avcodec: Implement mpeg2 nvdec hwaccel
[ffmpeg.git] / libavcodec / nvdec.c
1 /*
2  * HW decode acceleration through NVDEC
3  *
4  * Copyright (c) 2016 Anton Khirnov
5  *
6  * This file is part of FFmpeg.
7  *
8  * FFmpeg 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  * FFmpeg 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 FFmpeg; if not, write to the Free Software
20  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
21  */
22
23 #include "config.h"
24
25 #include "libavutil/common.h"
26 #include "libavutil/error.h"
27 #include "libavutil/hwcontext.h"
28 #include "libavutil/hwcontext_cuda_internal.h"
29 #include "libavutil/pixdesc.h"
30 #include "libavutil/pixfmt.h"
31
32 #include "avcodec.h"
33 #include "decode.h"
34 #include "nvdec.h"
35 #include "internal.h"
36
37 typedef struct NVDECDecoder {
38     CUvideodecoder decoder;
39
40     AVBufferRef *hw_device_ref;
41     CUcontext    cuda_ctx;
42
43     CudaFunctions *cudl;
44     CuvidFunctions *cvdl;
45 } NVDECDecoder;
46
47 typedef struct NVDECFramePool {
48     unsigned int dpb_size;
49     unsigned int nb_allocated;
50 } NVDECFramePool;
51
52 static int map_avcodec_id(enum AVCodecID id)
53 {
54     switch (id) {
55     case AV_CODEC_ID_H264:       return cudaVideoCodec_H264;
56     case AV_CODEC_ID_HEVC:       return cudaVideoCodec_HEVC;
57     case AV_CODEC_ID_MPEG2VIDEO: return cudaVideoCodec_MPEG2;
58     case AV_CODEC_ID_VC1:        return cudaVideoCodec_VC1;
59     case AV_CODEC_ID_VP9:        return cudaVideoCodec_VP9;
60     case AV_CODEC_ID_WMV3:       return cudaVideoCodec_VC1;
61     }
62     return -1;
63 }
64
65 static int map_chroma_format(enum AVPixelFormat pix_fmt)
66 {
67     int shift_h = 0, shift_v = 0;
68
69     av_pix_fmt_get_chroma_sub_sample(pix_fmt, &shift_h, &shift_v);
70
71     if (shift_h == 1 && shift_v == 1)
72         return cudaVideoChromaFormat_420;
73     else if (shift_h == 1 && shift_v == 0)
74         return cudaVideoChromaFormat_422;
75     else if (shift_h == 0 && shift_v == 0)
76         return cudaVideoChromaFormat_444;
77
78     return -1;
79 }
80
81 static int nvdec_test_capabilities(NVDECDecoder *decoder,
82                                    CUVIDDECODECREATEINFO *params, void *logctx)
83 {
84     CUresult err;
85     CUVIDDECODECAPS caps = { 0 };
86
87     caps.eCodecType      = params->CodecType;
88     caps.eChromaFormat   = params->ChromaFormat;
89     caps.nBitDepthMinus8 = params->bitDepthMinus8;
90
91     err = decoder->cvdl->cuvidGetDecoderCaps(&caps);
92     if (err != CUDA_SUCCESS) {
93         av_log(logctx, AV_LOG_ERROR, "Failed querying decoder capabilities\n");
94         return AVERROR_UNKNOWN;
95     }
96
97     av_log(logctx, AV_LOG_VERBOSE, "NVDEC capabilities:\n");
98     av_log(logctx, AV_LOG_VERBOSE, "format supported: %s, max_mb_count: %d\n",
99            caps.bIsSupported ? "yes" : "no", caps.nMaxMBCount);
100     av_log(logctx, AV_LOG_VERBOSE, "min_width: %d, max_width: %d\n",
101            caps.nMinWidth, caps.nMaxWidth);
102     av_log(logctx, AV_LOG_VERBOSE, "min_height: %d, max_height: %d\n",
103            caps.nMinHeight, caps.nMaxHeight);
104
105     if (!caps.bIsSupported) {
106         av_log(logctx, AV_LOG_ERROR, "Hardware is lacking required capabilities\n");
107         return AVERROR(EINVAL);
108     }
109
110     if (params->ulWidth > caps.nMaxWidth || params->ulWidth < caps.nMinWidth) {
111         av_log(logctx, AV_LOG_ERROR, "Video width %d not within range from %d to %d\n",
112                (int)params->ulWidth, caps.nMinWidth, caps.nMaxWidth);
113         return AVERROR(EINVAL);
114     }
115
116     if (params->ulHeight > caps.nMaxHeight || params->ulHeight < caps.nMinHeight) {
117         av_log(logctx, AV_LOG_ERROR, "Video height %d not within range from %d to %d\n",
118                (int)params->ulHeight, caps.nMinHeight, caps.nMaxHeight);
119         return AVERROR(EINVAL);
120     }
121
122     if ((params->ulWidth * params->ulHeight) / 256 > caps.nMaxMBCount) {
123         av_log(logctx, AV_LOG_ERROR, "Video macroblock count %d exceeds maximum of %d\n",
124                (int)(params->ulWidth * params->ulHeight) / 256, caps.nMaxMBCount);
125         return AVERROR(EINVAL);
126     }
127
128     return 0;
129 }
130
131 static void nvdec_decoder_free(void *opaque, uint8_t *data)
132 {
133     NVDECDecoder *decoder = (NVDECDecoder*)data;
134
135     if (decoder->decoder)
136         decoder->cvdl->cuvidDestroyDecoder(decoder->decoder);
137
138     av_buffer_unref(&decoder->hw_device_ref);
139
140     cuvid_free_functions(&decoder->cvdl);
141
142     av_freep(&decoder);
143 }
144
145 static int nvdec_decoder_create(AVBufferRef **out, AVBufferRef *hw_device_ref,
146                                 CUVIDDECODECREATEINFO *params, void *logctx)
147 {
148     AVHWDeviceContext  *hw_device_ctx = (AVHWDeviceContext*)hw_device_ref->data;
149     AVCUDADeviceContext *device_hwctx = hw_device_ctx->hwctx;
150
151     AVBufferRef *decoder_ref;
152     NVDECDecoder *decoder;
153
154     CUcontext dummy;
155     CUresult err;
156     int ret;
157
158     decoder = av_mallocz(sizeof(*decoder));
159     if (!decoder)
160         return AVERROR(ENOMEM);
161
162     decoder_ref = av_buffer_create((uint8_t*)decoder, sizeof(*decoder),
163                                    nvdec_decoder_free, NULL, AV_BUFFER_FLAG_READONLY);
164     if (!decoder_ref) {
165         av_freep(&decoder);
166         return AVERROR(ENOMEM);
167     }
168
169     decoder->hw_device_ref = av_buffer_ref(hw_device_ref);
170     if (!decoder->hw_device_ref) {
171         ret = AVERROR(ENOMEM);
172         goto fail;
173     }
174     decoder->cuda_ctx = device_hwctx->cuda_ctx;
175     decoder->cudl = device_hwctx->internal->cuda_dl;
176
177     ret = cuvid_load_functions(&decoder->cvdl);
178     if (ret < 0) {
179         av_log(logctx, AV_LOG_ERROR, "Failed loading nvcuvid.\n");
180         goto fail;
181     }
182
183     err = decoder->cudl->cuCtxPushCurrent(decoder->cuda_ctx);
184     if (err != CUDA_SUCCESS) {
185         ret = AVERROR_UNKNOWN;
186         goto fail;
187     }
188
189     ret = nvdec_test_capabilities(decoder, params, logctx);
190     if (ret < 0) {
191         decoder->cudl->cuCtxPopCurrent(&dummy);
192         goto fail;
193     }
194
195     err = decoder->cvdl->cuvidCreateDecoder(&decoder->decoder, params);
196
197     decoder->cudl->cuCtxPopCurrent(&dummy);
198
199     if (err != CUDA_SUCCESS) {
200         av_log(logctx, AV_LOG_ERROR, "Error creating a NVDEC decoder: %d\n", err);
201         ret = AVERROR_UNKNOWN;
202         goto fail;
203     }
204
205     *out = decoder_ref;
206
207     return 0;
208 fail:
209     av_buffer_unref(&decoder_ref);
210     return ret;
211 }
212
213 static AVBufferRef *nvdec_decoder_frame_alloc(void *opaque, int size)
214 {
215     NVDECFramePool *pool = opaque;
216     AVBufferRef *ret;
217
218     if (pool->nb_allocated >= pool->dpb_size)
219         return NULL;
220
221     ret = av_buffer_alloc(sizeof(unsigned int));
222     if (!ret)
223         return NULL;
224
225     *(unsigned int*)ret->data = pool->nb_allocated++;
226
227     return ret;
228 }
229
230 int ff_nvdec_decode_uninit(AVCodecContext *avctx)
231 {
232     NVDECContext *ctx = avctx->internal->hwaccel_priv_data;
233
234     av_freep(&ctx->bitstream);
235     ctx->bitstream_len       = 0;
236     ctx->bitstream_allocated = 0;
237
238     av_freep(&ctx->slice_offsets);
239     ctx->nb_slices               = 0;
240     ctx->slice_offsets_allocated = 0;
241
242     av_buffer_unref(&ctx->decoder_ref);
243     av_buffer_pool_uninit(&ctx->decoder_pool);
244
245     return 0;
246 }
247
248 int ff_nvdec_decode_init(AVCodecContext *avctx)
249 {
250     NVDECContext *ctx = avctx->internal->hwaccel_priv_data;
251
252     NVDECFramePool      *pool;
253     AVHWFramesContext   *frames_ctx;
254     const AVPixFmtDescriptor *sw_desc;
255
256     CUVIDDECODECREATEINFO params = { 0 };
257
258     int cuvid_codec_type, cuvid_chroma_format;
259     int ret = 0;
260
261     sw_desc = av_pix_fmt_desc_get(avctx->sw_pix_fmt);
262     if (!sw_desc)
263         return AVERROR_BUG;
264
265     cuvid_codec_type = map_avcodec_id(avctx->codec_id);
266     if (cuvid_codec_type < 0) {
267         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Unsupported codec ID\n");
268         return AVERROR_BUG;
269     }
270
271     cuvid_chroma_format = map_chroma_format(avctx->sw_pix_fmt);
272     if (cuvid_chroma_format < 0) {
273         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Unsupported chroma format\n");
274         return AVERROR(ENOSYS);
275     }
276
277     if (!avctx->hw_frames_ctx) {
278         ret = ff_decode_get_hw_frames_ctx(avctx, AV_HWDEVICE_TYPE_CUDA);
279         if (ret < 0)
280             return ret;
281     }
282
283     frames_ctx = (AVHWFramesContext*)avctx->hw_frames_ctx->data;
284
285     params.ulWidth             = avctx->coded_width;
286     params.ulHeight            = avctx->coded_height;
287     params.ulTargetWidth       = avctx->coded_width;
288     params.ulTargetHeight      = avctx->coded_height;
289     params.bitDepthMinus8      = sw_desc->comp[0].depth - 8;
290     params.OutputFormat        = params.bitDepthMinus8 ?
291                                  cudaVideoSurfaceFormat_P016 : cudaVideoSurfaceFormat_NV12;
292     params.CodecType           = cuvid_codec_type;
293     params.ChromaFormat        = cuvid_chroma_format;
294     params.ulNumDecodeSurfaces = frames_ctx->initial_pool_size;
295     params.ulNumOutputSurfaces = 1;
296
297     ret = nvdec_decoder_create(&ctx->decoder_ref, frames_ctx->device_ref, &params, avctx);
298     if (ret < 0) {
299         if (params.ulNumDecodeSurfaces > 32) {
300             av_log(avctx, AV_LOG_WARNING, "Using more than 32 (%d) decode surfaces might cause nvdec to fail.\n",
301                    (int)params.ulNumDecodeSurfaces);
302             av_log(avctx, AV_LOG_WARNING, "Try lowering the amount of threads. Using %d right now.\n",
303                    avctx->thread_count);
304         }
305         return ret;
306     }
307
308     pool = av_mallocz(sizeof(*pool));
309     if (!pool) {
310         ret = AVERROR(ENOMEM);
311         goto fail;
312     }
313     pool->dpb_size = frames_ctx->initial_pool_size;
314
315     ctx->decoder_pool = av_buffer_pool_init2(sizeof(int), pool,
316                                              nvdec_decoder_frame_alloc, av_free);
317     if (!ctx->decoder_pool) {
318         ret = AVERROR(ENOMEM);
319         goto fail;
320     }
321
322     return 0;
323 fail:
324     ff_nvdec_decode_uninit(avctx);
325     return ret;
326 }
327
328 static void nvdec_fdd_priv_free(void *priv)
329 {
330     NVDECFrame *cf = priv;
331
332     if (!cf)
333         return;
334
335     av_buffer_unref(&cf->idx_ref);
336     av_buffer_unref(&cf->decoder_ref);
337
338     av_freep(&priv);
339 }
340
341 static int nvdec_retrieve_data(void *logctx, AVFrame *frame)
342 {
343     FrameDecodeData  *fdd = (FrameDecodeData*)frame->private_ref->data;
344     NVDECFrame        *cf = (NVDECFrame*)fdd->hwaccel_priv;
345     NVDECDecoder *decoder = (NVDECDecoder*)cf->decoder_ref->data;
346
347     CUVIDPROCPARAMS vpp = { .progressive_frame = 1 };
348
349     CUresult err;
350     CUcontext dummy;
351     CUdeviceptr devptr;
352
353     unsigned int pitch, i;
354     unsigned int offset = 0;
355     int ret = 0;
356
357     err = decoder->cudl->cuCtxPushCurrent(decoder->cuda_ctx);
358     if (err != CUDA_SUCCESS)
359         return AVERROR_UNKNOWN;
360
361     err = decoder->cvdl->cuvidMapVideoFrame(decoder->decoder, cf->idx, &devptr,
362                                             &pitch, &vpp);
363     if (err != CUDA_SUCCESS) {
364         av_log(logctx, AV_LOG_ERROR, "Error mapping a picture with CUVID: %d\n",
365                err);
366         ret = AVERROR_UNKNOWN;
367         goto finish;
368     }
369
370     for (i = 0; frame->data[i]; i++) {
371         CUDA_MEMCPY2D cpy = {
372             .srcMemoryType = CU_MEMORYTYPE_DEVICE,
373             .dstMemoryType = CU_MEMORYTYPE_DEVICE,
374             .srcDevice     = devptr,
375             .dstDevice     = (CUdeviceptr)frame->data[i],
376             .srcPitch      = pitch,
377             .dstPitch      = frame->linesize[i],
378             .srcY          = offset,
379             .WidthInBytes  = FFMIN(pitch, frame->linesize[i]),
380             .Height        = frame->height >> (i ? 1 : 0),
381         };
382
383         err = decoder->cudl->cuMemcpy2D(&cpy);
384         if (err != CUDA_SUCCESS) {
385             av_log(logctx, AV_LOG_ERROR, "Error copying decoded frame: %d\n",
386                    err);
387             ret = AVERROR_UNKNOWN;
388             goto copy_fail;
389         }
390
391         offset += cpy.Height;
392     }
393
394 copy_fail:
395     decoder->cvdl->cuvidUnmapVideoFrame(decoder->decoder, devptr);
396
397 finish:
398     decoder->cudl->cuCtxPopCurrent(&dummy);
399     return ret;
400 }
401
402 int ff_nvdec_start_frame(AVCodecContext *avctx, AVFrame *frame)
403 {
404     NVDECContext *ctx = avctx->internal->hwaccel_priv_data;
405     FrameDecodeData *fdd = (FrameDecodeData*)frame->private_ref->data;
406     NVDECFrame *cf = NULL;
407     int ret;
408
409     ctx->bitstream_len = 0;
410     ctx->nb_slices     = 0;
411
412     if (fdd->hwaccel_priv)
413         return 0;
414
415     cf = av_mallocz(sizeof(*cf));
416     if (!cf)
417         return AVERROR(ENOMEM);
418
419     cf->decoder_ref = av_buffer_ref(ctx->decoder_ref);
420     if (!cf->decoder_ref) {
421         ret = AVERROR(ENOMEM);
422         goto fail;
423     }
424
425     cf->idx_ref = av_buffer_pool_get(ctx->decoder_pool);
426     if (!cf->idx_ref) {
427         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "No decoder surfaces left\n");
428         ret = AVERROR(ENOMEM);
429         goto fail;
430     }
431     cf->idx = *(unsigned int*)cf->idx_ref->data;
432
433     fdd->hwaccel_priv      = cf;
434     fdd->hwaccel_priv_free = nvdec_fdd_priv_free;
435     fdd->post_process      = nvdec_retrieve_data;
436
437     return 0;
438 fail:
439     nvdec_fdd_priv_free(cf);
440     return ret;
441
442 }
443
444 int ff_nvdec_end_frame(AVCodecContext *avctx)
445 {
446     NVDECContext     *ctx = avctx->internal->hwaccel_priv_data;
447     NVDECDecoder *decoder = (NVDECDecoder*)ctx->decoder_ref->data;
448     CUVIDPICPARAMS    *pp = &ctx->pic_params;
449
450     CUresult err;
451     CUcontext dummy;
452
453     int ret = 0;
454
455     pp->nBitstreamDataLen = ctx->bitstream_len;
456     pp->pBitstreamData    = ctx->bitstream;
457     pp->nNumSlices        = ctx->nb_slices;
458     pp->pSliceDataOffsets = ctx->slice_offsets;
459
460     err = decoder->cudl->cuCtxPushCurrent(decoder->cuda_ctx);
461     if (err != CUDA_SUCCESS)
462         return AVERROR_UNKNOWN;
463
464     err = decoder->cvdl->cuvidDecodePicture(decoder->decoder, &ctx->pic_params);
465     if (err != CUDA_SUCCESS) {
466         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Error decoding a picture with NVDEC: %d\n",
467                err);
468         ret = AVERROR_UNKNOWN;
469         goto finish;
470     }
471
472 finish:
473     decoder->cudl->cuCtxPopCurrent(&dummy);
474
475     return ret;
476 }
477
478 int ff_nvdec_frame_params(AVCodecContext *avctx,
479                           AVBufferRef *hw_frames_ctx,
480                           int dpb_size)
481 {
482     AVHWFramesContext *frames_ctx = (AVHWFramesContext*)hw_frames_ctx->data;
483     const AVPixFmtDescriptor *sw_desc;
484     int cuvid_codec_type, cuvid_chroma_format;
485
486     sw_desc = av_pix_fmt_desc_get(avctx->sw_pix_fmt);
487     if (!sw_desc)
488         return AVERROR_BUG;
489
490     cuvid_codec_type = map_avcodec_id(avctx->codec_id);
491     if (cuvid_codec_type < 0) {
492         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Unsupported codec ID\n");
493         return AVERROR_BUG;
494     }
495
496     cuvid_chroma_format = map_chroma_format(avctx->sw_pix_fmt);
497     if (cuvid_chroma_format < 0) {
498         av_log(avctx, AV_LOG_VERBOSE, "Unsupported chroma format\n");
499         return AVERROR(EINVAL);
500     }
501
502     frames_ctx->format            = AV_PIX_FMT_CUDA;
503     frames_ctx->width             = avctx->coded_width;
504     frames_ctx->height            = avctx->coded_height;
505     frames_ctx->initial_pool_size = dpb_size;
506
507     switch (sw_desc->comp[0].depth) {
508     case 8:
509         frames_ctx->sw_format = AV_PIX_FMT_NV12;
510         break;
511     case 10:
512         frames_ctx->sw_format = AV_PIX_FMT_P010;
513         break;
514     case 12:
515         frames_ctx->sw_format = AV_PIX_FMT_P016;
516         break;
517     default:
518         return AVERROR(EINVAL);
519     }
520
521     return 0;
522 }