VP8 encoding via libvpx.
[ffmpeg.git] / libavcodec / libvpxenc.c
1 /*
2  * Copyright (c) 2010, Google, Inc.
3  *
4  * This file is part of FFmpeg.
5  *
6  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
7  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
8  * License as published by the Free Software Foundation; either
9  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
10  *
11  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
14  * Lesser General Public License for more details.
15  *
16  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
17  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
18  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
19  */
20
21 /**
22  * @file
23  * VP8 encoder support via libvpx
24  */
25
26 #define VPX_DISABLE_CTRL_TYPECHECKS 1
27 #define VPX_CODEC_DISABLE_COMPAT    1
28 #include <vpx/vpx_encoder.h>
29 #include <vpx/vp8cx.h>
30
31 #include "avcodec.h"
32 #include "libavutil/base64.h"
33
34 /**
35  * Portion of struct vpx_codec_cx_pkt from vpx_encoder.h.
36  * One encoded frame returned from the library.
37  */
38 struct FrameListData {
39     void *buf;                       /**≤ compressed data buffer */
40     size_t sz;                       /**≤ length of compressed data */
41     int64_t pts;                     /**≤ time stamp to show frame
42                                           (in timebase units) */
43     unsigned long duration;          /**≤ duration to show frame
44                                           (in timebase units) */
45     uint32_t flags;                  /**≤ flags for this frame */
46     struct FrameListData *next;
47 };
48
49 typedef struct VP8EncoderContext {
50     struct vpx_codec_ctx encoder;
51     struct vpx_image rawimg;
52     struct vpx_fixed_buf twopass_stats;
53     unsigned long deadline; //i.e., RT/GOOD/BEST
54     struct FrameListData *coded_frame_list;
55 } VP8Context;
56
57 /** String mappings for enum vp8e_enc_control_id */
58 static const char *ctlidstr[] = {
59     [VP8E_UPD_ENTROPY]           = "VP8E_UPD_ENTROPY",
60     [VP8E_UPD_REFERENCE]         = "VP8E_UPD_REFERENCE",
61     [VP8E_USE_REFERENCE]         = "VP8E_USE_REFERENCE",
62     [VP8E_SET_ROI_MAP]           = "VP8E_SET_ROI_MAP",
63     [VP8E_SET_ACTIVEMAP]         = "VP8E_SET_ACTIVEMAP",
64     [VP8E_SET_SCALEMODE]         = "VP8E_SET_SCALEMODE",
65     [VP8E_SET_CPUUSED]           = "VP8E_SET_CPUUSED",
66     [VP8E_SET_ENABLEAUTOALTREF]  = "VP8E_SET_ENABLEAUTOALTREF",
67     [VP8E_SET_NOISE_SENSITIVITY] = "VP8E_SET_NOISE_SENSITIVITY",
68     [VP8E_SET_SHARPNESS]         = "VP8E_SET_SHARPNESS",
69     [VP8E_SET_STATIC_THRESHOLD]  = "VP8E_SET_STATIC_THRESHOLD",
70     [VP8E_SET_TOKEN_PARTITIONS]  = "VP8E_SET_TOKEN_PARTITIONS",
71     [VP8E_GET_LAST_QUANTIZER]    = "VP8E_GET_LAST_QUANTIZER",
72     [VP8E_SET_ARNR_MAXFRAMES]    = "VP8E_SET_ARNR_MAXFRAMES",
73     [VP8E_SET_ARNR_STRENGTH]     = "VP8E_SET_ARNR_STRENGTH",
74     [VP8E_SET_ARNR_TYPE]         = "VP8E_SET_ARNR_TYPE",
75 };
76
77 static av_cold void log_encoder_error(AVCodecContext *avctx, const char *desc)
78 {
79     VP8Context *ctx = avctx->priv_data;
80     const char *error  = vpx_codec_error(&ctx->encoder);
81     const char *detail = vpx_codec_error_detail(&ctx->encoder);
82
83     av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "%s: %s\n", desc, error);
84     if (detail)
85         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "  Additional information: %s\n", detail);
86 }
87
88 static av_cold void dump_enc_cfg(AVCodecContext *avctx,
89                                  const struct vpx_codec_enc_cfg *cfg)
90 {
91     int width = -30;
92     int level = AV_LOG_DEBUG;
93
94     av_log(avctx, level, "vpx_codec_enc_cfg\n");
95     av_log(avctx, level, "generic settings\n"
96            "  %*s%u\n  %*s%u\n  %*s%u\n  %*s%u\n  %*s%u\n"
97            "  %*s{%u/%u}\n  %*s%u\n  %*s%d\n  %*s%u\n",
98            width, "g_usage:",           cfg->g_usage,
99            width, "g_threads:",         cfg->g_threads,
100            width, "g_profile:",         cfg->g_profile,
101            width, "g_w:",               cfg->g_w,
102            width, "g_h:",               cfg->g_h,
103            width, "g_timebase:",        cfg->g_timebase.num, cfg->g_timebase.den,
104            width, "g_error_resilient:", cfg->g_error_resilient,
105            width, "g_pass:",            cfg->g_pass,
106            width, "g_lag_in_frames:",   cfg->g_lag_in_frames);
107     av_log(avctx, level, "rate control settings\n"
108            "  %*s%u\n  %*s%u\n  %*s%u\n  %*s%u\n"
109            "  %*s%d\n  %*s%p(%zu)\n  %*s%u\n",
110            width, "rc_dropframe_thresh:",   cfg->rc_dropframe_thresh,
111            width, "rc_resize_allowed:",     cfg->rc_resize_allowed,
112            width, "rc_resize_up_thresh:",   cfg->rc_resize_up_thresh,
113            width, "rc_resize_down_thresh:", cfg->rc_resize_down_thresh,
114            width, "rc_end_usage:",          cfg->rc_end_usage,
115            width, "rc_twopass_stats_in:",   cfg->rc_twopass_stats_in.buf, cfg->rc_twopass_stats_in.sz,
116            width, "rc_target_bitrate:",     cfg->rc_target_bitrate);
117     av_log(avctx, level, "quantizer settings\n"
118            "  %*s%u\n  %*s%u\n",
119            width, "rc_min_quantizer:", cfg->rc_min_quantizer,
120            width, "rc_max_quantizer:", cfg->rc_max_quantizer);
121     av_log(avctx, level, "bitrate tolerance\n"
122            "  %*s%u\n  %*s%u\n",
123            width, "rc_undershoot_pct:", cfg->rc_undershoot_pct,
124            width, "rc_overshoot_pct:",  cfg->rc_overshoot_pct);
125     av_log(avctx, level, "decoder buffer model\n"
126             "  %*s%u\n  %*s%u\n  %*s%u\n",
127             width, "rc_buf_sz:",         cfg->rc_buf_sz,
128             width, "rc_buf_initial_sz:", cfg->rc_buf_initial_sz,
129             width, "rc_buf_optimal_sz:", cfg->rc_buf_optimal_sz);
130     av_log(avctx, level, "2 pass rate control settings\n"
131            "  %*s%u\n  %*s%u\n  %*s%u\n",
132            width, "rc_2pass_vbr_bias_pct:",       cfg->rc_2pass_vbr_bias_pct,
133            width, "rc_2pass_vbr_minsection_pct:", cfg->rc_2pass_vbr_minsection_pct,
134            width, "rc_2pass_vbr_maxsection_pct:", cfg->rc_2pass_vbr_maxsection_pct);
135     av_log(avctx, level, "keyframing settings\n"
136            "  %*s%d\n  %*s%u\n  %*s%u\n",
137            width, "kf_mode:",     cfg->kf_mode,
138            width, "kf_min_dist:", cfg->kf_min_dist,
139            width, "kf_max_dist:", cfg->kf_max_dist);
140     av_log(avctx, level, "\n");
141 }
142
143 static void coded_frame_add(void *list, struct FrameListData *cx_frame)
144 {
145     struct FrameListData **p = list;
146
147     while (*p != NULL)
148         p = &(*p)->next;
149     *p = cx_frame;
150     cx_frame->next = NULL;
151 }
152
153 static av_cold void free_coded_frame(struct FrameListData *cx_frame)
154 {
155     av_freep(&cx_frame->buf);
156     av_freep(&cx_frame);
157 }
158
159 static av_cold void free_frame_list(struct FrameListData *list)
160 {
161     struct FrameListData *p = list;
162
163     while (p) {
164         list = list->next;
165         free_coded_frame(p);
166         p = list;
167     }
168 }
169
170 static av_cold int codecctl_int(AVCodecContext *avctx,
171                                 enum vp8e_enc_control_id id, int val)
172 {
173     VP8Context *ctx = avctx->priv_data;
174     char buf[80];
175     int width = -30;
176     int res;
177
178     snprintf(buf, sizeof(buf), "%s:", ctlidstr[id]);
179     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "  %*s%d\n", width, buf, val);
180
181     res = vpx_codec_control(&ctx->encoder, id, val);
182     if (res != VPX_CODEC_OK) {
183         snprintf(buf, sizeof(buf), "Failed to set %s codec control",
184                  ctlidstr[id]);
185         log_encoder_error(avctx, buf);
186     }
187
188     return res == VPX_CODEC_OK ? 0 : AVERROR(EINVAL);
189 }
190
191 static av_cold int vp8_free(AVCodecContext *avctx)
192 {
193     VP8Context *ctx = avctx->priv_data;
194
195     vpx_codec_destroy(&ctx->encoder);
196     av_freep(&ctx->twopass_stats.buf);
197     av_freep(&avctx->coded_frame);
198     av_freep(&avctx->stats_out);
199     free_frame_list(ctx->coded_frame_list);
200     return 0;
201 }
202
203 static av_cold int vp8_init(AVCodecContext *avctx)
204 {
205     VP8Context *ctx = avctx->priv_data;
206     const struct vpx_codec_iface *iface = &vpx_codec_vp8_cx_algo;
207     int cpuused = 3;
208     struct vpx_codec_enc_cfg enccfg;
209     int res;
210
211     av_log(avctx, AV_LOG_INFO, "%s\n", vpx_codec_version_str());
212     av_log(avctx, AV_LOG_VERBOSE, "%s\n", vpx_codec_build_config());
213
214     if ((res = vpx_codec_enc_config_default(iface, &enccfg, 0)) != VPX_CODEC_OK) {
215         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Failed to get config: %s\n",
216                vpx_codec_err_to_string(res));
217         return AVERROR(EINVAL);
218     }
219     dump_enc_cfg(avctx, &enccfg);
220
221     enccfg.g_w            = avctx->width;
222     enccfg.g_h            = avctx->height;
223     enccfg.g_timebase.num = avctx->time_base.num;
224     enccfg.g_timebase.den = avctx->time_base.den;
225     enccfg.g_threads      = avctx->thread_count;
226
227     if (avctx->flags & CODEC_FLAG_PASS1)
228         enccfg.g_pass = VPX_RC_FIRST_PASS;
229     else if (avctx->flags & CODEC_FLAG_PASS2)
230         enccfg.g_pass = VPX_RC_LAST_PASS;
231     else
232         enccfg.g_pass = VPX_RC_ONE_PASS;
233
234     if (avctx->rc_min_rate == avctx->rc_max_rate &&
235         avctx->rc_min_rate == avctx->bit_rate)
236         enccfg.rc_end_usage = VPX_CBR;
237     enccfg.rc_target_bitrate = av_rescale_rnd(avctx->bit_rate, 1, 1000,
238                                               AV_ROUND_NEAR_INF);
239
240     //convert [1,51] -> [0,63]
241     enccfg.rc_min_quantizer = ((avctx->qmin * 5 + 1) >> 2) - 1;
242     enccfg.rc_max_quantizer = ((avctx->qmax * 5 + 1) >> 2) - 1;
243
244     if (avctx->keyint_min == avctx->gop_size)
245         enccfg.kf_mode = VPX_KF_FIXED;
246     //_enc_init() will balk if kf_min_dist is set in this case
247     if (enccfg.kf_mode != VPX_KF_AUTO)
248         enccfg.kf_min_dist = avctx->keyint_min;
249     enccfg.kf_max_dist     = avctx->gop_size;
250
251     if (enccfg.g_pass == VPX_RC_FIRST_PASS)
252         enccfg.g_lag_in_frames = 0;
253     else if (enccfg.g_pass == VPX_RC_LAST_PASS) {
254         int decode_size;
255
256         if (!avctx->stats_in) {
257             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "No stats file for second pass\n");
258             return AVERROR_INVALIDDATA;
259         }
260
261         ctx->twopass_stats.sz  = strlen(avctx->stats_in) * 3 / 4;
262         ctx->twopass_stats.buf = av_malloc(ctx->twopass_stats.sz);
263         if (!ctx->twopass_stats.buf) {
264             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR,
265                    "Stat buffer alloc (%zu bytes) failed\n",
266                    ctx->twopass_stats.sz);
267             return AVERROR(ENOMEM);
268         }
269         decode_size = av_base64_decode(ctx->twopass_stats.buf, avctx->stats_in,
270                                        ctx->twopass_stats.sz);
271         if (decode_size < 0) {
272             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Stat buffer decode failed\n");
273             return AVERROR_INVALIDDATA;
274         }
275
276         ctx->twopass_stats.sz      = decode_size;
277         enccfg.rc_twopass_stats_in = ctx->twopass_stats;
278     }
279
280     ctx->deadline = VPX_DL_GOOD_QUALITY;
281
282     dump_enc_cfg(avctx, &enccfg);
283     /* Construct Encoder Context */
284     res = vpx_codec_enc_init(&ctx->encoder, iface, &enccfg, 0);
285     if (res != VPX_CODEC_OK) {
286         log_encoder_error(avctx, "Failed to initialize encoder");
287         return AVERROR(EINVAL);
288     }
289
290     //codec control failures are currently treated only as warnings
291     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "vpx_codec_control\n");
292     codecctl_int(avctx, VP8E_SET_CPUUSED,           cpuused);
293     codecctl_int(avctx, VP8E_SET_NOISE_SENSITIVITY, avctx->noise_reduction);
294
295     //provide dummy value to initialize wrapper, values will be updated each _encode()
296     vpx_img_wrap(&ctx->rawimg, VPX_IMG_FMT_I420, avctx->width, avctx->height, 1,
297                  (unsigned char*)1);
298
299     avctx->coded_frame = avcodec_alloc_frame();
300     if (!avctx->coded_frame) {
301         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Error allocating coded frame\n");
302         vp8_free(avctx);
303         return AVERROR(ENOMEM);
304     }
305     return 0;
306 }
307
308 static inline void cx_pktcpy(struct FrameListData *dst,
309                              const struct vpx_codec_cx_pkt *src)
310 {
311     dst->pts      = src->data.frame.pts;
312     dst->duration = src->data.frame.duration;
313     dst->flags    = src->data.frame.flags;
314     dst->sz       = src->data.frame.sz;
315     dst->buf      = src->data.frame.buf;
316 }
317
318 /**
319  * Store coded frame information in format suitable for return from encode().
320  *
321  * Write buffer information from @a cx_frame to @a buf & @a buf_size.
322  * Timing/frame details to @a coded_frame.
323  * @return Frame size written to @a buf on success
324  * @return AVERROR(EINVAL) on error
325  */
326 static int storeframe(AVCodecContext *avctx, struct FrameListData *cx_frame,
327                       uint8_t *buf, int buf_size, AVFrame *coded_frame)
328 {
329     if ((int) cx_frame->sz <= buf_size) {
330         buf_size = cx_frame->sz;
331         memcpy(buf, cx_frame->buf, buf_size);
332         coded_frame->pts       = cx_frame->pts;
333         coded_frame->key_frame = !!(cx_frame->flags & VPX_FRAME_IS_KEY);
334
335         if (coded_frame->key_frame)
336             coded_frame->pict_type = FF_I_TYPE;
337         else
338             coded_frame->pict_type = FF_P_TYPE;
339     } else {
340         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR,
341                "Compressed frame larger than storage provided! (%zu/%d)\n",
342                cx_frame->sz, buf_size);
343         return AVERROR(EINVAL);
344     }
345     return buf_size;
346 }
347
348 /**
349  * Queue multiple output frames from the encoder, returning the front-most.
350  * In cases where vpx_codec_get_cx_data() returns more than 1 frame append
351  * the frame queue. Return the head frame if available.
352  * @return Stored frame size
353  * @return AVERROR(EINVAL) on output size error
354  * @return AVERROR(ENOMEM) on coded frame queue data allocation error
355  */
356 static int queue_frames(AVCodecContext *avctx, uint8_t *buf, int buf_size,
357                         AVFrame *coded_frame)
358 {
359     VP8Context *ctx = avctx->priv_data;
360     const struct vpx_codec_cx_pkt *pkt;
361     const void *iter = NULL;
362     int size = 0;
363
364     if (ctx->coded_frame_list) {
365         struct FrameListData *cx_frame = ctx->coded_frame_list;
366         /* return the leading frame if we've already begun queueing */
367         size = storeframe(avctx, cx_frame, buf, buf_size, coded_frame);
368         if (size < 0)
369             return AVERROR(EINVAL);
370         ctx->coded_frame_list = cx_frame->next;
371         free_coded_frame(cx_frame);
372     }
373
374     /* consume all available output from the encoder before returning. buffers
375        are only good through the next vpx_codec call */
376     while ((pkt = vpx_codec_get_cx_data(&ctx->encoder, &iter))) {
377         switch (pkt->kind) {
378         case VPX_CODEC_CX_FRAME_PKT:
379             if (!size) {
380                 struct FrameListData cx_frame;
381
382                 /* avoid storing the frame when the list is empty and we haven't yet
383                    provided a frame for output */
384                 assert(!ctx->coded_frame_list);
385                 cx_pktcpy(&cx_frame, pkt);
386                 size = storeframe(avctx, &cx_frame, buf, buf_size, coded_frame);
387                 if (size < 0)
388                     return AVERROR(EINVAL);
389             } else {
390                 struct FrameListData *cx_frame =
391                     av_malloc(sizeof(struct FrameListData));
392
393                 if (!cx_frame) {
394                     av_log(avctx, AV_LOG_ERROR,
395                            "Frame queue element alloc failed\n");
396                     return AVERROR(ENOMEM);
397                 }
398                 cx_pktcpy(cx_frame, pkt);
399                 cx_frame->buf = av_malloc(cx_frame->sz);
400
401                 if (!cx_frame->buf) {
402                     av_log(avctx, AV_LOG_ERROR,
403                            "Data buffer alloc (%zu bytes) failed\n",
404                            cx_frame->sz);
405                     return AVERROR(ENOMEM);
406                 }
407                 memcpy(cx_frame->buf, pkt->data.frame.buf, pkt->data.frame.sz);
408                 coded_frame_add(&ctx->coded_frame_list, cx_frame);
409             }
410             break;
411         case VPX_CODEC_STATS_PKT: {
412             struct vpx_fixed_buf *stats = &ctx->twopass_stats;
413             stats->buf = av_realloc(stats->buf,
414                                     stats->sz + pkt->data.twopass_stats.sz);
415             if (!stats->buf) {
416                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Stat buffer realloc failed\n");
417                 return AVERROR(ENOMEM);
418             }
419             memcpy((uint8_t*)stats->buf + stats->sz,
420                    pkt->data.twopass_stats.buf, pkt->data.twopass_stats.sz);
421             stats->sz += pkt->data.twopass_stats.sz;
422             break;
423         }
424         case VPX_CODEC_PSNR_PKT: //FIXME add support for CODEC_FLAG_PSNR
425         case VPX_CODEC_CUSTOM_PKT:
426             //ignore unsupported/unrecognized packet types
427             break;
428         }
429     }
430
431     return size;
432 }
433
434 static int vp8_encode(AVCodecContext *avctx, uint8_t *buf, int buf_size,
435                       void *data)
436 {
437     VP8Context *ctx = avctx->priv_data;
438     AVFrame *frame = data;
439     struct vpx_image *rawimg = NULL;
440     int64_t timestamp = 0;
441     int res, coded_size;
442
443     if (frame) {
444         rawimg                      = &ctx->rawimg;
445         rawimg->planes[VPX_PLANE_Y] = frame->data[0];
446         rawimg->planes[VPX_PLANE_U] = frame->data[1];
447         rawimg->planes[VPX_PLANE_V] = frame->data[2];
448         rawimg->stride[VPX_PLANE_Y] = frame->linesize[0];
449         rawimg->stride[VPX_PLANE_U] = frame->linesize[1];
450         rawimg->stride[VPX_PLANE_V] = frame->linesize[2];
451         timestamp                   = frame->pts;
452     }
453
454     res = vpx_codec_encode(&ctx->encoder, rawimg, timestamp,
455                            avctx->ticks_per_frame, 0, ctx->deadline);
456     if (res != VPX_CODEC_OK) {
457         log_encoder_error(avctx, "Error encoding frame");
458         return AVERROR_INVALIDDATA;
459     }
460     coded_size = queue_frames(avctx, buf, buf_size, avctx->coded_frame);
461
462     if (!frame && avctx->flags & CODEC_FLAG_PASS1) {
463         unsigned int b64_size = ((ctx->twopass_stats.sz + 2) / 3) * 4 + 1;
464
465         avctx->stats_out = av_malloc(b64_size);
466         if (!avctx->stats_out) {
467             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Stat buffer alloc (%d bytes) failed\n",
468                    b64_size);
469             return AVERROR(ENOMEM);
470         }
471         av_base64_encode(avctx->stats_out, b64_size, ctx->twopass_stats.buf,
472                          ctx->twopass_stats.sz);
473     }
474     return coded_size;
475 }
476
477 AVCodec libvpx_encoder = {
478     "libvpx",
479     AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
480     CODEC_ID_VP8,
481     sizeof(VP8Context),
482     vp8_init,
483     vp8_encode,
484     vp8_free,
485     NULL,
486     CODEC_CAP_DELAY,
487     .pix_fmts = (const enum PixelFormat[]){PIX_FMT_YUV420P, PIX_FMT_NONE},
488     .long_name = NULL_IF_CONFIG_SMALL("libvpx VP8"),
489 };