vaapi_encode_mpeg2: Fix width/height columns/rows confusion
[ffmpeg.git] / libavcodec / opus_celt.c
1 /*
2  * Copyright (c) 2012 Andrew D'Addesio
3  * Copyright (c) 2013-2014 Mozilla Corporation
4  * Copyright (c) 2016 Rostislav Pehlivanov <atomnuker@gmail.com>
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 /**
24  * @file
25  * Opus CELT decoder
26  */
27
28 #include "opus_celt.h"
29 #include "opustab.h"
30 #include "opus_pvq.h"
31
32 /* Use the 2D z-transform to apply prediction in both the time domain (alpha)
33  * and the frequency domain (beta) */
34 static void celt_decode_coarse_energy(CeltFrame *f, OpusRangeCoder *rc)
35 {
36     int i, j;
37     float prev[2] = { 0 };
38     float alpha = ff_celt_alpha_coef[f->size];
39     float beta  = ff_celt_beta_coef[f->size];
40     const uint8_t *model = ff_celt_coarse_energy_dist[f->size][0];
41
42     /* intra frame */
43     if (opus_rc_tell(rc) + 3 <= f->framebits && ff_opus_rc_dec_log(rc, 3)) {
44         alpha = 0.0f;
45         beta  = 1.0f - (4915.0f/32768.0f);
46         model = ff_celt_coarse_energy_dist[f->size][1];
47     }
48
49     for (i = 0; i < CELT_MAX_BANDS; i++) {
50         for (j = 0; j < f->channels; j++) {
51             CeltBlock *block = &f->block[j];
52             float value;
53             int available;
54
55             if (i < f->start_band || i >= f->end_band) {
56                 block->energy[i] = 0.0;
57                 continue;
58             }
59
60             available = f->framebits - opus_rc_tell(rc);
61             if (available >= 15) {
62                 /* decode using a Laplace distribution */
63                 int k = FFMIN(i, 20) << 1;
64                 value = ff_opus_rc_dec_laplace(rc, model[k] << 7, model[k+1] << 6);
65             } else if (available >= 2) {
66                 int x = ff_opus_rc_dec_cdf(rc, ff_celt_model_energy_small);
67                 value = (x>>1) ^ -(x&1);
68             } else if (available >= 1) {
69                 value = -(float)ff_opus_rc_dec_log(rc, 1);
70             } else value = -1;
71
72             block->energy[i] = FFMAX(-9.0f, block->energy[i]) * alpha + prev[j] + value;
73             prev[j] += beta * value;
74         }
75     }
76 }
77
78 static void celt_decode_fine_energy(CeltFrame *f, OpusRangeCoder *rc)
79 {
80     int i;
81     for (i = f->start_band; i < f->end_band; i++) {
82         int j;
83         if (!f->fine_bits[i])
84             continue;
85
86         for (j = 0; j < f->channels; j++) {
87             CeltBlock *block = &f->block[j];
88             int q2;
89             float offset;
90             q2 = ff_opus_rc_get_raw(rc, f->fine_bits[i]);
91             offset = (q2 + 0.5f) * (1 << (14 - f->fine_bits[i])) / 16384.0f - 0.5f;
92             block->energy[i] += offset;
93         }
94     }
95 }
96
97 static void celt_decode_final_energy(CeltFrame *f, OpusRangeCoder *rc)
98 {
99     int priority, i, j;
100     int bits_left = f->framebits - opus_rc_tell(rc);
101
102     for (priority = 0; priority < 2; priority++) {
103         for (i = f->start_band; i < f->end_band && bits_left >= f->channels; i++) {
104             if (f->fine_priority[i] != priority || f->fine_bits[i] >= CELT_MAX_FINE_BITS)
105                 continue;
106
107             for (j = 0; j < f->channels; j++) {
108                 int q2;
109                 float offset;
110                 q2 = ff_opus_rc_get_raw(rc, 1);
111                 offset = (q2 - 0.5f) * (1 << (14 - f->fine_bits[i] - 1)) / 16384.0f;
112                 f->block[j].energy[i] += offset;
113                 bits_left--;
114             }
115         }
116     }
117 }
118
119 static void celt_decode_tf_changes(CeltFrame *f, OpusRangeCoder *rc)
120 {
121     int i, diff = 0, tf_select = 0, tf_changed = 0, tf_select_bit;
122     int consumed, bits = f->transient ? 2 : 4;
123
124     consumed = opus_rc_tell(rc);
125     tf_select_bit = (f->size != 0 && consumed+bits+1 <= f->framebits);
126
127     for (i = f->start_band; i < f->end_band; i++) {
128         if (consumed+bits+tf_select_bit <= f->framebits) {
129             diff ^= ff_opus_rc_dec_log(rc, bits);
130             consumed = opus_rc_tell(rc);
131             tf_changed |= diff;
132         }
133         f->tf_change[i] = diff;
134         bits = f->transient ? 4 : 5;
135     }
136
137     if (tf_select_bit && ff_celt_tf_select[f->size][f->transient][0][tf_changed] !=
138                          ff_celt_tf_select[f->size][f->transient][1][tf_changed])
139         tf_select = ff_opus_rc_dec_log(rc, 1);
140
141     for (i = f->start_band; i < f->end_band; i++) {
142         f->tf_change[i] = ff_celt_tf_select[f->size][f->transient][tf_select][f->tf_change[i]];
143     }
144 }
145
146 static void celt_denormalize(CeltFrame *f, CeltBlock *block, float *data)
147 {
148     int i, j;
149
150     for (i = f->start_band; i < f->end_band; i++) {
151         float *dst = data + (ff_celt_freq_bands[i] << f->size);
152         float log_norm = block->energy[i] + ff_celt_mean_energy[i];
153         float norm = exp2f(FFMIN(log_norm, 32.0f));
154
155         for (j = 0; j < ff_celt_freq_range[i] << f->size; j++)
156             dst[j] *= norm;
157     }
158 }
159
160 static void celt_postfilter_apply_transition(CeltBlock *block, float *data)
161 {
162     const int T0 = block->pf_period_old;
163     const int T1 = block->pf_period;
164
165     float g00, g01, g02;
166     float g10, g11, g12;
167
168     float x0, x1, x2, x3, x4;
169
170     int i;
171
172     if (block->pf_gains[0]     == 0.0 &&
173         block->pf_gains_old[0] == 0.0)
174         return;
175
176     g00 = block->pf_gains_old[0];
177     g01 = block->pf_gains_old[1];
178     g02 = block->pf_gains_old[2];
179     g10 = block->pf_gains[0];
180     g11 = block->pf_gains[1];
181     g12 = block->pf_gains[2];
182
183     x1 = data[-T1 + 1];
184     x2 = data[-T1];
185     x3 = data[-T1 - 1];
186     x4 = data[-T1 - 2];
187
188     for (i = 0; i < CELT_OVERLAP; i++) {
189         float w = ff_celt_window2[i];
190         x0 = data[i - T1 + 2];
191
192         data[i] +=  (1.0 - w) * g00 * data[i - T0]                          +
193                     (1.0 - w) * g01 * (data[i - T0 - 1] + data[i - T0 + 1]) +
194                     (1.0 - w) * g02 * (data[i - T0 - 2] + data[i - T0 + 2]) +
195                     w         * g10 * x2                                    +
196                     w         * g11 * (x1 + x3)                             +
197                     w         * g12 * (x0 + x4);
198         x4 = x3;
199         x3 = x2;
200         x2 = x1;
201         x1 = x0;
202     }
203 }
204
205 static void celt_postfilter_apply(CeltBlock *block, float *data, int len)
206 {
207     const int T = block->pf_period;
208     float g0, g1, g2;
209     float x0, x1, x2, x3, x4;
210     int i;
211
212     if (block->pf_gains[0] == 0.0 || len <= 0)
213         return;
214
215     g0 = block->pf_gains[0];
216     g1 = block->pf_gains[1];
217     g2 = block->pf_gains[2];
218
219     x4 = data[-T - 2];
220     x3 = data[-T - 1];
221     x2 = data[-T];
222     x1 = data[-T + 1];
223
224     for (i = 0; i < len; i++) {
225         x0 = data[i - T + 2];
226         data[i] += g0 * x2        +
227                    g1 * (x1 + x3) +
228                    g2 * (x0 + x4);
229         x4 = x3;
230         x3 = x2;
231         x2 = x1;
232         x1 = x0;
233     }
234 }
235
236 static void celt_postfilter(CeltFrame *f, CeltBlock *block)
237 {
238     int len = f->blocksize * f->blocks;
239
240     celt_postfilter_apply_transition(block, block->buf + 1024);
241
242     block->pf_period_old = block->pf_period;
243     memcpy(block->pf_gains_old, block->pf_gains, sizeof(block->pf_gains));
244
245     block->pf_period = block->pf_period_new;
246     memcpy(block->pf_gains, block->pf_gains_new, sizeof(block->pf_gains));
247
248     if (len > CELT_OVERLAP) {
249         celt_postfilter_apply_transition(block, block->buf + 1024 + CELT_OVERLAP);
250         celt_postfilter_apply(block, block->buf + 1024 + 2 * CELT_OVERLAP,
251                               len - 2 * CELT_OVERLAP);
252
253         block->pf_period_old = block->pf_period;
254         memcpy(block->pf_gains_old, block->pf_gains, sizeof(block->pf_gains));
255     }
256
257     memmove(block->buf, block->buf + len, (1024 + CELT_OVERLAP / 2) * sizeof(float));
258 }
259
260 static int parse_postfilter(CeltFrame *f, OpusRangeCoder *rc, int consumed)
261 {
262     int i;
263
264     memset(f->block[0].pf_gains_new, 0, sizeof(f->block[0].pf_gains_new));
265     memset(f->block[1].pf_gains_new, 0, sizeof(f->block[1].pf_gains_new));
266
267     if (f->start_band == 0 && consumed + 16 <= f->framebits) {
268         int has_postfilter = ff_opus_rc_dec_log(rc, 1);
269         if (has_postfilter) {
270             float gain;
271             int tapset, octave, period;
272
273             octave = ff_opus_rc_dec_uint(rc, 6);
274             period = (16 << octave) + ff_opus_rc_get_raw(rc, 4 + octave) - 1;
275             gain   = 0.09375f * (ff_opus_rc_get_raw(rc, 3) + 1);
276             tapset = (opus_rc_tell(rc) + 2 <= f->framebits) ?
277                      ff_opus_rc_dec_cdf(rc, ff_celt_model_tapset) : 0;
278
279             for (i = 0; i < 2; i++) {
280                 CeltBlock *block = &f->block[i];
281
282                 block->pf_period_new = FFMAX(period, CELT_POSTFILTER_MINPERIOD);
283                 block->pf_gains_new[0] = gain * ff_celt_postfilter_taps[tapset][0];
284                 block->pf_gains_new[1] = gain * ff_celt_postfilter_taps[tapset][1];
285                 block->pf_gains_new[2] = gain * ff_celt_postfilter_taps[tapset][2];
286             }
287         }
288
289         consumed = opus_rc_tell(rc);
290     }
291
292     return consumed;
293 }
294
295 static void process_anticollapse(CeltFrame *f, CeltBlock *block, float *X)
296 {
297     int i, j, k;
298
299     for (i = f->start_band; i < f->end_band; i++) {
300         int renormalize = 0;
301         float *xptr;
302         float prev[2];
303         float Ediff, r;
304         float thresh, sqrt_1;
305         int depth;
306
307         /* depth in 1/8 bits */
308         depth = (1 + f->pulses[i]) / (ff_celt_freq_range[i] << f->size);
309         thresh = exp2f(-1.0 - 0.125f * depth);
310         sqrt_1 = 1.0f / sqrtf(ff_celt_freq_range[i] << f->size);
311
312         xptr = X + (ff_celt_freq_bands[i] << f->size);
313
314         prev[0] = block->prev_energy[0][i];
315         prev[1] = block->prev_energy[1][i];
316         if (f->channels == 1) {
317             CeltBlock *block1 = &f->block[1];
318
319             prev[0] = FFMAX(prev[0], block1->prev_energy[0][i]);
320             prev[1] = FFMAX(prev[1], block1->prev_energy[1][i]);
321         }
322         Ediff = block->energy[i] - FFMIN(prev[0], prev[1]);
323         Ediff = FFMAX(0, Ediff);
324
325         /* r needs to be multiplied by 2 or 2*sqrt(2) depending on LM because
326         short blocks don't have the same energy as long */
327         r = exp2f(1 - Ediff);
328         if (f->size == 3)
329             r *= M_SQRT2;
330         r = FFMIN(thresh, r) * sqrt_1;
331         for (k = 0; k < 1 << f->size; k++) {
332             /* Detect collapse */
333             if (!(block->collapse_masks[i] & 1 << k)) {
334                 /* Fill with noise */
335                 for (j = 0; j < ff_celt_freq_range[i]; j++)
336                     xptr[(j << f->size) + k] = (celt_rng(f) & 0x8000) ? r : -r;
337                 renormalize = 1;
338             }
339         }
340
341         /* We just added some energy, so we need to renormalize */
342         if (renormalize)
343             celt_renormalize_vector(xptr, ff_celt_freq_range[i] << f->size, 1.0f);
344     }
345 }
346
347 int ff_celt_decode_frame(CeltFrame *f, OpusRangeCoder *rc,
348                          float **output, int channels, int frame_size,
349                          int start_band,  int end_band)
350 {
351     int i, j, downmix = 0;
352     int consumed;           // bits of entropy consumed thus far for this frame
353     MDCT15Context *imdct;
354
355     if (channels != 1 && channels != 2) {
356         av_log(f->avctx, AV_LOG_ERROR, "Invalid number of coded channels: %d\n",
357                channels);
358         return AVERROR_INVALIDDATA;
359     }
360     if (start_band < 0 || start_band > end_band || end_band > CELT_MAX_BANDS) {
361         av_log(f->avctx, AV_LOG_ERROR, "Invalid start/end band: %d %d\n",
362                start_band, end_band);
363         return AVERROR_INVALIDDATA;
364     }
365
366     f->silence        = 0;
367     f->transient      = 0;
368     f->anticollapse   = 0;
369     f->flushed        = 0;
370     f->channels       = channels;
371     f->start_band     = start_band;
372     f->end_band       = end_band;
373     f->framebits      = rc->rb.bytes * 8;
374
375     f->size = av_log2(frame_size / CELT_SHORT_BLOCKSIZE);
376     if (f->size > CELT_MAX_LOG_BLOCKS ||
377         frame_size != CELT_SHORT_BLOCKSIZE * (1 << f->size)) {
378         av_log(f->avctx, AV_LOG_ERROR, "Invalid CELT frame size: %d\n",
379                frame_size);
380         return AVERROR_INVALIDDATA;
381     }
382
383     if (!f->output_channels)
384         f->output_channels = channels;
385
386     for (i = 0; i < f->channels; i++) {
387         memset(f->block[i].coeffs,         0, sizeof(f->block[i].coeffs));
388         memset(f->block[i].collapse_masks, 0, sizeof(f->block[i].collapse_masks));
389     }
390
391     consumed = opus_rc_tell(rc);
392
393     /* obtain silence flag */
394     if (consumed >= f->framebits)
395         f->silence = 1;
396     else if (consumed == 1)
397         f->silence = ff_opus_rc_dec_log(rc, 15);
398
399
400     if (f->silence) {
401         consumed = f->framebits;
402         rc->total_bits += f->framebits - opus_rc_tell(rc);
403     }
404
405     /* obtain post-filter options */
406     consumed = parse_postfilter(f, rc, consumed);
407
408     /* obtain transient flag */
409     if (f->size != 0 && consumed+3 <= f->framebits)
410         f->transient = ff_opus_rc_dec_log(rc, 3);
411
412     f->blocks    = f->transient ? 1 << f->size : 1;
413     f->blocksize = frame_size / f->blocks;
414
415     imdct = f->imdct[f->transient ? 0 : f->size];
416
417     if (channels == 1) {
418         for (i = 0; i < CELT_MAX_BANDS; i++)
419             f->block[0].energy[i] = FFMAX(f->block[0].energy[i], f->block[1].energy[i]);
420     }
421
422     celt_decode_coarse_energy(f, rc);
423     celt_decode_tf_changes   (f, rc);
424     ff_celt_bitalloc         (f, rc, 0);
425     celt_decode_fine_energy  (f, rc);
426     ff_celt_quant_bands      (f, rc);
427
428     if (f->anticollapse_needed)
429         f->anticollapse = ff_opus_rc_get_raw(rc, 1);
430
431     celt_decode_final_energy(f, rc);
432
433     /* apply anti-collapse processing and denormalization to
434      * each coded channel */
435     for (i = 0; i < f->channels; i++) {
436         CeltBlock *block = &f->block[i];
437
438         if (f->anticollapse)
439             process_anticollapse(f, block, f->block[i].coeffs);
440
441         celt_denormalize(f, block, f->block[i].coeffs);
442     }
443
444     /* stereo -> mono downmix */
445     if (f->output_channels < f->channels) {
446         f->dsp->vector_fmac_scalar(f->block[0].coeffs, f->block[1].coeffs, 1.0, FFALIGN(frame_size, 16));
447         downmix = 1;
448     } else if (f->output_channels > f->channels)
449         memcpy(f->block[1].coeffs, f->block[0].coeffs, frame_size * sizeof(float));
450
451     if (f->silence) {
452         for (i = 0; i < 2; i++) {
453             CeltBlock *block = &f->block[i];
454
455             for (j = 0; j < FF_ARRAY_ELEMS(block->energy); j++)
456                 block->energy[j] = CELT_ENERGY_SILENCE;
457         }
458         memset(f->block[0].coeffs, 0, sizeof(f->block[0].coeffs));
459         memset(f->block[1].coeffs, 0, sizeof(f->block[1].coeffs));
460     }
461
462     /* transform and output for each output channel */
463     for (i = 0; i < f->output_channels; i++) {
464         CeltBlock *block = &f->block[i];
465         float m = block->emph_coeff;
466
467         /* iMDCT and overlap-add */
468         for (j = 0; j < f->blocks; j++) {
469             float *dst  = block->buf + 1024 + j * f->blocksize;
470
471             imdct->imdct_half(imdct, dst + CELT_OVERLAP / 2, f->block[i].coeffs + j,
472                               f->blocks);
473             f->dsp->vector_fmul_window(dst, dst, dst + CELT_OVERLAP / 2,
474                                        ff_celt_window, CELT_OVERLAP / 2);
475         }
476
477         if (downmix)
478             f->dsp->vector_fmul_scalar(&block->buf[1024], &block->buf[1024], 0.5f, frame_size);
479
480         /* postfilter */
481         celt_postfilter(f, block);
482
483         /* deemphasis and output scaling */
484         for (j = 0; j < frame_size; j++) {
485             const float tmp = block->buf[1024 - frame_size + j] + m;
486             m = tmp * CELT_EMPH_COEFF;
487             output[i][j] = tmp;
488         }
489
490         block->emph_coeff = m;
491     }
492
493     if (channels == 1)
494         memcpy(f->block[1].energy, f->block[0].energy, sizeof(f->block[0].energy));
495
496     for (i = 0; i < 2; i++ ) {
497         CeltBlock *block = &f->block[i];
498
499         if (!f->transient) {
500             memcpy(block->prev_energy[1], block->prev_energy[0], sizeof(block->prev_energy[0]));
501             memcpy(block->prev_energy[0], block->energy,         sizeof(block->prev_energy[0]));
502         } else {
503             for (j = 0; j < CELT_MAX_BANDS; j++)
504                 block->prev_energy[0][j] = FFMIN(block->prev_energy[0][j], block->energy[j]);
505         }
506
507         for (j = 0; j < f->start_band; j++) {
508             block->prev_energy[0][j] = CELT_ENERGY_SILENCE;
509             block->energy[j]         = 0.0;
510         }
511         for (j = f->end_band; j < CELT_MAX_BANDS; j++) {
512             block->prev_energy[0][j] = CELT_ENERGY_SILENCE;
513             block->energy[j]         = 0.0;
514         }
515     }
516
517     f->seed = rc->range;
518
519     return 0;
520 }
521
522 void ff_celt_flush(CeltFrame *f)
523 {
524     int i, j;
525
526     if (f->flushed)
527         return;
528
529     for (i = 0; i < 2; i++) {
530         CeltBlock *block = &f->block[i];
531
532         for (j = 0; j < CELT_MAX_BANDS; j++)
533             block->prev_energy[0][j] = block->prev_energy[1][j] = CELT_ENERGY_SILENCE;
534
535         memset(block->energy, 0, sizeof(block->energy));
536         memset(block->buf,    0, sizeof(block->buf));
537
538         memset(block->pf_gains,     0, sizeof(block->pf_gains));
539         memset(block->pf_gains_old, 0, sizeof(block->pf_gains_old));
540         memset(block->pf_gains_new, 0, sizeof(block->pf_gains_new));
541
542         block->emph_coeff = 0.0;
543     }
544     f->seed = 0;
545
546     f->flushed = 1;
547 }
548
549 void ff_celt_free(CeltFrame **f)
550 {
551     CeltFrame *frm = *f;
552     int i;
553
554     if (!frm)
555         return;
556
557     for (i = 0; i < FF_ARRAY_ELEMS(frm->imdct); i++)
558         ff_mdct15_uninit(&frm->imdct[i]);
559
560     ff_celt_pvq_uninit(&frm->pvq);
561
562     av_freep(&frm->dsp);
563     av_freep(f);
564 }
565
566 int ff_celt_init(AVCodecContext *avctx, CeltFrame **f, int output_channels,
567                  int apply_phase_inv)
568 {
569     CeltFrame *frm;
570     int i, ret;
571
572     if (output_channels != 1 && output_channels != 2) {
573         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Invalid number of output channels: %d\n",
574                output_channels);
575         return AVERROR(EINVAL);
576     }
577
578     frm = av_mallocz(sizeof(*frm));
579     if (!frm)
580         return AVERROR(ENOMEM);
581
582     frm->avctx           = avctx;
583     frm->output_channels = output_channels;
584     frm->apply_phase_inv = apply_phase_inv;
585
586     for (i = 0; i < FF_ARRAY_ELEMS(frm->imdct); i++)
587         if ((ret = ff_mdct15_init(&frm->imdct[i], 1, i + 3, -1.0f/32768)) < 0)
588             goto fail;
589
590     if ((ret = ff_celt_pvq_init(&frm->pvq, 0)) < 0)
591         goto fail;
592
593     frm->dsp = avpriv_float_dsp_alloc(avctx->flags & AV_CODEC_FLAG_BITEXACT);
594     if (!frm->dsp) {
595         ret = AVERROR(ENOMEM);
596         goto fail;
597     }
598
599     ff_celt_flush(frm);
600
601     *f = frm;
602
603     return 0;
604 fail:
605     ff_celt_free(&frm);
606     return ret;
607 }