RoQ video encoder
[ffmpeg.git] / libavcodec / roqvideoenc.c
1 /*
2  * RoQ Video Encoder.
3  *
4  * Copyright (C) 2007 Vitor <vitor1001@gmail.com>
5  * Copyright (C) 2004-2007 Eric Lasota
6  *    Based on RoQ specs (C) 2001 Tim Ferguson
7  *
8  * This file is part of FFmpeg.
9  *
10  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
11  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
12  * License as published by the Free Software Foundation; either
13  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
14  *
15  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
16  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
17  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
18  * Lesser General Public License for more details.
19  *
20  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
21  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
22  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
23  */
24
25 /**
26  * @file roqvideoenc.c
27  * Id RoQ encoder by Vitor. Based on the Switchblade3 library and the
28  * Switchblade3 FFmpeg glue by Eric Lasota.
29  */
30
31 /*
32  * COSTS:
33  * Level 1:
34  *  SKIP - 2 bits
35  *  MOTION - 2 + 8 bits
36  *  CODEBOOK - 2 + 8 bits
37  *  SUBDIVIDE - 2 + combined subcel cost
38  *
39  * Level 2:
40  *  SKIP - 2 bits
41  *  MOTION - 2 + 8 bits
42  *  CODEBOOK - 2 + 8 bits
43  *  SUBDIVIDE - 2 + 4*8 bits
44  *
45  * Maximum cost: 138 bits per cel
46  *
47  * Proper evaluation requires LCD fraction comparison, which requires
48  * Squared Error (SE) loss * savings increase
49  *
50  * Maximum savings increase: 136 bits
51  * Maximum SE loss without overflow: 31580641
52  * Components in 8x8 supercel: 192
53  * Maximum SE precision per component: 164482
54  *    >65025, so no truncation is needed (phew)
55  */
56
57 #include <string.h>
58 #include <unistd.h>
59
60 #include "roqvideo.h"
61 #include "bytestream.h"
62 #include "elbg.h"
63
64 #define CHROMA_BIAS 1
65
66 /**
67  * Maximum number of generated 4x4 codebooks. Can't be 256 to workaround a
68  * Quake 3 bug.
69  */
70 #define MAX_CBS_4x4 255
71
72 #define MAX_CBS_2x2 256 ///< Maximum number of 2x2 codebooks.
73
74 /* The cast is useful when multiplying it by INT_MAX */
75 #define ROQ_LAMBDA_SCALE ((uint64_t) FF_LAMBDA_SCALE)
76
77 /* Macroblock support functions */
78 static void unpack_roq_cell(roq_cell *cell, uint8_t u[4*3])
79 {
80     memcpy(u  , cell->y, 4);
81     memset(u+4, cell->u, 4);
82     memset(u+8, cell->v, 4);
83 }
84
85 static void unpack_roq_qcell(uint8_t cb2[], roq_qcell *qcell, uint8_t u[4*4*3])
86 {
87     int i,cp;
88     static const int offsets[4] = {0, 2, 8, 10};
89
90     for (cp=0; cp<3; cp++)
91         for (i=0; i<4; i++) {
92             u[4*4*cp + offsets[i]  ] = cb2[qcell->idx[i]*2*2*3 + 4*cp  ];
93             u[4*4*cp + offsets[i]+1] = cb2[qcell->idx[i]*2*2*3 + 4*cp+1];
94             u[4*4*cp + offsets[i]+4] = cb2[qcell->idx[i]*2*2*3 + 4*cp+2];
95             u[4*4*cp + offsets[i]+5] = cb2[qcell->idx[i]*2*2*3 + 4*cp+3];
96         }
97 }
98
99
100 static void enlarge_roq_mb4(uint8_t base[3*16], uint8_t u[3*64])
101 {
102     int x,y,cp;
103
104     for(cp=0; cp<3; cp++)
105         for(y=0; y<8; y++)
106             for(x=0; x<8; x++)
107                 *u++ = base[(y/2)*4 + (x/2) + 16*cp];
108 }
109
110 static inline int square(int x)
111 {
112     return x*x;
113 }
114
115 static inline int eval_sse(uint8_t *a, uint8_t *b, int count)
116 {
117     int diff=0;
118
119     while(count--)
120         diff += square(*b++ - *a++);
121
122     return diff;
123 }
124
125 // FIXME Could use DSPContext.sse, but it is not so speed critical (used
126 // just for motion estimation).
127 static int block_sse(uint8_t **buf1, uint8_t **buf2, int x1, int y1, int x2,
128                      int y2, int stride, int size)
129 {
130     int i, k;
131     int sse=0;
132
133     for (k=0; k<3; k++) {
134         int bias = (k ? CHROMA_BIAS : 4);
135         for (i=0; i<size; i++)
136             sse += bias*eval_sse(buf1[k] + (y1+i)*stride + x1,
137                                  buf2[k] + (y2+i)*stride + x2, size);
138     }
139
140     return sse;
141 }
142
143 static int eval_motion_dist(RoqContext *enc, int x, int y, motion_vect vect,
144                              int size)
145 {
146     int mx=vect.d[0];
147     int my=vect.d[1];
148
149     if (mx < -7 || mx > 7)
150         return INT_MAX;
151
152     if (my < -7 || my > 7)
153         return INT_MAX;
154
155     mx += x;
156     my += y;
157
158     if ((unsigned) mx > enc->width-size || (unsigned) my > enc->height-size)
159         return INT_MAX;
160
161     return block_sse(enc->frame_to_enc->data, enc->last_frame->data, x, y,
162                      mx, my, enc->y_stride, size);
163 }
164
165 /**
166  * Returns distortion between two macroblocks
167  */
168 static inline int squared_diff_macroblock(uint8_t a[], uint8_t b[], int size)
169 {
170     int cp, sdiff=0;
171
172     for(cp=0;cp<3;cp++) {
173         int bias = (cp ? CHROMA_BIAS : 4);
174         sdiff += bias*eval_sse(a, b, size*size);
175         a += size*size;
176         b += size*size;
177     }
178
179     return sdiff;
180 }
181
182 typedef struct
183 {
184     int eval_dist[4];
185     int best_bit_use;
186     int best_coding;
187
188     int subCels[4];
189     motion_vect motion;
190     int cbEntry;
191 } subcel_evaluation_t;
192
193 typedef struct
194 {
195     int eval_dist[4];
196     int best_coding;
197
198     subcel_evaluation_t subCels[4];
199
200     motion_vect motion;
201     int cbEntry;
202
203     int sourceX, sourceY;
204 } cel_evaluation_t;
205
206 typedef struct
207 {
208     int numCB4;
209     int numCB2;
210     int usedCB2[MAX_CBS_2x2];
211     int usedCB4[MAX_CBS_4x4];
212     uint8_t unpacked_cb2[MAX_CBS_2x2*2*2*3];
213     uint8_t unpacked_cb4[MAX_CBS_4x4*4*4*3];
214     uint8_t unpacked_cb4_enlarged[MAX_CBS_4x4*8*8*3];
215 } roq_codebooks_t;
216
217 /**
218  * Temporary vars
219  */
220 typedef struct
221 {
222     cel_evaluation_t *cel_evals;
223
224     int f2i4[MAX_CBS_4x4];
225     int i2f4[MAX_CBS_4x4];
226     int f2i2[MAX_CBS_2x2];
227     int i2f2[MAX_CBS_2x2];
228
229     int mainChunkSize;
230
231     int numCB4;
232     int numCB2;
233
234     roq_codebooks_t codebooks;
235
236     int *closest_cb2;
237     int used_option[4];
238 } roq_tempdata_t;
239
240 /**
241  * Initializes cel evaluators and sets their source coordinates
242  */
243 static void create_cel_evals(RoqContext *enc, roq_tempdata_t *tempData)
244 {
245     int n=0, x, y, i;
246
247     tempData->cel_evals = av_malloc(enc->width*enc->height/64 * sizeof(cel_evaluation_t));
248
249     /* Map to the ROQ quadtree order */
250     for (y=0; y<enc->height; y+=16)
251         for (x=0; x<enc->width; x+=16)
252             for(i=0; i<4; i++) {
253                 tempData->cel_evals[n  ].sourceX = x + (i&1)*8;
254                 tempData->cel_evals[n++].sourceY = y + (i&2)*4;
255             }
256 }
257
258 /**
259  * Get macroblocks from parts of the image
260  */
261 static void get_frame_mb(AVFrame *frame, int x, int y, uint8_t mb[], int dim)
262 {
263     int i, j, cp;
264     int stride = frame->linesize[0];
265
266     for (cp=0; cp<3; cp++)
267         for (i=0; i<dim; i++)
268             for (j=0; j<dim; j++)
269                 *mb++ = frame->data[cp][(y+i)*stride + x + j];
270 }
271
272 /**
273  * Find the codebook with the lowest distortion from an image
274  */
275 static int index_mb(uint8_t cluster[], uint8_t cb[], int numCB,
276                     int *outIndex, int dim)
277 {
278     int i, lDiff = INT_MAX, pick=0;
279
280     /* Diff against the others */
281     for (i=0; i<numCB; i++) {
282         int diff = squared_diff_macroblock(cluster, cb + i*dim*dim*3, dim);
283         if (diff < lDiff) {
284             lDiff = diff;
285             pick = i;
286         }
287     }
288
289     *outIndex = pick;
290     return lDiff;
291 }
292
293 #define EVAL_MOTION(MOTION) \
294     do { \
295         diff = eval_motion_dist(enc, j, i, MOTION, blocksize); \
296             \
297         if (diff < lowestdiff) { \
298             lowestdiff = diff; \
299             bestpick = MOTION; \
300         } \
301     } while(0)
302
303 static void motion_search(RoqContext *enc, int blocksize)
304 {
305     static const motion_vect offsets[8] = {
306         {{ 0,-1}},
307         {{ 0, 1}},
308         {{-1, 0}},
309         {{ 1, 0}},
310         {{-1, 1}},
311         {{ 1,-1}},
312         {{-1,-1}},
313         {{ 1, 1}},
314     };
315
316     int diff, lowestdiff, oldbest;
317     int off[3];
318     motion_vect bestpick = {{0,0}};
319     int i, j, k, offset;
320
321     motion_vect *last_motion;
322     motion_vect *this_motion;
323     motion_vect vect, vect2;
324
325     int max=(enc->width/blocksize)*enc->height/blocksize;
326
327     if (blocksize == 4) {
328         last_motion = enc->last_motion4;
329         this_motion = enc->this_motion4;
330     } else {
331         last_motion = enc->last_motion8;
332         this_motion = enc->this_motion8;
333     }
334
335     for (i=0; i<enc->height; i+=blocksize)
336         for (j=0; j<enc->width; j+=blocksize) {
337             lowestdiff = eval_motion_dist(enc, j, i, (motion_vect) {{0,0}},
338                                           blocksize);
339             bestpick.d[0] = 0;
340             bestpick.d[1] = 0;
341
342             if (blocksize == 4)
343                 EVAL_MOTION(enc->this_motion8[(i/8)*(enc->width/8) + j/8]);
344
345             offset = (i/blocksize)*enc->width/blocksize + j/blocksize;
346             if (offset < max && offset >= 0)
347                 EVAL_MOTION(last_motion[offset]);
348
349             offset++;
350             if (offset < max && offset >= 0)
351                 EVAL_MOTION(last_motion[offset]);
352
353             offset = (i/blocksize + 1)*enc->width/blocksize + j/blocksize;
354             if (offset < max && offset >= 0)
355                 EVAL_MOTION(last_motion[offset]);
356
357             off[0]= (i/blocksize)*enc->width/blocksize + j/blocksize - 1;
358             off[1]= off[0] - enc->width/blocksize + 1;
359             off[2]= off[1] + 1;
360
361             if (i) {
362
363                 for(k=0; k<2; k++)
364                     vect.d[k]= mid_pred(this_motion[off[0]].d[k],
365                                         this_motion[off[1]].d[k],
366                                         this_motion[off[2]].d[k]);
367
368                 EVAL_MOTION(vect);
369                 for(k=0; k<3; k++)
370                     EVAL_MOTION(this_motion[off[k]]);
371             } else if(j)
372                 EVAL_MOTION(this_motion[off[0]]);
373
374             vect = bestpick;
375
376             oldbest = -1;
377             while (oldbest != lowestdiff) {
378                 oldbest = lowestdiff;
379                 for (k=0; k<8; k++) {
380                     vect2 = vect;
381                     vect2.d[0] += offsets[k].d[0];
382                     vect2.d[1] += offsets[k].d[1];
383                     EVAL_MOTION(vect2);
384                 }
385                 vect = bestpick;
386             }
387             offset = (i/blocksize)*enc->width/blocksize + j/blocksize;
388             this_motion[offset] = bestpick;
389         }
390 }
391
392 /**
393  * Gets distortion for all options available to a subcel
394  */
395 static void gather_data_for_subcel(subcel_evaluation_t *subcel, int x,
396                                    int y, RoqContext *enc, roq_tempdata_t *tempData)
397 {
398     uint8_t mb4[4*4*3];
399     uint8_t mb2[2*2*3];
400     int cluster_index;
401     int i, best_dist;
402
403     static const int bitsUsed[4] = {2, 10, 10, 34};
404
405     if (enc->framesSinceKeyframe >= 1) {
406         subcel->motion = enc->this_motion4[y*enc->width/16 + x/4];
407
408         subcel->eval_dist[RoQ_ID_FCC] =
409             eval_motion_dist(enc, x, y,
410                              enc->this_motion4[y*enc->width/16 + x/4], 4);
411     } else
412         subcel->eval_dist[RoQ_ID_FCC] = INT_MAX;
413
414     if (enc->framesSinceKeyframe >= 2)
415         subcel->eval_dist[RoQ_ID_MOT] = block_sse(enc->frame_to_enc->data,
416                                                   enc->current_frame->data, x,
417                                                   y, x, y, enc->y_stride, 4);
418     else
419         subcel->eval_dist[RoQ_ID_MOT] = INT_MAX;
420
421     cluster_index = y*enc->width/16 + x/4;
422
423     get_frame_mb(enc->frame_to_enc, x, y, mb4, 4);
424
425     subcel->eval_dist[RoQ_ID_SLD] = index_mb(mb4,
426                                              tempData->codebooks.unpacked_cb4,
427                                              tempData->codebooks.numCB4,
428                                              &subcel->cbEntry, 4);
429
430     subcel->eval_dist[RoQ_ID_CCC] = 0;
431
432     for(i=0;i<4;i++) {
433         subcel->subCels[i] = tempData->closest_cb2[cluster_index*4+i];
434
435         get_frame_mb(enc->frame_to_enc, x+2*(i&1),
436                      y+(i&2), mb2, 2);
437
438         subcel->eval_dist[RoQ_ID_CCC] +=
439             squared_diff_macroblock(tempData->codebooks.unpacked_cb2 + subcel->subCels[i]*2*2*3, mb2, 2);
440     }
441
442     best_dist = INT_MAX;
443     for (i=0; i<4; i++)
444         if (ROQ_LAMBDA_SCALE*subcel->eval_dist[i] + enc->lambda*bitsUsed[i] <
445             best_dist) {
446             subcel->best_coding = i;
447             subcel->best_bit_use = bitsUsed[i];
448             best_dist = ROQ_LAMBDA_SCALE*subcel->eval_dist[i] +
449                 enc->lambda*bitsUsed[i];
450         }
451 }
452
453 /**
454  * Gets distortion for all options available to a cel
455  */
456 static void gather_data_for_cel(cel_evaluation_t *cel, RoqContext *enc,
457                                 roq_tempdata_t *tempData)
458 {
459     uint8_t mb8[8*8*3];
460     int index = cel->sourceY*enc->width/64 + cel->sourceX/8;
461     int i, j, best_dist, divide_bit_use;
462
463     int bitsUsed[4] = {2, 10, 10, 0};
464
465     if (enc->framesSinceKeyframe >= 1) {
466         cel->motion = enc->this_motion8[index];
467
468         cel->eval_dist[RoQ_ID_FCC] =
469             eval_motion_dist(enc, cel->sourceX, cel->sourceY,
470                              enc->this_motion8[index], 8);
471     } else
472         cel->eval_dist[RoQ_ID_FCC] = INT_MAX;
473
474     if (enc->framesSinceKeyframe >= 2)
475         cel->eval_dist[RoQ_ID_MOT] = block_sse(enc->frame_to_enc->data,
476                                                enc->current_frame->data,
477                                                cel->sourceX, cel->sourceY,
478                                                cel->sourceX, cel->sourceY,
479                                                enc->y_stride, 8);
480     else
481         cel->eval_dist[RoQ_ID_MOT] = INT_MAX;
482
483     get_frame_mb(enc->frame_to_enc, cel->sourceX, cel->sourceY, mb8, 8);
484
485     cel->eval_dist[RoQ_ID_SLD] =
486         index_mb(mb8, tempData->codebooks.unpacked_cb4_enlarged,
487                  tempData->codebooks.numCB4, &cel->cbEntry, 8);
488
489     gather_data_for_subcel(cel->subCels + 0, cel->sourceX+0, cel->sourceY+0, enc, tempData);
490     gather_data_for_subcel(cel->subCels + 1, cel->sourceX+4, cel->sourceY+0, enc, tempData);
491     gather_data_for_subcel(cel->subCels + 2, cel->sourceX+0, cel->sourceY+4, enc, tempData);
492     gather_data_for_subcel(cel->subCels + 3, cel->sourceX+4, cel->sourceY+4, enc, tempData);
493
494     cel->eval_dist[RoQ_ID_CCC] = 0;
495     divide_bit_use = 0;
496     for (i=0; i<4; i++) {
497         cel->eval_dist[RoQ_ID_CCC] +=
498             cel->subCels[i].eval_dist[cel->subCels[i].best_coding];
499         divide_bit_use += cel->subCels[i].best_bit_use;
500     }
501
502     best_dist = INT_MAX;
503     bitsUsed[3] = 2 + divide_bit_use;
504
505     for (i=0; i<4; i++)
506         if (ROQ_LAMBDA_SCALE*cel->eval_dist[i] + enc->lambda*bitsUsed[i] <
507             best_dist) {
508             cel->best_coding = i;
509             best_dist = ROQ_LAMBDA_SCALE*cel->eval_dist[i] +
510                 enc->lambda*bitsUsed[i];
511         }
512
513     tempData->used_option[cel->best_coding]++;
514     tempData->mainChunkSize += bitsUsed[cel->best_coding];
515
516     if (cel->best_coding == RoQ_ID_SLD)
517         tempData->codebooks.usedCB4[cel->cbEntry]++;
518
519     if (cel->best_coding == RoQ_ID_CCC)
520         for (i=0; i<4; i++) {
521             if (cel->subCels[i].best_coding == RoQ_ID_SLD)
522                 tempData->codebooks.usedCB4[cel->subCels[i].cbEntry]++;
523             else if (cel->subCels[i].best_coding == RoQ_ID_CCC)
524                 for (j=0; j<4; j++)
525                     tempData->codebooks.usedCB2[cel->subCels[i].subCels[j]]++;
526         }
527 }
528
529 static void remap_codebooks(RoqContext *enc, roq_tempdata_t *tempData)
530 {
531     int i, j, idx=0;
532
533     /* Make remaps for the final codebook usage */
534     for (i=0; i<MAX_CBS_4x4; i++) {
535         if (tempData->codebooks.usedCB4[i]) {
536             tempData->i2f4[i] = idx;
537             tempData->f2i4[idx] = i;
538             for (j=0; j<4; j++)
539                 tempData->codebooks.usedCB2[enc->cb4x4[i].idx[j]]++;
540             idx++;
541         }
542     }
543
544     tempData->numCB4 = idx;
545
546     idx = 0;
547     for (i=0; i<MAX_CBS_2x2; i++) {
548         if (tempData->codebooks.usedCB2[i]) {
549             tempData->i2f2[i] = idx;
550             tempData->f2i2[idx] = i;
551             idx++;
552         }
553     }
554     tempData->numCB2 = idx;
555
556 }
557
558 /**
559  * Write codebook chunk
560  */
561 static void write_codebooks(RoqContext *enc, roq_tempdata_t *tempData)
562 {
563     int i, j;
564     uint8_t **outp= &enc->out_buf;
565
566     if (tempData->numCB2) {
567         bytestream_put_le16(outp, RoQ_QUAD_CODEBOOK);
568         bytestream_put_le32(outp, tempData->numCB2*6 + tempData->numCB4*4);
569         bytestream_put_byte(outp, tempData->numCB4);
570         bytestream_put_byte(outp, tempData->numCB2);
571
572         for (i=0; i<tempData->numCB2; i++) {
573             bytestream_put_buffer(outp, enc->cb2x2[tempData->f2i2[i]].y, 4);
574             bytestream_put_byte(outp, enc->cb2x2[tempData->f2i2[i]].u);
575             bytestream_put_byte(outp, enc->cb2x2[tempData->f2i2[i]].v);
576         }
577
578         for (i=0; i<tempData->numCB4; i++)
579             for (j=0; j<4; j++)
580                 bytestream_put_byte(outp, tempData->i2f2[enc->cb4x4[tempData->f2i4[i]].idx[j]]);
581
582     }
583 }
584
585 static inline uint8_t motion_arg(motion_vect mot)
586 {
587     uint8_t ax = 8 - ((uint8_t) mot.d[0]);
588     uint8_t ay = 8 - ((uint8_t) mot.d[1]);
589     return ((ax&15)<<4) | (ay&15);
590 }
591
592 typedef struct
593 {
594     int typeSpool;
595     int typeSpoolLength;
596     uint8_t argumentSpool[64];
597     uint8_t *args;
598     uint8_t **pout;
599 } CodingSpool;
600
601 /* NOTE: Typecodes must be spooled AFTER arguments!! */
602 static void write_typecode(CodingSpool *s, uint8_t type)
603 {
604     s->typeSpool |= ((type) & 3) << (14 - s->typeSpoolLength);
605     s->typeSpoolLength += 2;
606     if (s->typeSpoolLength == 16) {
607         bytestream_put_le16(s->pout, s->typeSpool);
608         bytestream_put_buffer(s->pout, s->argumentSpool,
609                               s->args - s->argumentSpool);
610         s->typeSpoolLength = 0;
611         s->typeSpool = 0;
612         s->args = s->argumentSpool;
613     }
614 }
615
616 static void reconstruct_and_encode_image(RoqContext *enc, roq_tempdata_t *tempData, int w, int h, int numBlocks)
617 {
618     int i, j, k;
619     int x, y;
620     int subX, subY;
621     int dist=0;
622
623     roq_qcell *qcell;
624     cel_evaluation_t *eval;
625
626     CodingSpool spool;
627
628     spool.typeSpool=0;
629     spool.typeSpoolLength=0;
630     spool.args = spool.argumentSpool;
631     spool.pout = &enc->out_buf;
632
633     if (tempData->used_option[RoQ_ID_CCC]%2)
634         tempData->mainChunkSize+=8; //FIXME
635
636     /* Write the video chunk header */
637     bytestream_put_le16(&enc->out_buf, RoQ_QUAD_VQ);
638     bytestream_put_le32(&enc->out_buf, tempData->mainChunkSize/8);
639     bytestream_put_byte(&enc->out_buf, 0x0);
640     bytestream_put_byte(&enc->out_buf, 0x0);
641
642     for (i=0; i<numBlocks; i++) {
643         eval = tempData->cel_evals + i;
644
645         x = eval->sourceX;
646         y = eval->sourceY;
647         dist += eval->eval_dist[eval->best_coding];
648
649         switch (eval->best_coding) {
650         case RoQ_ID_MOT:
651             write_typecode(&spool, RoQ_ID_MOT);
652             break;
653
654         case RoQ_ID_FCC:
655             bytestream_put_byte(&spool.args, motion_arg(eval->motion));
656
657             write_typecode(&spool, RoQ_ID_FCC);
658             ff_apply_motion_8x8(enc, x, y,
659                                 eval->motion.d[0], eval->motion.d[1]);
660             break;
661
662         case RoQ_ID_SLD:
663             bytestream_put_byte(&spool.args, tempData->i2f4[eval->cbEntry]);
664             write_typecode(&spool, RoQ_ID_SLD);
665
666             qcell = enc->cb4x4 + eval->cbEntry;
667             ff_apply_vector_4x4(enc, x  , y  , enc->cb2x2 + qcell->idx[0]);
668             ff_apply_vector_4x4(enc, x+4, y  , enc->cb2x2 + qcell->idx[1]);
669             ff_apply_vector_4x4(enc, x  , y+4, enc->cb2x2 + qcell->idx[2]);
670             ff_apply_vector_4x4(enc, x+4, y+4, enc->cb2x2 + qcell->idx[3]);
671             break;
672
673         case RoQ_ID_CCC:
674             write_typecode(&spool, RoQ_ID_CCC);
675
676             for (j=0; j<4; j++) {
677                 subX = x + 4*(j&1);
678                 subY = y + 2*(j&2);
679
680                 switch(eval->subCels[j].best_coding) {
681                 case RoQ_ID_MOT:
682                     break;
683
684                 case RoQ_ID_FCC:
685                     bytestream_put_byte(&spool.args,
686                                         motion_arg(eval->subCels[j].motion));
687
688                     ff_apply_motion_4x4(enc, subX, subY,
689                                         eval->subCels[j].motion.d[0],
690                                         eval->subCels[j].motion.d[1]);
691                     break;
692
693                 case RoQ_ID_SLD:
694                     bytestream_put_byte(&spool.args,
695                                         tempData->i2f4[eval->subCels[j].cbEntry]);
696
697                     qcell = enc->cb4x4 + eval->subCels[j].cbEntry;
698
699                     ff_apply_vector_2x2(enc, subX  , subY  ,
700                                         enc->cb2x2 + qcell->idx[0]);
701                     ff_apply_vector_2x2(enc, subX+2, subY  ,
702                                         enc->cb2x2 + qcell->idx[1]);
703                     ff_apply_vector_2x2(enc, subX  , subY+2,
704                                         enc->cb2x2 + qcell->idx[2]);
705                     ff_apply_vector_2x2(enc, subX+2, subY+2,
706                                         enc->cb2x2 + qcell->idx[3]);
707                     break;
708
709                 case RoQ_ID_CCC:
710                     for (k=0; k<4; k++) {
711                         int cb_idx = eval->subCels[j].subCels[k];
712                         bytestream_put_byte(&spool.args,
713                                             tempData->i2f2[cb_idx]);
714
715                         ff_apply_vector_2x2(enc, subX + 2*(k&1), subY + (k&2),
716                                             enc->cb2x2 + cb_idx);
717                     }
718                     break;
719                 }
720                 write_typecode(&spool, eval->subCels[j].best_coding);
721             }
722             break;
723         }
724     }
725
726     /* Flush the remainder of the argument/type spool */
727     while (spool.typeSpoolLength)
728         write_typecode(&spool, 0x0);
729
730 #if 0
731     uint8_t *fdata[3] = {enc->frame_to_enc->data[0],
732                            enc->frame_to_enc->data[1],
733                            enc->frame_to_enc->data[2]};
734     uint8_t *cdata[3] = {enc->current_frame->data[0],
735                            enc->current_frame->data[1],
736                            enc->current_frame->data[2]};
737     av_log(enc->avctx, AV_LOG_ERROR, "Expected distortion: %i Actual: %i\n",
738            dist,
739            block_sse(fdata, cdata, 0, 0, 0, 0,
740                      enc->y_stride, enc->width));  //WARNING: Square dimensions implied...
741 #endif
742 }
743
744
745 /**
746  * Create a single YUV cell from a 2x2 section of the image
747  */
748 static inline void frame_block_to_cell(uint8_t *block, uint8_t **data,
749                                        int top, int left, int *stride)
750 {
751     int i, j, u=0, v=0;
752
753     for (i=0; i<2; i++)
754         for (j=0; j<2; j++) {
755             int x = (top+i)*stride[0] + left + j;
756             *block++ = data[0][x];
757             u       += data[1][x];
758             v       += data[2][x];
759         }
760
761     *block++ = (u+2)/4;
762     *block++ = (v+2)/4;
763 }
764
765 /**
766  * Creates YUV clusters for the entire image
767  */
768 static void create_clusters(AVFrame *frame, int w, int h, uint8_t *yuvClusters)
769 {
770     int i, j, k, l;
771
772     for (i=0; i<h; i+=4)
773         for (j=0; j<w; j+=4) {
774             for (k=0; k < 2; k++)
775                 for (l=0; l < 2; l++)
776                     frame_block_to_cell(yuvClusters + (l + 2*k)*6, frame->data,
777                                         i+2*k, j+2*l, frame->linesize);
778             yuvClusters += 24;
779         }
780 }
781
782 static void generate_codebook(RoqContext *enc, roq_tempdata_t *tempdata,
783                               int *points, int inputCount, roq_cell *results,
784                               int size, int cbsize)
785 {
786     int i, j, k;
787     int c_size = size*size/4;
788     int *buf = points;
789     int *codebook = av_malloc(6*c_size*cbsize*sizeof(int));
790     int *closest_cb;
791
792     if (size == 4)
793         closest_cb = av_malloc(6*c_size*inputCount*sizeof(int));
794     else
795         closest_cb = tempdata->closest_cb2;
796
797     ff_init_elbg(points, 6*c_size, inputCount, codebook, cbsize, 1, closest_cb, &enc->randctx);
798     ff_do_elbg(points, 6*c_size, inputCount, codebook, cbsize, 1, closest_cb, &enc->randctx);
799
800     if (size == 4)
801         av_free(closest_cb);
802
803     buf = codebook;
804     for (i=0; i<cbsize; i++)
805         for (k=0; k<c_size; k++) {
806             for(j=0; j<4; j++)
807                 results->y[j] = *buf++;
808
809             results->u =    (*buf++ + CHROMA_BIAS/2)/CHROMA_BIAS;
810             results->v =    (*buf++ + CHROMA_BIAS/2)/CHROMA_BIAS;
811             results++;
812         }
813
814     av_free(codebook);
815 }
816
817 static void generate_new_codebooks(RoqContext *enc, roq_tempdata_t *tempData)
818 {
819     int i,j;
820     roq_codebooks_t *codebooks = &tempData->codebooks;
821     int max = enc->width*enc->height/16;
822     uint8_t mb2[3*4];
823     roq_cell *results4 = av_malloc(sizeof(roq_cell)*MAX_CBS_4x4*4);
824     uint8_t *yuvClusters=av_malloc(sizeof(int)*max*6*4);
825     int *points = av_malloc(max*6*4*sizeof(int));
826     int bias;
827
828     /* Subsample YUV data */
829     create_clusters(enc->frame_to_enc, enc->width, enc->height, yuvClusters);
830
831     /* Cast to integer and apply chroma bias */
832     for (i=0; i<max*24; i++) {
833         bias = ((i%6)<4) ? 1 : CHROMA_BIAS;
834         points[i] = bias*yuvClusters[i];
835     }
836
837     /* Create 4x4 codebooks */
838     generate_codebook(enc, tempData, points, max, results4, 4, MAX_CBS_4x4);
839
840     codebooks->numCB4 = MAX_CBS_4x4;
841
842     tempData->closest_cb2 = av_malloc(max*4*sizeof(int));
843
844     /* Create 2x2 codebooks */
845     generate_codebook(enc, tempData, points, max*4, enc->cb2x2, 2, MAX_CBS_2x2);
846
847     codebooks->numCB2 = MAX_CBS_2x2;
848
849     /* Unpack 2x2 codebook clusters */
850     for (i=0; i<codebooks->numCB2; i++)
851         unpack_roq_cell(enc->cb2x2 + i, codebooks->unpacked_cb2 + i*2*2*3);
852
853     /* Index all 4x4 entries to the 2x2 entries, unpack, and enlarge */
854     for (i=0; i<codebooks->numCB4; i++) {
855         for (j=0; j<4; j++) {
856             unpack_roq_cell(&results4[4*i + j], mb2);
857             index_mb(mb2, codebooks->unpacked_cb2, codebooks->numCB2,
858                      &enc->cb4x4[i].idx[j], 2);
859         }
860         unpack_roq_qcell(codebooks->unpacked_cb2, enc->cb4x4 + i,
861                          codebooks->unpacked_cb4 + i*4*4*3);
862         enlarge_roq_mb4(codebooks->unpacked_cb4 + i*4*4*3,
863                         codebooks->unpacked_cb4_enlarged + i*8*8*3);
864     }
865
866     av_free(yuvClusters);
867     av_free(points);
868     av_free(results4);
869 }
870
871 static void roq_encode_video(RoqContext *enc)
872 {
873     roq_tempdata_t tempData;
874     int i;
875
876     memset(&tempData, 0, sizeof(tempData));
877
878     create_cel_evals(enc, &tempData);
879
880     generate_new_codebooks(enc, &tempData);
881
882     if (enc->framesSinceKeyframe >= 1) {
883         motion_search(enc, 8);
884         motion_search(enc, 4);
885     }
886
887  retry_encode:
888     for (i=0; i<enc->width*enc->height/64; i++)
889         gather_data_for_cel(tempData.cel_evals + i, enc, &tempData);
890
891     /* Quake 3 can't handle chunks bigger than 65536 bytes */
892     if (tempData.mainChunkSize/8 > 65536) {
893         enc->lambda *= .8;
894         goto retry_encode;
895     }
896
897     remap_codebooks(enc, &tempData);
898
899     write_codebooks(enc, &tempData);
900
901     reconstruct_and_encode_image(enc, &tempData, enc->width, enc->height,
902                                  enc->width*enc->height/64);
903
904     /* Rotate frame history */
905     FFSWAP(AVFrame *, enc->current_frame, enc->last_frame);
906     FFSWAP(motion_vect *, enc->last_motion4, enc->this_motion4);
907     FFSWAP(motion_vect *, enc->last_motion8, enc->this_motion8);
908
909     av_free(tempData.cel_evals);
910     av_free(tempData.closest_cb2);
911
912     enc->framesSinceKeyframe++;
913 }
914
915 static int roq_encode_init(AVCodecContext *avctx)
916 {
917     RoqContext *enc = avctx->priv_data;
918
919     av_init_random(1, &enc->randctx);
920
921     enc->framesSinceKeyframe = 0;
922     if ((avctx->width & 0xf) || (avctx->height & 0xf)) {
923         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Dimensions must be divisible by 16\n");
924         return -1;
925     }
926
927     if (((avctx->width)&(avctx->width-1))||((avctx->height)&(avctx->height-1)))
928         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Warning: dimensions not power of two\n");
929
930     if (avcodec_check_dimensions(avctx, avctx->width, avctx->height)) {
931         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Invalid dimensions (%dx%d)\n",
932                avctx->width, avctx->height);
933         return -1;
934     }
935
936     enc->width = avctx->width;
937     enc->height = avctx->height;
938
939     enc->framesSinceKeyframe = 0;
940     enc->first_frame = 1;
941
942     enc->last_frame    = &enc->frames[0];
943     enc->current_frame = &enc->frames[1];
944
945     enc->this_motion4 =
946         av_mallocz((enc->width*enc->height/16)*sizeof(motion_vect));
947
948     enc->last_motion4 =
949         av_malloc ((enc->width*enc->height/16)*sizeof(motion_vect));
950
951     enc->this_motion8 =
952         av_mallocz((enc->width*enc->height/64)*sizeof(motion_vect));
953
954     enc->last_motion8 =
955         av_malloc ((enc->width*enc->height/64)*sizeof(motion_vect));
956
957     return 0;
958 }
959
960 static void roq_write_video_info_chunk(RoqContext *enc)
961 {
962     /* ROQ info chunk */
963     bytestream_put_le16(&enc->out_buf, RoQ_INFO);
964
965     /* Size: 8 bytes */
966     bytestream_put_le32(&enc->out_buf, 8);
967
968     /* Unused argument */
969     bytestream_put_byte(&enc->out_buf, 0x00);
970     bytestream_put_byte(&enc->out_buf, 0x00);
971
972     /* Width */
973     bytestream_put_le16(&enc->out_buf, enc->width);
974
975     /* Height */
976     bytestream_put_le16(&enc->out_buf, enc->height);
977
978     /* Unused in Quake 3, mimics the output of the real encoder */
979     bytestream_put_byte(&enc->out_buf, 0x08);
980     bytestream_put_byte(&enc->out_buf, 0x00);
981     bytestream_put_byte(&enc->out_buf, 0x04);
982     bytestream_put_byte(&enc->out_buf, 0x00);
983 }
984
985 static int roq_encode_frame(AVCodecContext *avctx, unsigned char *buf, int buf_size, void *data)
986 {
987     RoqContext *enc = avctx->priv_data;
988     AVFrame *frame= data;
989     uint8_t *buf_start = buf;
990
991     enc->out_buf = buf;
992     enc->y_stride = frame->linesize[0];
993     enc->c_stride = frame->linesize[1];
994     enc->avctx = avctx;
995
996     enc->frame_to_enc = frame;
997
998     if (frame->quality)
999         enc->lambda = frame->quality - 1;
1000     else
1001         enc->lambda = 2*ROQ_LAMBDA_SCALE;
1002
1003     /* 138 bits max per 8x8 block +
1004      *     256 codebooks*(6 bytes 2x2 + 4 bytes 4x4) + 8 bytes frame header */
1005     if (((enc->width*enc->height/64)*138+7)/8 + 256*(6+4) + 8 > buf_size) {
1006         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "  RoQ: Output buffer too small!\n");
1007         return -1;
1008     }
1009
1010     /* Check for I frame */
1011     if (enc->framesSinceKeyframe == avctx->gop_size)
1012         enc->framesSinceKeyframe = 0;
1013
1014     if (enc->first_frame) {
1015         /* Alloc memory for the reconstruction data (we must know the stride
1016          for that) */
1017         if (avctx->get_buffer(avctx, enc->current_frame) ||
1018             avctx->get_buffer(avctx, enc->last_frame)) {
1019             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "  RoQ: get_buffer() failed\n");
1020             return -1;
1021         }
1022
1023         /* Before the first video frame, write a "video info" chunk */
1024         roq_write_video_info_chunk(enc);
1025
1026         enc->first_frame = 0;
1027     }
1028
1029     /* Encode the actual frame */
1030     roq_encode_video(enc);
1031
1032     return enc->out_buf - buf_start;
1033 }
1034
1035 static int roq_encode_end(AVCodecContext *avctx)
1036 {
1037     RoqContext *enc = avctx->priv_data;
1038
1039     avctx->release_buffer(avctx, enc->last_frame);
1040     avctx->release_buffer(avctx, enc->current_frame);
1041
1042     av_free(enc->this_motion4);
1043     av_free(enc->last_motion4);
1044     av_free(enc->this_motion8);
1045     av_free(enc->last_motion8);
1046
1047     return 0;
1048 }
1049
1050 AVCodec roq_encoder =
1051 {
1052     "roqvideo",
1053     CODEC_TYPE_VIDEO,
1054     CODEC_ID_ROQ,
1055     sizeof(RoqContext),
1056     roq_encode_init,
1057     roq_encode_frame,
1058     roq_encode_end,
1059     .supported_framerates = (AVRational[]){{30,1}, {0,0}},
1060     .pix_fmts = (enum PixelFormat[]){PIX_FMT_YUV444P, -1},
1061 };