Initial revision
[ffmpeg.git] / libavcodec / mpegvideo.c
1 /*
2  * The simplest mpeg encoder (well, it was the simplest!)
3  * Copyright (c) 2000,2001 Gerard Lantau.
4  *
5  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
6  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
7  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
8  * (at your option) any later version.
9  *
10  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
11  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
12  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
13  * GNU General Public License for more details.
14  *
15  * You should have received a copy of the GNU General Public License
16  * along with this program; if not, write to the Free Software
17  * Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
18  */
19 #include <stdlib.h>
20 #include <stdio.h>
21 #include <math.h>
22 #include <string.h>
23 #include "avcodec.h"
24 #include "dsputil.h"
25 #include "mpegvideo.h"
26
27 #define EDGE_WIDTH 16
28
29 /* enable all paranoid tests for rounding, overflows, etc... */
30 //#define PARANOID
31
32 //#define DEBUG
33
34 /* for jpeg fast DCT */
35 #define CONST_BITS 14
36
37 static const unsigned short aanscales[64] = {
38     /* precomputed values scaled up by 14 bits */
39     16384, 22725, 21407, 19266, 16384, 12873,  8867,  4520,
40     22725, 31521, 29692, 26722, 22725, 17855, 12299,  6270,
41     21407, 29692, 27969, 25172, 21407, 16819, 11585,  5906,
42     19266, 26722, 25172, 22654, 19266, 15137, 10426,  5315,
43     16384, 22725, 21407, 19266, 16384, 12873,  8867,  4520,
44     12873, 17855, 16819, 15137, 12873, 10114,  6967,  3552,
45     8867, 12299, 11585, 10426,  8867,  6967,  4799,  2446,
46     4520,  6270,  5906,  5315,  4520,  3552,  2446,  1247
47 };
48
49 static UINT8 h263_chroma_roundtab[16] = {
50     0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2,
51 };
52
53 static void encode_picture(MpegEncContext *s, int picture_number);
54 static void rate_control_init(MpegEncContext *s);
55 static int rate_estimate_qscale(MpegEncContext *s);
56
57 /* default motion estimation */
58 int motion_estimation_method = ME_LOG;
59
60 /* XXX: should use variable shift ? */
61 #define QMAT_SHIFT_MMX 19
62 #define QMAT_SHIFT 25
63
64 static void convert_matrix(int *qmat, const UINT16 *quant_matrix, int qscale)
65 {
66     int i;
67
68     if (av_fdct == jpeg_fdct_ifast) {
69         for(i=0;i<64;i++) {
70             /* 16 <= qscale * quant_matrix[i] <= 7905 */
71             /* 19952 <= aanscales[i] * qscale * quant_matrix[i] <= 249205026 */
72             
73             qmat[i] = (int)((1ULL << (QMAT_SHIFT + 11)) / (aanscales[i] * qscale * quant_matrix[i]));
74         }
75     } else {
76         for(i=0;i<64;i++) {
77             /* We can safely suppose that 16 <= quant_matrix[i] <= 255
78                So 16 <= qscale * quant_matrix[i] <= 7905
79                so (1 << QMAT_SHIFT) / 16 >= qmat[i] >= (1 << QMAT_SHIFT) / 7905
80             */
81             qmat[i] = (1 << QMAT_SHIFT_MMX) / (qscale * quant_matrix[i]);
82         }
83     }
84 }
85
86 /* init common structure for both encoder and decoder */
87 int MPV_common_init(MpegEncContext *s)
88 {
89     int c_size, i;
90     UINT8 *pict;
91
92     s->mb_width = (s->width + 15) / 16;
93     s->mb_height = (s->height + 15) / 16;
94     s->linesize = s->mb_width * 16 + 2 * EDGE_WIDTH;
95
96     for(i=0;i<3;i++) {
97         int w, h, shift, pict_start;
98
99         w = s->linesize;
100         h = s->mb_height * 16 + 2 * EDGE_WIDTH;
101         shift = (i == 0) ? 0 : 1;
102         c_size = (w >> shift) * (h >> shift);
103         pict_start = (w >> shift) * (EDGE_WIDTH >> shift) + (EDGE_WIDTH >> shift);
104
105         pict = av_mallocz(c_size);
106         if (pict == NULL)
107             goto fail;
108         s->last_picture_base[i] = pict;
109         s->last_picture[i] = pict + pict_start;
110     
111         pict = av_mallocz(c_size);
112         if (pict == NULL)
113             goto fail;
114         s->next_picture_base[i] = pict;
115         s->next_picture[i] = pict + pict_start;
116
117         if (s->has_b_frames) {
118             pict = av_mallocz(c_size);
119             if (pict == NULL) 
120                 goto fail;
121             s->aux_picture_base[i] = pict;
122             s->aux_picture[i] = pict + pict_start;
123         }
124     }
125
126     if (s->out_format == FMT_H263) {
127         int size;
128         /* MV prediction */
129         size = (2 * s->mb_width + 2) * (2 * s->mb_height + 2);
130         s->motion_val = malloc(size * 2 * sizeof(INT16));
131         if (s->motion_val == NULL)
132             goto fail;
133         memset(s->motion_val, 0, size * 2 * sizeof(INT16));
134     }
135
136     if (s->h263_pred) {
137         int y_size, c_size, i, size;
138         
139         /* dc values */
140
141         y_size = (2 * s->mb_width + 2) * (2 * s->mb_height + 2);
142         c_size = (s->mb_width + 2) * (s->mb_height + 2);
143         size = y_size + 2 * c_size;
144         s->dc_val[0] = malloc(size * sizeof(INT16));
145         if (s->dc_val[0] == NULL)
146             goto fail;
147         s->dc_val[1] = s->dc_val[0] + y_size;
148         s->dc_val[2] = s->dc_val[1] + c_size;
149         for(i=0;i<size;i++)
150             s->dc_val[0][i] = 1024;
151
152         /* ac values */
153         s->ac_val[0] = av_mallocz(size * sizeof(INT16) * 16);
154         if (s->ac_val[0] == NULL)
155             goto fail;
156         s->ac_val[1] = s->ac_val[0] + y_size;
157         s->ac_val[2] = s->ac_val[1] + c_size;
158         
159         /* cbp values */
160         s->coded_block = av_mallocz(y_size);
161         if (!s->coded_block)
162             goto fail;
163     }
164     /* default structure is frame */
165     s->picture_structure = PICT_FRAME;
166
167     /* init default q matrix (only for mpeg and mjpeg) */
168     for(i=0;i<64;i++) {
169         s->intra_matrix[i] = default_intra_matrix[i];
170         s->chroma_intra_matrix[i] = default_intra_matrix[i];
171         s->non_intra_matrix[i] = default_non_intra_matrix[i];
172         s->chroma_non_intra_matrix[i] = default_non_intra_matrix[i];
173     }
174     s->context_initialized = 1;
175     return 0;
176  fail:
177     if (s->motion_val)
178         free(s->motion_val);
179     if (s->dc_val[0])
180         free(s->dc_val[0]);
181     if (s->ac_val[0])
182         free(s->ac_val[0]);
183     if (s->coded_block)
184         free(s->coded_block);
185     for(i=0;i<3;i++) {
186         if (s->last_picture_base[i])
187             free(s->last_picture_base[i]);
188         if (s->next_picture_base[i])
189             free(s->next_picture_base[i]);
190         if (s->aux_picture_base[i])
191             free(s->aux_picture_base[i]);
192     }
193     return -1;
194 }
195
196 /* init common structure for both encoder and decoder */
197 void MPV_common_end(MpegEncContext *s)
198 {
199     int i;
200
201     if (s->motion_val)
202         free(s->motion_val);
203     if (s->h263_pred) {
204         free(s->dc_val[0]);
205         free(s->ac_val[0]);
206         free(s->coded_block);
207     }
208     for(i=0;i<3;i++) {
209         free(s->last_picture_base[i]);
210         free(s->next_picture_base[i]);
211         if (s->has_b_frames)
212             free(s->aux_picture_base[i]);
213     }
214     s->context_initialized = 0;
215 }
216
217 /* init video encoder */
218 int MPV_encode_init(AVCodecContext *avctx)
219 {
220     MpegEncContext *s = avctx->priv_data;
221
222     s->bit_rate = avctx->bit_rate;
223     s->frame_rate = avctx->frame_rate;
224     s->width = avctx->width;
225     s->height = avctx->height;
226     s->gop_size = avctx->gop_size;
227     if (s->gop_size <= 1) {
228         s->intra_only = 1;
229         s->gop_size = 12;
230     } else {
231         s->intra_only = 0;
232     }
233     s->full_search = motion_estimation_method;
234
235     s->fixed_qscale = (avctx->flags & CODEC_FLAG_QSCALE);
236
237     switch(avctx->codec->id) {
238     case CODEC_ID_MPEG1VIDEO:
239         s->out_format = FMT_MPEG1;
240         break;
241     case CODEC_ID_MJPEG:
242         s->out_format = FMT_MJPEG;
243         s->intra_only = 1; /* force intra only for jpeg */
244         if (mjpeg_init(s) < 0)
245             return -1;
246         break;
247     case CODEC_ID_H263:
248         if (h263_get_picture_format(s->width, s->height) == 7)
249             return -1;
250         s->out_format = FMT_H263;
251         break;
252     case CODEC_ID_H263P:
253         s->out_format = FMT_H263;
254         s->h263_plus = 1;
255         /* XXX: not unrectricted mv yet */
256         break;
257     case CODEC_ID_RV10:
258         s->out_format = FMT_H263;
259         s->h263_rv10 = 1;
260         break;
261     case CODEC_ID_OPENDIVX:
262         s->out_format = FMT_H263;
263         s->h263_pred = 1;
264         s->unrestricted_mv = 1;
265         break;
266     case CODEC_ID_MSMPEG4:
267         s->out_format = FMT_H263;
268         s->h263_msmpeg4 = 1;
269         s->h263_pred = 1;
270         s->unrestricted_mv = 1;
271         break;
272     default:
273         return -1;
274     }
275
276     if (s->out_format == FMT_H263)
277         h263_encode_init_vlc(s);
278
279     /* init */
280     if (MPV_common_init(s) < 0)
281         return -1;
282     
283     /* rate control init */
284     rate_control_init(s);
285
286     s->picture_number = 0;
287     s->fake_picture_number = 0;
288     /* motion detector init */
289     s->f_code = 1;
290
291     return 0;
292 }
293
294 int MPV_encode_end(AVCodecContext *avctx)
295 {
296     MpegEncContext *s = avctx->priv_data;
297
298 #ifdef STATS
299     print_stats();
300 #endif
301     MPV_common_end(s);
302     if (s->out_format == FMT_MJPEG)
303         mjpeg_close(s);
304     return 0;
305 }
306
307 /* draw the edges of width 'w' of an image of size width, height */
308 static void draw_edges(UINT8 *buf, int wrap, int width, int height, int w)
309 {
310     UINT8 *ptr, *last_line;
311     int i;
312
313     last_line = buf + (height - 1) * wrap;
314     for(i=0;i<w;i++) {
315         /* top and bottom */
316         memcpy(buf - (i + 1) * wrap, buf, width);
317         memcpy(last_line + (i + 1) * wrap, last_line, width);
318     }
319     /* left and right */
320     ptr = buf;
321     for(i=0;i<height;i++) {
322         memset(ptr - w, ptr[0], w);
323         memset(ptr + width, ptr[width-1], w);
324         ptr += wrap;
325     }
326     /* corners */
327     for(i=0;i<w;i++) {
328         memset(buf - (i + 1) * wrap - w, buf[0], w); /* top left */
329         memset(buf - (i + 1) * wrap + width, buf[width-1], w); /* top right */
330         memset(last_line + (i + 1) * wrap - w, last_line[0], w); /* top left */
331         memset(last_line + (i + 1) * wrap + width, last_line[width-1], w); /* top right */
332     }
333 }
334
335
336 /* generic function for encode/decode called before a frame is coded/decoded */
337 void MPV_frame_start(MpegEncContext *s)
338 {
339     int i;
340     UINT8 *tmp;
341
342     if (s->pict_type == B_TYPE) {
343         for(i=0;i<3;i++) {
344             s->current_picture[i] = s->aux_picture[i];
345         }
346     } else {
347         for(i=0;i<3;i++) {
348             /* swap next and last */
349             tmp = s->last_picture[i];
350             s->last_picture[i] = s->next_picture[i];
351             s->next_picture[i] = tmp;
352             s->current_picture[i] = tmp;
353         }
354     }
355 }
356
357 /* generic function for encode/decode called after a frame has been coded/decoded */
358 void MPV_frame_end(MpegEncContext *s)
359 {
360     /* draw edge for correct motion prediction if outside */
361     if (s->pict_type != B_TYPE) {
362         draw_edges(s->current_picture[0], s->linesize, s->width, s->height, EDGE_WIDTH);
363         draw_edges(s->current_picture[1], s->linesize/2, s->width/2, s->height/2, EDGE_WIDTH/2);
364         draw_edges(s->current_picture[2], s->linesize/2, s->width/2, s->height/2, EDGE_WIDTH/2);
365     }
366 }
367
368 int MPV_encode_picture(AVCodecContext *avctx,
369                        unsigned char *buf, int buf_size, void *data)
370 {
371     MpegEncContext *s = avctx->priv_data;
372     AVPicture *pict = data;
373     int i, j;
374
375     if (s->fixed_qscale) 
376         s->qscale = avctx->quality;
377
378     init_put_bits(&s->pb, buf, buf_size, NULL, NULL);
379
380     if (!s->intra_only) {
381         /* first picture of GOP is intra */
382         if ((s->picture_number % s->gop_size) == 0)
383             s->pict_type = I_TYPE;
384         else
385             s->pict_type = P_TYPE;
386     } else {
387         s->pict_type = I_TYPE;
388     }
389     avctx->key_frame = (s->pict_type == I_TYPE);
390     
391     MPV_frame_start(s);
392
393     for(i=0;i<3;i++) {
394         UINT8 *src = pict->data[i];
395         UINT8 *dest = s->current_picture[i];
396         int src_wrap = pict->linesize[i];
397         int dest_wrap = s->linesize;
398         int w = s->width;
399         int h = s->height;
400
401         if (i >= 1) {
402             dest_wrap >>= 1;
403             w >>= 1;
404             h >>= 1;
405         }
406
407         for(j=0;j<h;j++) {
408             memcpy(dest, src, w);
409             dest += dest_wrap;
410             src += src_wrap;
411         }
412         s->new_picture[i] = s->current_picture[i];
413     }
414
415     encode_picture(s, s->picture_number);
416     
417     MPV_frame_end(s);
418     s->picture_number++;
419
420     if (s->out_format == FMT_MJPEG)
421         mjpeg_picture_trailer(s);
422
423     flush_put_bits(&s->pb);
424     s->total_bits += (s->pb.buf_ptr - s->pb.buf) * 8;
425     avctx->quality = s->qscale;
426     return s->pb.buf_ptr - s->pb.buf;
427 }
428
429 static inline int clip(int a, int amin, int amax)
430 {
431     if (a < amin)
432         return amin;
433     else if (a > amax)
434         return amax;
435     else
436         return a;
437 }
438
439 static int dct_quantize(MpegEncContext *s, DCTELEM *block, int n, int qscale);
440 static int dct_quantize_mmx(MpegEncContext *s, 
441                             DCTELEM *block, int n,
442                             int qscale);
443 static void dct_unquantize(MpegEncContext *s, DCTELEM *block, int n, int qscale);
444
445 /* apply one mpeg motion vector to the three components */
446 static inline void mpeg_motion(MpegEncContext *s,
447                                UINT8 *dest_y, UINT8 *dest_cb, UINT8 *dest_cr,
448                                int dest_offset,
449                                UINT8 **ref_picture, int src_offset,
450                                int field_based, op_pixels_func *pix_op,
451                                int motion_x, int motion_y, int h)
452 {
453     UINT8 *ptr;
454     int dxy, offset, mx, my, src_x, src_y, height, linesize;
455     
456     dxy = ((motion_y & 1) << 1) | (motion_x & 1);
457     src_x = s->mb_x * 16 + (motion_x >> 1);
458     src_y = s->mb_y * (16 >> field_based) + (motion_y >> 1);
459                 
460     /* WARNING: do no forget half pels */
461     height = s->height >> field_based;
462     src_x = clip(src_x, -16, s->width);
463     if (src_x == s->width)
464         dxy &= ~1;
465     src_y = clip(src_y, -16, height);
466     if (src_y == height)
467         dxy &= ~2;
468     linesize = s->linesize << field_based;
469     ptr = ref_picture[0] + (src_y * linesize) + (src_x) + src_offset;
470     dest_y += dest_offset;
471     pix_op[dxy](dest_y, ptr, linesize, h);
472     pix_op[dxy](dest_y + 8, ptr + 8, linesize, h);
473
474     if (s->out_format == FMT_H263) {
475         dxy = 0;
476         if ((motion_x & 3) != 0)
477             dxy |= 1;
478         if ((motion_y & 3) != 0)
479             dxy |= 2;
480         mx = motion_x >> 2;
481         my = motion_y >> 2;
482     } else {
483         mx = motion_x / 2;
484         my = motion_y / 2;
485         dxy = ((my & 1) << 1) | (mx & 1);
486         mx >>= 1;
487         my >>= 1;
488     }
489     
490     src_x = s->mb_x * 8 + mx;
491     src_y = s->mb_y * (8 >> field_based) + my;
492     src_x = clip(src_x, -8, s->width >> 1);
493     if (src_x == (s->width >> 1))
494         dxy &= ~1;
495     src_y = clip(src_y, -8, height >> 1);
496     if (src_y == (height >> 1))
497         dxy &= ~2;
498
499     offset = (src_y * (linesize >> 1)) + src_x + (src_offset >> 1);
500     ptr = ref_picture[1] + offset;
501     pix_op[dxy](dest_cb + (dest_offset >> 1), ptr, linesize >> 1, h >> 1);
502     ptr = ref_picture[2] + offset;
503     pix_op[dxy](dest_cr + (dest_offset >> 1), ptr, linesize >> 1, h >> 1);
504 }
505
506 static inline void MPV_motion(MpegEncContext *s, 
507                               UINT8 *dest_y, UINT8 *dest_cb, UINT8 *dest_cr,
508                               int dir, UINT8 **ref_picture, 
509                               op_pixels_func *pix_op)
510 {
511     int dxy, offset, mx, my, src_x, src_y, motion_x, motion_y;
512     int mb_x, mb_y, i;
513     UINT8 *ptr, *dest;
514
515     mb_x = s->mb_x;
516     mb_y = s->mb_y;
517
518     switch(s->mv_type) {
519     case MV_TYPE_16X16:
520         mpeg_motion(s, dest_y, dest_cb, dest_cr, 0,
521                     ref_picture, 0,
522                     0, pix_op,
523                     s->mv[dir][0][0], s->mv[dir][0][1], 16);
524         break;
525     case MV_TYPE_8X8:
526         for(i=0;i<4;i++) {
527             motion_x = s->mv[dir][i][0];
528             motion_y = s->mv[dir][i][1];
529
530             dxy = ((motion_y & 1) << 1) | (motion_x & 1);
531             src_x = mb_x * 16 + (motion_x >> 1) + (i & 1) * 8;
532             src_y = mb_y * 16 + (motion_y >> 1) + ((i >> 1) & 1) * 8;
533                     
534             /* WARNING: do no forget half pels */
535             src_x = clip(src_x, -16, s->width);
536             if (src_x == s->width)
537                 dxy &= ~1;
538             src_y = clip(src_y, -16, s->height);
539             if (src_y == s->height)
540                 dxy &= ~2;
541                     
542             ptr = ref_picture[0] + (src_y * s->linesize) + (src_x);
543             dest = dest_y + ((i & 1) * 8) + (i >> 1) * 8 * s->linesize;
544             pix_op[dxy](dest, ptr, s->linesize, 8);
545         }
546         /* In case of 8X8, we construct a single chroma motion vector
547            with a special rounding */
548         mx = 0;
549         my = 0;
550         for(i=0;i<4;i++) {
551             mx += s->mv[dir][i][0];
552             my += s->mv[dir][i][1];
553         }
554         if (mx >= 0)
555             mx = (h263_chroma_roundtab[mx & 0xf] + ((mx >> 3) & ~1));
556         else {
557             mx = -mx;
558             mx = -(h263_chroma_roundtab[mx & 0xf] + ((mx >> 3) & ~1));
559         }
560         if (my >= 0)
561             my = (h263_chroma_roundtab[my & 0xf] + ((my >> 3) & ~1));
562         else {
563             my = -my;
564             my = -(h263_chroma_roundtab[my & 0xf] + ((my >> 3) & ~1));
565         }
566         dxy = ((my & 1) << 1) | (mx & 1);
567         mx >>= 1;
568         my >>= 1;
569
570         src_x = mb_x * 8 + mx;
571         src_y = mb_y * 8 + my;
572         src_x = clip(src_x, -8, s->width/2);
573         if (src_x == s->width/2)
574             dxy &= ~1;
575         src_y = clip(src_y, -8, s->height/2);
576         if (src_y == s->height/2)
577             dxy &= ~2;
578         
579         offset = (src_y * (s->linesize >> 1)) + src_x;
580         ptr = ref_picture[1] + offset;
581         pix_op[dxy](dest_cb, ptr, s->linesize >> 1, 8);
582         ptr = ref_picture[2] + offset;
583         pix_op[dxy](dest_cr, ptr, s->linesize >> 1, 8);
584         break;
585     case MV_TYPE_FIELD:
586         if (s->picture_structure == PICT_FRAME) {
587             /* top field */
588             mpeg_motion(s, dest_y, dest_cb, dest_cr, 0,
589                         ref_picture, s->field_select[dir][0] ? s->linesize : 0,
590                         1, pix_op,
591                         s->mv[dir][0][0], s->mv[dir][0][1], 8);
592             /* bottom field */
593             mpeg_motion(s, dest_y, dest_cb, dest_cr, s->linesize,
594                         ref_picture, s->field_select[dir][1] ? s->linesize : 0,
595                         1, pix_op,
596                         s->mv[dir][1][0], s->mv[dir][1][1], 8);
597         } else {
598             
599
600         }
601         break;
602     }
603 }
604
605
606 /* put block[] to dest[] */
607 static inline void put_dct(MpegEncContext *s, 
608                            DCTELEM *block, int i, UINT8 *dest, int line_size)
609 {
610     if (!s->mpeg2)
611         dct_unquantize(s, block, i, s->qscale);
612     j_rev_dct (block);
613     put_pixels_clamped(block, dest, line_size);
614 }
615
616 /* add block[] to dest[] */
617 static inline void add_dct(MpegEncContext *s, 
618                            DCTELEM *block, int i, UINT8 *dest, int line_size)
619 {
620     if (s->block_last_index[i] >= 0) {
621         if (!s->mpeg2)
622             dct_unquantize(s, block, i, s->qscale);
623         j_rev_dct (block);
624         add_pixels_clamped(block, dest, line_size);
625     }
626 }
627
628 /* generic function called after a macroblock has been parsed by the
629    decoder or after it has been encoded by the encoder.
630
631    Important variables used:
632    s->mb_intra : true if intra macroblock
633    s->mv_dir   : motion vector direction
634    s->mv_type  : motion vector type
635    s->mv       : motion vector
636    s->interlaced_dct : true if interlaced dct used (mpeg2)
637  */
638 void MPV_decode_mb(MpegEncContext *s, DCTELEM block[6][64])
639 {
640     int mb_x, mb_y, motion_x, motion_y;
641     int dct_linesize, dct_offset;
642     op_pixels_func *op_pix;
643
644     mb_x = s->mb_x;
645     mb_y = s->mb_y;
646
647     /* update DC predictors for P macroblocks */
648     if (!s->mb_intra) {
649         if (s->h263_pred) {
650             int wrap, x, y, v;
651             wrap = 2 * s->mb_width + 2;
652             v = 1024;
653             x = 2 * mb_x + 1;
654             y = 2 * mb_y + 1;
655             s->dc_val[0][(x) + (y) * wrap] = v;
656             s->dc_val[0][(x + 1) + (y) * wrap] = v;
657             s->dc_val[0][(x) + (y + 1) * wrap] = v;
658             s->dc_val[0][(x + 1) + (y + 1) * wrap] = v;
659             /* ac pred */
660             memset(s->ac_val[0][(x) + (y) * wrap], 0, 16 * sizeof(INT16));
661             memset(s->ac_val[0][(x + 1) + (y) * wrap], 0, 16 * sizeof(INT16));
662             memset(s->ac_val[0][(x) + (y + 1) * wrap], 0, 16 * sizeof(INT16));
663             memset(s->ac_val[0][(x + 1) + (y + 1) * wrap], 0, 16 * sizeof(INT16));
664             if (s->h263_msmpeg4) {
665                 s->coded_block[(x) + (y) * wrap] = 0;
666                 s->coded_block[(x + 1) + (y) * wrap] = 0;
667                 s->coded_block[(x) + (y + 1) * wrap] = 0;
668                 s->coded_block[(x + 1) + (y + 1) * wrap] = 0;
669             }
670             /* chroma */
671             wrap = s->mb_width + 2;
672             x = mb_x + 1;
673             y = mb_y + 1;
674             s->dc_val[1][(x) + (y) * wrap] = v;
675             s->dc_val[2][(x) + (y) * wrap] = v;
676             /* ac pred */
677             memset(s->ac_val[1][(x) + (y) * wrap], 0, 16 * sizeof(INT16));
678             memset(s->ac_val[2][(x) + (y) * wrap], 0, 16 * sizeof(INT16));
679         } else {
680             s->last_dc[0] = 128 << s->intra_dc_precision;
681             s->last_dc[1] = 128 << s->intra_dc_precision;
682             s->last_dc[2] = 128 << s->intra_dc_precision;
683         }
684     }
685     
686     /* update motion predictor */
687     if (s->out_format == FMT_H263) {
688         int x, y, wrap;
689         
690         x = 2 * mb_x + 1;
691         y = 2 * mb_y + 1;
692         wrap = 2 * s->mb_width + 2;
693         if (s->mb_intra) {
694             motion_x = 0;
695             motion_y = 0;
696             goto motion_init;
697         } else if (s->mv_type == MV_TYPE_16X16) {
698             motion_x = s->mv[0][0][0];
699             motion_y = s->mv[0][0][1];
700         motion_init:
701             /* no update if 8X8 because it has been done during parsing */
702             s->motion_val[(x) + (y) * wrap][0] = motion_x;
703             s->motion_val[(x) + (y) * wrap][1] = motion_y;
704             s->motion_val[(x + 1) + (y) * wrap][0] = motion_x;
705             s->motion_val[(x + 1) + (y) * wrap][1] = motion_y;
706             s->motion_val[(x) + (y + 1) * wrap][0] = motion_x;
707             s->motion_val[(x) + (y + 1) * wrap][1] = motion_y;
708             s->motion_val[(x + 1) + (y + 1) * wrap][0] = motion_x;
709             s->motion_val[(x + 1) + (y + 1) * wrap][1] = motion_y;
710         }
711     }
712     
713     if (!s->intra_only) {
714         UINT8 *dest_y, *dest_cb, *dest_cr;
715
716         dest_y = s->current_picture[0] + (mb_y * 16 * s->linesize) + mb_x * 16;
717         dest_cb = s->current_picture[1] + (mb_y * 8 * (s->linesize >> 1)) + mb_x * 8;
718         dest_cr = s->current_picture[2] + (mb_y * 8 * (s->linesize >> 1)) + mb_x * 8;
719
720         if (s->interlaced_dct) {
721             dct_linesize = s->linesize * 2;
722             dct_offset = s->linesize;
723         } else {
724             dct_linesize = s->linesize;
725             dct_offset = s->linesize * 8;
726         }
727
728         if (!s->mb_intra) {
729             /* motion handling */
730             if (!s->no_rounding) 
731                 op_pix = put_pixels_tab;
732             else
733                 op_pix = put_no_rnd_pixels_tab;
734
735             if (s->mv_dir & MV_DIR_FORWARD) {
736                 MPV_motion(s, dest_y, dest_cb, dest_cr, 0, s->last_picture, op_pix);
737                 if (!s->no_rounding) 
738                     op_pix = avg_pixels_tab;
739                 else
740                     op_pix = avg_no_rnd_pixels_tab;
741             }
742             if (s->mv_dir & MV_DIR_BACKWARD) {
743                 MPV_motion(s, dest_y, dest_cb, dest_cr, 1, s->next_picture, op_pix);
744             }
745
746             /* add dct residue */
747             add_dct(s, block[0], 0, dest_y, dct_linesize);
748             add_dct(s, block[1], 1, dest_y + 8, dct_linesize);
749             add_dct(s, block[2], 2, dest_y + dct_offset, dct_linesize);
750             add_dct(s, block[3], 3, dest_y + dct_offset + 8, dct_linesize);
751
752             add_dct(s, block[4], 4, dest_cb, dct_linesize >> 1);
753             add_dct(s, block[5], 5, dest_cr, dct_linesize >> 1);
754         } else {
755             /* dct only in intra block */
756             put_dct(s, block[0], 0, dest_y, dct_linesize);
757             put_dct(s, block[1], 1, dest_y + 8, dct_linesize);
758             put_dct(s, block[2], 2, dest_y + dct_offset, dct_linesize);
759             put_dct(s, block[3], 3, dest_y + dct_offset + 8, dct_linesize);
760
761             put_dct(s, block[4], 4, dest_cb, dct_linesize >> 1);
762             put_dct(s, block[5], 5, dest_cr, dct_linesize >> 1);
763         }
764     }
765 }
766
767 static void encode_picture(MpegEncContext *s, int picture_number)
768 {
769     int mb_x, mb_y, wrap;
770     UINT8 *ptr;
771     DCTELEM block[6][64];
772     int i, motion_x, motion_y;
773
774     s->picture_number = picture_number;
775     if (!s->fixed_qscale) 
776         s->qscale = rate_estimate_qscale(s);
777
778     /* precompute matrix */
779     if (s->out_format == FMT_MJPEG) {
780         /* for mjpeg, we do include qscale in the matrix */
781         s->intra_matrix[0] = default_intra_matrix[0];
782         for(i=1;i<64;i++)
783             s->intra_matrix[i] = (default_intra_matrix[i] * s->qscale) >> 3;
784         convert_matrix(s->q_intra_matrix, s->intra_matrix, 8);
785     } else {
786         convert_matrix(s->q_intra_matrix, s->intra_matrix, s->qscale);
787         convert_matrix(s->q_non_intra_matrix, s->non_intra_matrix, s->qscale);
788     }
789
790     switch(s->out_format) {
791     case FMT_MJPEG:
792         mjpeg_picture_header(s);
793         break;
794     case FMT_H263:
795         if (s->h263_msmpeg4) 
796             msmpeg4_encode_picture_header(s, picture_number);
797         else if (s->h263_pred)
798             mpeg4_encode_picture_header(s, picture_number);
799         else if (s->h263_rv10) 
800             rv10_encode_picture_header(s, picture_number);
801         else
802             h263_encode_picture_header(s, picture_number);
803         break;
804     case FMT_MPEG1:
805         mpeg1_encode_picture_header(s, picture_number);
806         break;
807     }
808         
809     /* init last dc values */
810     /* note: quant matrix value (8) is implied here */
811     s->last_dc[0] = 128;
812     s->last_dc[1] = 128;
813     s->last_dc[2] = 128;
814     s->mb_incr = 1;
815     s->last_mv[0][0][0] = 0;
816     s->last_mv[0][0][1] = 0;
817     s->mv_type = MV_TYPE_16X16;
818     s->mv_dir = MV_DIR_FORWARD;
819
820     for(mb_y=0; mb_y < s->mb_height; mb_y++) {
821         for(mb_x=0; mb_x < s->mb_width; mb_x++) {
822
823             s->mb_x = mb_x;
824             s->mb_y = mb_y;
825
826             /* compute motion vector and macro block type (intra or non intra) */
827             motion_x = 0;
828             motion_y = 0;
829             if (s->pict_type == P_TYPE) {
830                 s->mb_intra = estimate_motion(s, mb_x, mb_y,
831                                               &motion_x,
832                                               &motion_y);
833             } else {
834                 s->mb_intra = 1;
835             }
836
837             /* get the pixels */
838             wrap = s->linesize;
839             ptr = s->new_picture[0] + (mb_y * 16 * wrap) + mb_x * 16;
840             get_pixels(block[0], ptr, wrap);
841             get_pixels(block[1], ptr + 8, wrap);
842             get_pixels(block[2], ptr + 8 * wrap, wrap);
843             get_pixels(block[3], ptr + 8 * wrap + 8, wrap);
844             wrap = s->linesize >> 1;
845             ptr = s->new_picture[1] + (mb_y * 8 * wrap) + mb_x * 8;
846             get_pixels(block[4], ptr, wrap);
847
848             wrap = s->linesize >> 1;
849             ptr = s->new_picture[2] + (mb_y * 8 * wrap) + mb_x * 8;
850             get_pixels(block[5], ptr, wrap);
851
852             /* subtract previous frame if non intra */
853             if (!s->mb_intra) {
854                 int dxy, offset, mx, my;
855
856                 dxy = ((motion_y & 1) << 1) | (motion_x & 1);
857                 ptr = s->last_picture[0] + 
858                     ((mb_y * 16 + (motion_y >> 1)) * s->linesize) + 
859                     (mb_x * 16 + (motion_x >> 1));
860
861                 sub_pixels_2(block[0], ptr, s->linesize, dxy);
862                 sub_pixels_2(block[1], ptr + 8, s->linesize, dxy);
863                 sub_pixels_2(block[2], ptr + s->linesize * 8, s->linesize, dxy);
864                 sub_pixels_2(block[3], ptr + 8 + s->linesize * 8, s->linesize ,dxy);
865
866                 if (s->out_format == FMT_H263) {
867                     /* special rounding for h263 */
868                     dxy = 0;
869                     if ((motion_x & 3) != 0)
870                         dxy |= 1;
871                     if ((motion_y & 3) != 0)
872                         dxy |= 2;
873                     mx = motion_x >> 2;
874                     my = motion_y >> 2;
875                 } else {
876                     mx = motion_x / 2;
877                     my = motion_y / 2;
878                     dxy = ((my & 1) << 1) | (mx & 1);
879                     mx >>= 1;
880                     my >>= 1;
881                 }
882                 offset = ((mb_y * 8 + my) * (s->linesize >> 1)) + (mb_x * 8 + mx);
883                 ptr = s->last_picture[1] + offset;
884                 sub_pixels_2(block[4], ptr, s->linesize >> 1, dxy);
885                 ptr = s->last_picture[2] + offset;
886                 sub_pixels_2(block[5], ptr, s->linesize >> 1, dxy);
887             }
888
889             /* DCT & quantize */
890             if (s->h263_msmpeg4) {
891                 msmpeg4_dc_scale(s);
892             } else if (s->h263_pred) {
893                 h263_dc_scale(s);
894             } else {
895                 /* default quantization values */
896                 s->y_dc_scale = 8;
897                 s->c_dc_scale = 8;
898             }
899
900             for(i=0;i<6;i++) {
901                 int last_index;
902                 if (av_fdct == jpeg_fdct_ifast)
903                     last_index = dct_quantize(s, block[i], i, s->qscale);
904                 else
905                     last_index = dct_quantize_mmx(s, block[i], i, s->qscale);
906                 s->block_last_index[i] = last_index;
907             }
908
909             /* huffman encode */
910             switch(s->out_format) {
911             case FMT_MPEG1:
912                 mpeg1_encode_mb(s, block, motion_x, motion_y);
913                 break;
914             case FMT_H263:
915                 if (s->h263_msmpeg4)
916                     msmpeg4_encode_mb(s, block, motion_x, motion_y);
917                 else
918                     h263_encode_mb(s, block, motion_x, motion_y);
919                 break;
920             case FMT_MJPEG:
921                 mjpeg_encode_mb(s, block);
922                 break;
923             }
924
925             /* decompress blocks so that we keep the state of the decoder */
926             s->mv[0][0][0] = motion_x;
927             s->mv[0][0][1] = motion_y;
928
929             MPV_decode_mb(s, block);
930         }
931     }
932 }
933
934 static int dct_quantize(MpegEncContext *s, 
935                         DCTELEM *block, int n,
936                         int qscale)
937 {
938     int i, j, level, last_non_zero, q;
939     const int *qmat;
940
941     av_fdct (block);
942
943     if (s->mb_intra) {
944         if (n < 4)
945             q = s->y_dc_scale;
946         else
947             q = s->c_dc_scale;
948         q = q << 3;
949         
950         /* note: block[0] is assumed to be positive */
951         block[0] = (block[0] + (q >> 1)) / q;
952         i = 1;
953         last_non_zero = 0;
954         if (s->out_format == FMT_H263) {
955             qmat = s->q_non_intra_matrix;
956         } else {
957             qmat = s->q_intra_matrix;
958         }
959     } else {
960         i = 0;
961         last_non_zero = -1;
962         qmat = s->q_non_intra_matrix;
963     }
964
965     for(;i<64;i++) {
966         j = zigzag_direct[i];
967         level = block[j];
968         level = level * qmat[j];
969 #ifdef PARANOID
970         {
971             static int count = 0;
972             int level1, level2, qmat1;
973             double val;
974             if (qmat == s->q_non_intra_matrix) {
975                 qmat1 = default_non_intra_matrix[j] * s->qscale;
976             } else {
977                 qmat1 = default_intra_matrix[j] * s->qscale;
978             }
979             if (av_fdct != jpeg_fdct_ifast)
980                 val = ((double)block[j] * 8.0) / (double)qmat1;
981             else
982                 val = ((double)block[j] * 8.0 * 2048.0) / 
983                     ((double)qmat1 * aanscales[j]);
984             level1 = (int)val;
985             level2 = level / (1 << (QMAT_SHIFT - 3));
986             if (level1 != level2) {
987                 fprintf(stderr, "%d: quant error qlevel=%d wanted=%d level=%d qmat1=%d qmat=%d wantedf=%0.6f\n", 
988                         count, level2, level1, block[j], qmat1, qmat[j],
989                         val);
990                 count++;
991             }
992
993         }
994 #endif
995         /* XXX: slight error for the low range. Test should be equivalent to
996            (level <= -(1 << (QMAT_SHIFT - 3)) || level >= (1 <<
997            (QMAT_SHIFT - 3)))
998         */
999         if (((level << (31 - (QMAT_SHIFT - 3))) >> (31 - (QMAT_SHIFT - 3))) != 
1000             level) {
1001             level = level / (1 << (QMAT_SHIFT - 3));
1002             /* XXX: currently, this code is not optimal. the range should be:
1003                mpeg1: -255..255
1004                mpeg2: -2048..2047
1005                h263:  -128..127
1006                mpeg4: -2048..2047
1007             */
1008             if (level > 127)
1009                 level = 127;
1010             else if (level < -128)
1011                 level = -128;
1012             block[j] = level;
1013             last_non_zero = i;
1014         } else {
1015             block[j] = 0;
1016         }
1017     }
1018     return last_non_zero;
1019 }
1020
1021 static int dct_quantize_mmx(MpegEncContext *s, 
1022                             DCTELEM *block, int n,
1023                             int qscale)
1024 {
1025     int i, j, level, last_non_zero, q;
1026     const int *qmat;
1027
1028     av_fdct (block);
1029
1030     if (s->mb_intra) {
1031         if (n < 4)
1032             q = s->y_dc_scale;
1033         else
1034             q = s->c_dc_scale;
1035         
1036         /* note: block[0] is assumed to be positive */
1037         block[0] = (block[0] + (q >> 1)) / q;
1038         i = 1;
1039         last_non_zero = 0;
1040         if (s->out_format == FMT_H263) {
1041             qmat = s->q_non_intra_matrix;
1042         } else {
1043             qmat = s->q_intra_matrix;
1044         }
1045     } else {
1046         i = 0;
1047         last_non_zero = -1;
1048         qmat = s->q_non_intra_matrix;
1049     }
1050
1051     for(;i<64;i++) {
1052         j = zigzag_direct[i];
1053         level = block[j];
1054         level = level * qmat[j];
1055         /* XXX: slight error for the low range. Test should be equivalent to
1056            (level <= -(1 << (QMAT_SHIFT_MMX - 3)) || level >= (1 <<
1057            (QMAT_SHIFT_MMX - 3)))
1058         */
1059         if (((level << (31 - (QMAT_SHIFT_MMX - 3))) >> (31 - (QMAT_SHIFT_MMX - 3))) != 
1060             level) {
1061             level = level / (1 << (QMAT_SHIFT_MMX - 3));
1062             /* XXX: currently, this code is not optimal. the range should be:
1063                mpeg1: -255..255
1064                mpeg2: -2048..2047
1065                h263:  -128..127
1066                mpeg4: -2048..2047
1067             */
1068             if (level > 127)
1069                 level = 127;
1070             else if (level < -128)
1071                 level = -128;
1072             block[j] = level;
1073             last_non_zero = i;
1074         } else {
1075             block[j] = 0;
1076         }
1077     }
1078     return last_non_zero;
1079 }
1080
1081 static void dct_unquantize(MpegEncContext *s, 
1082                            DCTELEM *block, int n, int qscale)
1083 {
1084     int i, level;
1085     const UINT16 *quant_matrix;
1086
1087     if (s->mb_intra) {
1088         if (n < 4) 
1089             block[0] = block[0] * s->y_dc_scale;
1090         else
1091             block[0] = block[0] * s->c_dc_scale;
1092         if (s->out_format == FMT_H263) {
1093             i = 1;
1094             goto unquant_even;
1095         }
1096         /* XXX: only mpeg1 */
1097         quant_matrix = s->intra_matrix;
1098         for(i=1;i<64;i++) {
1099             level = block[i];
1100             if (level) {
1101                 if (level < 0) {
1102                     level = -level;
1103                     level = (int)(level * qscale * quant_matrix[i]) >> 3;
1104                     level = (level - 1) | 1;
1105                     level = -level;
1106                 } else {
1107                     level = (int)(level * qscale * quant_matrix[i]) >> 3;
1108                     level = (level - 1) | 1;
1109                 }
1110 #ifdef PARANOID
1111                 if (level < -2048 || level > 2047)
1112                     fprintf(stderr, "unquant error %d %d\n", i, level);
1113 #endif
1114                 block[i] = level;
1115             }
1116         }
1117     } else {
1118         i = 0;
1119     unquant_even:
1120         quant_matrix = s->non_intra_matrix;
1121         for(;i<64;i++) {
1122             level = block[i];
1123             if (level) {
1124                 if (level < 0) {
1125                     level = -level;
1126                     level = (((level << 1) + 1) * qscale *
1127                              ((int) (quant_matrix[i]))) >> 4;
1128                     level = (level - 1) | 1;
1129                     level = -level;
1130                 } else {
1131                     level = (((level << 1) + 1) * qscale *
1132                              ((int) (quant_matrix[i]))) >> 4;
1133                     level = (level - 1) | 1;
1134                 }
1135 #ifdef PARANOID
1136                 if (level < -2048 || level > 2047)
1137                     fprintf(stderr, "unquant error %d %d\n", i, level);
1138 #endif
1139                 block[i] = level;
1140             }
1141         }
1142     }
1143 }
1144                          
1145
1146 /* rate control */
1147
1148 /* an I frame is I_FRAME_SIZE_RATIO bigger than a P frame */
1149 #define I_FRAME_SIZE_RATIO 3.0
1150 #define QSCALE_K           20
1151
1152 static void rate_control_init(MpegEncContext *s)
1153 {
1154     s->wanted_bits = 0;
1155
1156     if (s->intra_only) {
1157         s->I_frame_bits = ((INT64)s->bit_rate * FRAME_RATE_BASE) / s->frame_rate;
1158         s->P_frame_bits = s->I_frame_bits;
1159     } else {
1160         s->P_frame_bits = (int) ((float)(s->gop_size * s->bit_rate) / 
1161                                  (float)((float)s->frame_rate / FRAME_RATE_BASE * (I_FRAME_SIZE_RATIO + s->gop_size - 1)));
1162         s->I_frame_bits = (int)(s->P_frame_bits * I_FRAME_SIZE_RATIO);
1163     }
1164     
1165 #if defined(DEBUG)
1166     printf("I_frame_size=%d P_frame_size=%d\n",
1167            s->I_frame_bits, s->P_frame_bits);
1168 #endif
1169 }
1170
1171
1172 /*
1173  * This heuristic is rather poor, but at least we do not have to
1174  * change the qscale at every macroblock.
1175  */
1176 static int rate_estimate_qscale(MpegEncContext *s)
1177 {
1178     long long total_bits = s->total_bits;
1179     float q;
1180     int qscale, diff, qmin;
1181
1182     if (s->pict_type == I_TYPE) {
1183         s->wanted_bits += s->I_frame_bits;
1184     } else {
1185         s->wanted_bits += s->P_frame_bits;
1186     }
1187     diff = s->wanted_bits - total_bits;
1188     q = 31.0 - (float)diff / (QSCALE_K * s->mb_height * s->mb_width);
1189     /* adjust for I frame */
1190     if (s->pict_type == I_TYPE && !s->intra_only) {
1191         q /= I_FRAME_SIZE_RATIO;
1192     }
1193
1194     /* using a too small Q scale leeds to problems in mpeg1 and h263
1195        because AC coefficients are clamped to 255 or 127 */
1196     qmin = 3;
1197     if (q < qmin)
1198         q = qmin;
1199     else if (q > 31)
1200         q = 31;
1201     qscale = (int)(q + 0.5);
1202 #if defined(DEBUG)
1203     printf("%d: total=%Ld br=%0.1f diff=%d qest=%0.1f\n", 
1204            s->picture_number, 
1205            total_bits, 
1206            (float)s->frame_rate / FRAME_RATE_BASE * 
1207            total_bits / s->picture_number, 
1208            diff, q);
1209 #endif
1210     return qscale;
1211 }
1212
1213 AVCodec mpeg1video_encoder = {
1214     "mpeg1video",
1215     CODEC_TYPE_VIDEO,
1216     CODEC_ID_MPEG1VIDEO,
1217     sizeof(MpegEncContext),
1218     MPV_encode_init,
1219     MPV_encode_picture,
1220     MPV_encode_end,
1221 };
1222
1223 AVCodec h263_encoder = {
1224     "h263",
1225     CODEC_TYPE_VIDEO,
1226     CODEC_ID_H263,
1227     sizeof(MpegEncContext),
1228     MPV_encode_init,
1229     MPV_encode_picture,
1230     MPV_encode_end,
1231 };
1232
1233 AVCodec h263p_encoder = {
1234     "h263p",
1235     CODEC_TYPE_VIDEO,
1236     CODEC_ID_H263P,
1237     sizeof(MpegEncContext),
1238     MPV_encode_init,
1239     MPV_encode_picture,
1240     MPV_encode_end,
1241 };
1242
1243 AVCodec rv10_encoder = {
1244     "rv10",
1245     CODEC_TYPE_VIDEO,
1246     CODEC_ID_RV10,
1247     sizeof(MpegEncContext),
1248     MPV_encode_init,
1249     MPV_encode_picture,
1250     MPV_encode_end,
1251 };
1252
1253 AVCodec mjpeg_encoder = {
1254     "mjpeg",
1255     CODEC_TYPE_VIDEO,
1256     CODEC_ID_MJPEG,
1257     sizeof(MpegEncContext),
1258     MPV_encode_init,
1259     MPV_encode_picture,
1260     MPV_encode_end,
1261 };
1262
1263 AVCodec opendivx_encoder = {
1264     "opendivx",
1265     CODEC_TYPE_VIDEO,
1266     CODEC_ID_OPENDIVX,
1267     sizeof(MpegEncContext),
1268     MPV_encode_init,
1269     MPV_encode_picture,
1270     MPV_encode_end,
1271 };
1272
1273 AVCodec msmpeg4_encoder = {
1274     "msmpeg4",
1275     CODEC_TYPE_VIDEO,
1276     CODEC_ID_MSMPEG4,
1277     sizeof(MpegEncContext),
1278     MPV_encode_init,
1279     MPV_encode_picture,
1280     MPV_encode_end,
1281 };