN_W;
181         t1->flags[y][x - 1] |= JPEG2000_T1_SIG_E | JPEG2000_T1_SGN_E;
182         t1->flags[y + 1][x] |= JPEG2000_T1_SIG_N | JPEG2000_T1_SGN_N;
183         t1->flags[y - 1][x] |= JPEG2000_T1_SIG_S | JPEG2000_T1_SGN_S;
184     } else {
185         t1->flags[y][x + 1] |= JPEG2000_T1_SIG_W;
186         t1->flags[y][x - 1] |= JPEG2000_T1_SIG_E;
187         t1->flags[y + 1][x] |= JPEG2000_T1_SIG_N;
188         t1->flags[y - 1][x] |= JPEG2000_T1_SIG_S;
189     }
190     t1->flags[y + 1][x + 1] |= JPEG2000_T1_SIG_NW;
191     t1->flags[y + 1][x - 1] |= JPEG2000_T1_SIG_NE;
192     t1->flags[y - 1][x + 1] |= JPEG2000_T1_SIG_SW;
193     t1->flags[y - 1][x - 1] |= JPEG2000_T1_SIG_SE;
194 }
195
196 static const uint8_t lut_gain[2][4] = { { 0, 0, 0, 0 }, { 0, 1, 1, 2 } };
197
198 int ff_jpeg2000_init_component(Jpeg2000Component *comp,
199                                Jpeg2000CodingStyle *codsty,
200                                Jpeg2000QuantStyle *qntsty,
201                                int cbps, int dx, int dy,
202                                AVCodecContext *avctx)
203 {
204     uint8_t log2_band_prec_width, log2_band_prec_height;
205     int reslevelno, bandno, gbandno = 0, ret, i, j;
206     uint32_t csize;
207
208     if (!codsty->nreslevels2decode) {
209         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "nreslevels2decode uninitialized\n");
210         return AVERROR_INVALIDDATA;
211     }
212
213     if (ret = ff_jpeg2000_dwt_init(&comp->dwt, comp->coord,
214                                    codsty->nreslevels2decode - 1,
215                                    codsty->transform))
216         return ret;
217     // component size comp->coord is uint16_t so ir cannot overflow
218     csize = (comp->coord[0][1] - comp->coord[0][0]) *
219             (comp->coord[1][1] - comp->coord[1][0]);
220
221     if (codsty->transform == FF_DWT97) {
222         comp->i_data = NULL;
223         comp->f_data = av_malloc_array(csize, sizeof(*comp->f_data));
224         if (!comp->f_data)
225             return AVERROR(ENOMEM);
226     } else {
227         comp->f_data = NULL;
228         comp->i_data = av_malloc_array(csize, sizeof(*comp->i_data));
229         if (!comp->i_data)
230             return AVERROR(ENOMEM);
231     }
232     comp->reslevel = av_malloc_array(codsty->nreslevels, sizeof(*comp->reslevel));
233     if (!comp->reslevel)
234         return AVERROR(ENOMEM);
235     /* LOOP on resolution levels */
236     for (reslevelno = 0; reslevelno < codsty->nreslevels; reslevelno++) {
237         int declvl = codsty->nreslevels - reslevelno;    // N_L -r see  ISO/IEC 15444-1:2002 B.5
238         Jpeg2000ResLevel *reslevel = comp->reslevel + reslevelno;
239
240         /* Compute borders for each resolution level.
241          * Computation of trx_0, trx_1, try_0 and try_1.
242          * see ISO/IEC 15444-1:2002 eq. B.5 and B-14 */
243         for (i = 0; i < 2; i++)
244             for (j = 0; j < 2; j++)
245                 reslevel->coord[i][j] =
246                     ff_jpeg2000_ceildivpow2(comp->coord_o[i][j], declvl - 1);
247         // update precincts size: 2^n value
248         reslevel->log2_prec_width  = codsty->log2_prec_widths[reslevelno];
249         reslevel->log2_prec_height = codsty->log2_prec_heights[reslevelno];
250
251         /* Number of bands for each resolution level */
252         if (reslevelno == 0)
253             reslevel->nbands = 1;
254         else
255             reslevel->nbands = 3;
256
257         /* Number of precincts wich span the tile for resolution level reslevelno
258          * see B.6 in ISO/IEC 15444-1:2002 eq. B-16
259          * num_precincts_x = |- trx_1 / 2 ^ log2_prec_width) -| - (trx_0 / 2 ^ log2_prec_width)
260          * num_precincts_y = |- try_1 / 2 ^ log2_prec_width) -| - (try_0 / 2 ^ log2_prec_width)
261          * for Dcinema profiles in JPEG 2000
262          * num_precincts_x = |- trx_1 / 2 ^ log2_prec_width) -|
263          * num_precincts_y = |- try_1 / 2 ^ log2_prec_width) -| */
264         if (reslevel->coord[0][1] == reslevel->coord[0][0])
265             reslevel->num_precincts_x = 0;
266         else
267             reslevel->num_precincts_x =
268                 ff_jpeg2000_ceildivpow2(reslevel->coord[0][1],
269                                         reslevel->log2_prec_width) -
270                 (reslevel->coord[0][0] >> reslevel->log2_prec_width);
271
272         if (reslevel->coord[1][1] == reslevel->coord[1][0])
273             reslevel->num_precincts_y = 0;
274         else
275             reslevel->num_precincts_y =
276                 ff_jpeg2000_ceildivpow2(reslevel->coord[1][1],
277                                         reslevel->log2_prec_height) -
278                 (reslevel->coord[1][0] >> reslevel->log2_prec_height);
279
280         reslevel->band = av_malloc_array(reslevel->nbands, sizeof(*reslevel->band));
281         if (!reslevel->band)
282             return AVERROR(ENOMEM);
283
284         for (bandno = 0; bandno < reslevel->nbands; bandno++, gbandno++) {
285             Jpeg2000Band *band = reslevel->band + bandno;
286             int cblkno, precno;
287             int nb_precincts;
288
289             /* TODO: Implementation of quantization step not finished,
290              * see ISO/IEC 15444-1:2002 E.1 and A.6.4. */
291             switch (qntsty->quantsty) {
292                 uint8_t gain;
293                 int numbps;
294             case JPEG2000_QSTY_NONE:
295                 /* TODO: to verify. No quantization in this case */
296                 band->f_stepsize = 1;
297                 break;
298             case JPEG2000_QSTY_SI:
299                 /*TODO: Compute formula to implement. */
300                 numbps = cbps +
301                          lut_gain[codsty->transform == FF_DWT53][bandno + (reslevelno > 0)];
302                 band->f_stepsize = SHL(2048 + qntsty->mant[gbandno],
303                                        2 + numbps - qntsty->expn[gbandno]);
304                 break;
305             case JPEG2000_QSTY_SE:
306                 /* Exponent quantization step.
307                  * Formula:
308                  * delta_b = 2 ^ (R_b - expn_b) * (1 + (mant_b / 2 ^ 11))
309                  * R_b = R_I + log2 (gain_b )
310                  * see ISO/IEC 15444-1:2002 E.1.1 eqn. E-3 and E-4 */
311                 /* TODO/WARN: value of log2 (gain_b ) not taken into account
312                  * but it works (compared to OpenJPEG). Why?
313                  * Further investigation needed. */
314                 gain            = cbps;
315                 band->f_stepsize  = pow(2.0, gain - qntsty->expn[gbandno]);
316                 band->f_stepsize *= qntsty->mant[gbandno] / 2048.0 + 1.0;
317                 break;
318             default:
319                 band->f_stepsize = 0;
320                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Unknown quantization format\n");
321                 break;
322             }
323             /* FIXME: In openjepg code stespize = stepsize * 0.5. Why?
324              * If not set output of entropic decoder is not correct. */
325             if (!av_codec_is_encoder(avctx->codec))
326                 band->f_stepsize *= 0.5;
327
328             band->i_stepsize = band->f_stepsize * (1 << 16);
329
330             /* computation of tbx_0, tbx_1, tby_0, tby_1
331              * see ISO/IEC 15444-1:2002 B.5 eq. B-15 and tbl B.1
332              * codeblock width and height is computed for
333              * DCI JPEG 2000 codeblock_width = codeblock_width = 32 = 2 ^ 5 */
334             if (reslevelno == 0) {
335                 /* for reslevelno = 0, only one band, x0_b = y0_b = 0 */
336                 for (i = 0; i < 2; i++)
337                     for (j = 0; j < 2; j++)
338                         band->coord[i][j] =
339                             ff_jpeg2000_ceildivpow2(comp->coord_o[i][j] - comp->coord_o[i][0],
340                                                     declvl - 1);
341                 log2_band_prec_width  = reslevel->log2_prec_width;
342                 log2_band_prec_height = reslevel->log2_prec_height;
343                 /* see ISO/IEC 15444-1:2002 eq. B-17 and eq. B-15 */
344                 band->log2_cblk_width  = FFMIN(codsty->log2_cblk_width,
345                                                reslevel->log2_prec_width);
346                 band->log2_cblk_height = FFMIN(codsty->log2_cblk_height,
347                                                reslevel->log2_prec_height);
348             } else {
349                 /* 3 bands x0_b = 1 y0_b = 0; x0_b = 0 y0_b = 1; x0_b = y0_b = 1 */
350                 /* x0_b and y0_b are computed with ((bandno + 1 >> i) & 1) */
351                 for (i = 0; i < 2; i++)
352                     for (j = 0; j < 2; j++)
353                         /* Formula example for tbx_0 = ceildiv((tcx_0 - 2 ^ (declvl - 1) * x0_b) / declvl) */
354                         band->coord[i][j] =
355                             ff_jpeg2000_ceildivpow2(comp->coord_o[i][j] - comp->coord_o[i][0] -
356                                                     (((bandno + 1 >> i) & 1) << declvl - 1),
357                                                     declvl);
358                 /* TODO: Manage case of 3 band offsets here or
359                  * in coding/decoding function? */
360
361                 /* see ISO/IEC 15444-1:2002 eq. B-17 and eq. B-15 */
362                 band->log2_cblk_width  = FFMIN(codsty->log2_cblk_width,
363                                                reslevel->log2_prec_width - 1);
364                 band->log2_cblk_height = FFMIN(codsty->log2_cblk_height,
365                                                reslevel->log2_prec_height - 1);
366
367                 log2_band_prec_width  = reslevel->log2_prec_width  - 1;
368                 log2_band_prec_height = reslevel->log2_prec_height - 1;
369             }
370
371             for (j = 0; j < 2; j++)
372                 band->coord[0][j] = ff_jpeg2000_ceildiv(band->coord[0][j], dx);
373             for (j = 0; j < 2; j++)
374                 band->coord[1][j] = ff_jpeg2000_ceildiv(band->coord[1][j], dy);
375
376             band->prec = av_malloc_array(reslevel->num_precincts_x *
377                                          reslevel->num_precincts_y,
378                                          sizeof(*band->prec));
379             if (!band->prec)
380                 return AVERROR(ENOMEM);
381
382             nb_precincts = reslevel->num_precincts_x * reslevel->num_precincts_y;
383
384             for (precno = 0; precno < nb_precincts; precno++) {
385                 Jpeg2000Prec *prec = band->prec + precno;
386
387                 /* TODO: Explain formula for JPEG200 DCINEMA. */
388                 /* TODO: Verify with previous count of codeblocks per band */
389
390                 /* Compute P_x0 */
391                 prec->coord[0][0] = (precno % reslevel->num_precincts_x) *
392                                     (1 << log2_band_prec_width);
393                 prec->coord[0][0] = FFMAX(prec->coord[0][0], band->coord[0][0]);
394
395                 /* Compute P_y0 */
396                 prec->coord[1][0] = (precno / reslevel->num_precincts_x) *
397                                     (1 << log2_band_prec_height);
398                 prec->coord[1][0] = FFMAX(prec->coord[1][0], band->coord[1][0]);
399
400                 /* Compute P_x1 */
401                 prec->coord[0][1] = prec->coord[0][0] +
402                                     (1 << log2_band_prec_width);
403                 prec->coord[0][1] = FFMIN(prec->coord[0][1], band->coord[0][1]);
404
405                 /* Compute P_y1 */
406                 prec->coord[1][1] = prec->coord[1][0] +
407                                     (1 << log2_band_prec_height);
408                 prec->coord[1][1] = FFMIN(prec->coord[1][1], band->coord[1][1]);
409
410                 prec->nb_codeblocks_width =
411                     ff_jpeg2000_ceildivpow2(prec->coord[0][1] -
412                                             prec->coord[0][0],
413                                             band->log2_cblk_width);
414                 prec->nb_codeblocks_height =
415                     ff_jpeg2000_ceildivpow2(prec->coord[1][1] -
416                                             prec->coord[1][0],
417                                             band->log2_cblk_height);
418
419                 /* Tag trees initialization */
420                 prec->cblkincl =
421                     ff_jpeg2000_tag_tree_init(prec->nb_codeblocks_width,
422                                               prec->nb_codeblocks_height);
423                 if (!prec->cblkincl)
424                     return AVERROR(ENOMEM);
425
426                 prec->zerobits =
427                     ff_jpeg2000_tag_tree_init(prec->nb_codeblocks_width,
428                                               prec->nb_codeblocks_height);
429                 if (!prec->zerobits)
430                     return AVERROR(ENOMEM);
431
432                 prec->cblk = av_mallocz_array(prec->nb_codeblocks_width *
433                                               prec->nb_codeblocks_height,
434                                               sizeof(*prec->cblk));
435                 if (!prec->cblk)
436                     return AVERROR(ENOMEM);
437                 for (cblkno = 0; cblkno < prec->nb_codeblocks_width * prec->nb_codeblocks_height; cblkno++) {
438                     Jpeg2000Cblk *cblk = prec->cblk + cblkno;
439                     uint16_t Cx0, Cy0;
440
441                     /* Compute coordinates of codeblocks */
442                     /* Compute Cx0*/
443                     Cx0 = (prec->coord[0][0] >> band->log2_cblk_width) << band->log2_cblk_width;
444                     Cx0 = Cx0 + ((cblkno % prec->nb_codeblocks_width)  << band->log2_cblk_width);
445                     cblk->coord[0][0] = FFMAX(Cx0, prec->coord[0][0]);
446
447                     /* Compute Cy0*/
448                     Cy0 = (prec->coord[1][0] >> band->log2_cblk_height) << band->log2_cblk_height;
449                     Cy0 = Cy0 + ((cblkno / prec->nb_codeblocks_width)   << band->log2_cblk_height);
450                     cblk->coord[1][0] = FFMAX(Cy0, prec->coord[1][0]);
451
452                     /* Compute Cx1 */
453                     cblk->coord[0][1] = FFMIN(Cx0 + (1 << band->log2_cblk_width),
454                                               prec->coord[0][1]);
455
456                     /* Compute Cy1 */
457                     cblk->coord[1][1] = FFMIN(Cy0 + (1 << band->log2_cblk_height),
458                                               prec->coord[1][1]);
459                     /* Update code-blocks coordinates according sub-band position */
460                     if ((bandno + !!reslevelno) & 1) {
461                         cblk->coord[0][0] += comp->reslevel[reslevelno-1].coord[0][1] -
462                                              comp->reslevel[reslevelno-1].coord[0][0];
463                         cblk->coord[0][1] += comp->reslevel[reslevelno-1].coord[0][1] -
464                                              comp->reslevel[reslevelno-1].coord[0][0];
465                     }
466                     if ((bandno + !!reslevelno) & 2) {
467                         cblk->coord[1][0] += comp->reslevel[reslevelno-1].coord[1][1] -
468                                              comp->reslevel[reslevelno-1].coord[1][0];
469                         cblk->coord[1][1] += comp->reslevel[reslevelno-1].coord[1][1] -
470                                              comp->reslevel[reslevelno-1].coord[1][0];
471                     }
472
473                     cblk->zero      = 0;
474                     cblk->lblock    = 3;
475                     cblk->length    = 0;
476                     cblk->lengthinc = 0;
477                     cblk->npasses   = 0;
478                 }
479             }
480         }
481     }
482     return 0;
483 }
484
485 void ff_jpeg2000_cleanup(Jpeg2000Component *comp, Jpeg2000CodingStyle *codsty)
486 {
487     int reslevelno, bandno, precno;
488     for (reslevelno = 0;
489          comp->reslevel && reslevelno < codsty->nreslevels;
490          reslevelno++) {
491         Jpeg2000ResLevel *reslevel = comp->reslevel + reslevelno;
492
493         for (bandno = 0; bandno < reslevel->nbands; bandno++) {
494             Jpeg2000Band *band = reslevel->band + bandno;
495             for (precno = 0; precno < reslevel->num_precincts_x * reslevel->num_precincts_y; precno++) {
496                 Jpeg2000Prec *prec = band->prec + precno;
497                 av_freep(&prec->zerobits);
498                 av_freep(&prec->cblkincl);
499                 av_freep(&prec->cblk);
500             }
501
502             av_freep(&band->prec);
503         }
504         av_freep(&reslevel->band);
505     }
506
507     ff_dwt_destroy(&comp->dwt);
508     av_freep(&comp->reslevel);
509     av_freep(&comp->i_data);
510     av_freep(&comp->f_data);
511 }