lavfi/atempo: fix tempo range limit inconsistency
[ffmpeg.git] / libavfilter / vf_bm3d.c
1 /*
2  * Copyright (c) 2015-2016 mawen1250
3  * Copyright (c) 2018 Paul B Mahol
4  *
5  * This file is part of FFmpeg.
6  *
7  * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy
8  * of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal
9  * in the Software without restriction, including without limitation the rights
10  * to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell
11  * copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is
12  * furnished to do so, subject to the following conditions:
13  *
14  * The above copyright notice and this permission notice shall be included in all
15  * copies or substantial portions of the Software.
16  *
17  * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR
18  * IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,
19  * FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE
20  * AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER
21  * LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM,
22  * OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE
23  * SOFTWARE.
24  */
25
26 /**
27  * @todo
28  * - non-power of 2 DCT
29  * - opponent color space
30  * - temporal support
31  */
32
33 #include <float.h>
34
35 #include "libavutil/avassert.h"
36 #include "libavutil/imgutils.h"
37 #include "libavutil/opt.h"
38 #include "libavutil/pixdesc.h"
39 #include "libavcodec/avfft.h"
40 #include "avfilter.h"
41 #include "filters.h"
42 #include "formats.h"
43 #include "framesync.h"
44 #include "internal.h"
45 #include "video.h"
46
47 #define MAX_NB_THREADS 32
48
49 enum FilterModes {
50     BASIC,
51     FINAL,
52     NB_MODES,
53 };
54
55 typedef struct ThreadData {
56     const uint8_t *src;
57     int src_linesize;
58     const uint8_t *ref;
59     int ref_linesize;
60     int plane;
61 } ThreadData;
62
63 typedef struct PosCode {
64     int x, y;
65 } PosCode;
66
67 typedef struct PosPairCode {
68     double score;
69     int x, y;
70 } PosPairCode;
71
72 typedef struct SliceContext {
73     DCTContext *gdctf, *gdcti;
74     DCTContext *dctf, *dcti;
75     FFTSample *bufferh;
76     FFTSample *bufferv;
77     FFTSample *bufferz;
78     FFTSample *buffer;
79     FFTSample *rbufferh;
80     FFTSample *rbufferv;
81     FFTSample *rbufferz;
82     FFTSample *rbuffer;
83     float *num, *den;
84     PosPairCode match_blocks[256];
85     int nb_match_blocks;
86     PosCode *search_positions;
87 } SliceContext;
88
89 typedef struct BM3DContext {
90     const AVClass *class;
91
92     float sigma;
93     int block_size;
94     int block_step;
95     int group_size;
96     int bm_range;
97     int bm_step;
98     float th_mse;
99     float hard_threshold;
100     int mode;
101     int ref;
102     int planes;
103
104     int depth;
105     int max;
106     int nb_planes;
107     int planewidth[4];
108     int planeheight[4];
109     int group_bits;
110     int pgroup_size;
111
112     SliceContext slices[MAX_NB_THREADS];
113
114     FFFrameSync fs;
115     int nb_threads;
116
117     void (*get_block_row)(const uint8_t *srcp, int src_linesize,
118                           int y, int x, int block_size, float *dst);
119     double (*do_block_ssd)(struct BM3DContext *s, PosCode *pos,
120                            const uint8_t *src, int src_stride,
121                            int r_y, int r_x);
122     void (*do_output)(struct BM3DContext *s, uint8_t *dst, int dst_linesize,
123                       int plane, int nb_jobs);
124     void (*block_filtering)(struct BM3DContext *s,
125                             const uint8_t *src, int src_linesize,
126                             const uint8_t *ref, int ref_linesize,
127                             int y, int x, int plane, int jobnr);
128 } BM3DContext;
129
130 #define OFFSET(x) offsetof(BM3DContext, x)
131 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
132 static const AVOption bm3d_options[] = {
133     { "sigma",  "set denoising strength",
134         OFFSET(sigma),          AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1},     0,      99999.9, FLAGS },
135     { "block",  "set log2(size) of local patch",
136         OFFSET(block_size),     AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=4},     4,            6, FLAGS },
137     { "bstep",  "set sliding step for processing blocks",
138         OFFSET(block_step),     AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=4},     1,           64, FLAGS },
139     { "group",  "set maximal number of similar blocks",
140         OFFSET(group_size),     AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=1},     1,          256, FLAGS },
141     { "range",  "set block matching range",
142         OFFSET(bm_range),       AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=9},     1,    INT32_MAX, FLAGS },
143     { "mstep",  "set step for block matching",
144         OFFSET(bm_step),        AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=1},     1,           64, FLAGS },
145     { "thmse",  "set threshold of mean square error for block matching",
146         OFFSET(th_mse),         AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=0},     0,    INT32_MAX, FLAGS },
147     { "hdthr",  "set hard threshold for 3D transfer domain",
148         OFFSET(hard_threshold), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=2.7},   0,    INT32_MAX, FLAGS },
149     { "estim",  "set filtering estimation mode",
150         OFFSET(mode),           AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=BASIC}, 0,   NB_MODES-1, FLAGS, "mode" },
151     { "basic",  "basic estimate",
152         0,                      AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=BASIC}, 0,            0, FLAGS, "mode" },
153     { "final",  "final estimate",
154         0,                      AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FINAL}, 0,            0, FLAGS, "mode" },
155     { "ref",    "have reference stream",
156         OFFSET(ref),            AV_OPT_TYPE_INT,    {.i64=0},    0,            1, FLAGS },
157     { "planes", "set planes to filter",
158         OFFSET(planes),         AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=7},     0,           15, FLAGS },
159     { NULL }
160 };
161
162 AVFILTER_DEFINE_CLASS(bm3d);
163
164 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
165 {
166     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {
167         AV_PIX_FMT_GRAY8,
168         AV_PIX_FMT_GRAY9,   AV_PIX_FMT_GRAY10,
169         AV_PIX_FMT_GRAY12,  AV_PIX_FMT_GRAY16,
170         AV_PIX_FMT_YUV410P, AV_PIX_FMT_YUV411P,
171         AV_PIX_FMT_YUV420P, AV_PIX_FMT_YUV422P,
172         AV_PIX_FMT_YUV440P, AV_PIX_FMT_YUV444P,
173         AV_PIX_FMT_YUVJ420P, AV_PIX_FMT_YUVJ422P,
174         AV_PIX_FMT_YUVJ440P, AV_PIX_FMT_YUVJ444P,
175         AV_PIX_FMT_YUVJ411P,
176         AV_PIX_FMT_YUV420P9, AV_PIX_FMT_YUV422P9, AV_PIX_FMT_YUV444P9,
177         AV_PIX_FMT_YUV420P10, AV_PIX_FMT_YUV422P10, AV_PIX_FMT_YUV444P10,
178         AV_PIX_FMT_YUV440P10,
179         AV_PIX_FMT_YUV444P12, AV_PIX_FMT_YUV422P12, AV_PIX_FMT_YUV420P12,
180         AV_PIX_FMT_YUV440P12,
181         AV_PIX_FMT_YUV444P14, AV_PIX_FMT_YUV422P14, AV_PIX_FMT_YUV420P14,
182         AV_PIX_FMT_YUV420P16, AV_PIX_FMT_YUV422P16, AV_PIX_FMT_YUV444P16,
183         AV_PIX_FMT_GBRP, AV_PIX_FMT_GBRP9, AV_PIX_FMT_GBRP10,
184         AV_PIX_FMT_GBRP12, AV_PIX_FMT_GBRP14, AV_PIX_FMT_GBRP16,
185         AV_PIX_FMT_NONE
186     };
187
188     AVFilterFormats *fmts_list = ff_make_format_list(pix_fmts);
189     if (!fmts_list)
190         return AVERROR(ENOMEM);
191     return ff_set_common_formats(ctx, fmts_list);
192 }
193
194 static int do_search_boundary(int pos, int plane_boundary, int search_range, int search_step)
195 {
196     int search_boundary;
197
198     search_range = search_range / search_step * search_step;
199
200     if (pos == plane_boundary) {
201         search_boundary = plane_boundary;
202     } else if (pos > plane_boundary) {
203         search_boundary = pos - search_range;
204
205         while (search_boundary < plane_boundary) {
206             search_boundary += search_step;
207         }
208     } else {
209         search_boundary = pos + search_range;
210
211         while (search_boundary > plane_boundary) {
212             search_boundary -= search_step;
213         }
214     }
215
216     return search_boundary;
217 }
218
219 static int search_boundary(int plane_boundary, int search_range, int search_step, int vertical, int y, int x)
220 {
221     return do_search_boundary(vertical ? y : x, plane_boundary, search_range, search_step);
222 }
223
224 static int cmp_scores(const void *a, const void *b)
225 {
226     const struct PosPairCode *pair1 = a;
227     const struct PosPairCode *pair2 = b;
228     return FFDIFFSIGN(pair1->score, pair2->score);
229 }
230
231 static double do_block_ssd(BM3DContext *s, PosCode *pos, const uint8_t *src, int src_stride, int r_y, int r_x)
232 {
233     const uint8_t *srcp = src + pos->y * src_stride + pos->x;
234     const uint8_t *refp = src + r_y * src_stride + r_x;
235     const int block_size = s->block_size;
236     double dist = 0.;
237     int x, y;
238
239     for (y = 0; y < block_size; y++) {
240         for (x = 0; x < block_size; x++) {
241             double temp = refp[x] - srcp[x];
242             dist += temp * temp;
243         }
244
245         srcp += src_stride;
246         refp += src_stride;
247     }
248
249     return dist;
250 }
251
252 static double do_block_ssd16(BM3DContext *s, PosCode *pos, const uint8_t *src, int src_stride, int r_y, int r_x)
253 {
254     const uint16_t *srcp = (uint16_t *)src + pos->y * src_stride / 2 + pos->x;
255     const uint16_t *refp = (uint16_t *)src + r_y * src_stride / 2 + r_x;
256     const int block_size = s->block_size;
257     double dist = 0.;
258     int x, y;
259
260     for (y = 0; y < block_size; y++) {
261         for (x = 0; x < block_size; x++) {
262             double temp = refp[x] - srcp[x];
263             dist += temp * temp;
264         }
265
266         srcp += src_stride / 2;
267         refp += src_stride / 2;
268     }
269
270     return dist;
271 }
272
273 static void do_block_matching_multi(BM3DContext *s, const uint8_t *src, int src_stride, int src_range,
274                                     const PosCode *search_pos, int search_size, float th_mse,
275                                     int r_y, int r_x, int plane, int jobnr)
276 {
277     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
278     double MSE2SSE = s->group_size * s->block_size * s->block_size * src_range * src_range / (s->max * s->max);
279     double distMul = 1. / MSE2SSE;
280     double th_sse = th_mse * MSE2SSE;
281     int i, index = sc->nb_match_blocks;
282
283     for (i = 0; i < search_size; i++) {
284         PosCode pos = search_pos[i];
285         double dist;
286
287         dist = s->do_block_ssd(s, &pos, src, src_stride, r_y, r_x);
288
289         // Only match similar blocks but not identical blocks
290         if (dist <= th_sse && dist != 0) {
291             const double score = dist * distMul;
292
293             if (index >= s->group_size && score >= sc->match_blocks[index - 1].score) {
294                 continue;
295             }
296
297             if (index >= s->group_size)
298                 index = s->group_size - 1;
299
300             sc->match_blocks[index].score = score;
301             sc->match_blocks[index].y = pos.y;
302             sc->match_blocks[index].x = pos.x;
303             index++;
304             qsort(sc->match_blocks, index, sizeof(PosPairCode), cmp_scores);
305         }
306     }
307
308     sc->nb_match_blocks = index;
309 }
310
311 static void block_matching_multi(BM3DContext *s, const uint8_t *ref, int ref_linesize, int y, int x,
312                                  int exclude_cur_pos, int plane, int jobnr)
313 {
314     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
315     const int width = s->planewidth[plane];
316     const int height = s->planeheight[plane];
317     const int block_size = s->block_size;
318     const int step = s->bm_step;
319     const int range = s->bm_range / step * step;
320     int l = search_boundary(0, range, step, 0, y, x);
321     int r = search_boundary(width - block_size, range, step, 0, y, x);
322     int t = search_boundary(0, range, step, 1, y, x);
323     int b = search_boundary(height - block_size, range, step, 1, y, x);
324     int j, i, index = 0;
325
326     for (j = t; j <= b; j += step) {
327         for (i = l; i <= r; i += step) {
328             PosCode pos;
329
330             if (exclude_cur_pos > 0 && j == y && i == x) {
331                 continue;
332             }
333
334             pos.y = j;
335             pos.x = i;
336             sc->search_positions[index++] = pos;
337         }
338     }
339
340     if (exclude_cur_pos == 1) {
341         sc->match_blocks[0].score = 0;
342         sc->match_blocks[0].y = y;
343         sc->match_blocks[0].x = x;
344         sc->nb_match_blocks = 1;
345     }
346
347     do_block_matching_multi(s, ref, ref_linesize, s->bm_range,
348                             sc->search_positions, index, s->th_mse, y, x, plane, jobnr);
349 }
350
351 static void block_matching(BM3DContext *s, const uint8_t *ref, int ref_linesize,
352                            int j, int i, int plane, int jobnr)
353 {
354     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
355
356     if (s->group_size == 1 || s->th_mse <= 0.f) {
357         sc->match_blocks[0].score = 1;
358         sc->match_blocks[0].x = i;
359         sc->match_blocks[0].y = j;
360         sc->nb_match_blocks = 1;
361         return;
362     }
363
364     sc->nb_match_blocks = 0;
365     block_matching_multi(s, ref, ref_linesize, j, i, 1, plane, jobnr);
366 }
367
368 static void get_block_row(const uint8_t *srcp, int src_linesize,
369                           int y, int x, int block_size, float *dst)
370 {
371     const uint8_t *src = srcp + y * src_linesize + x;
372     int j;
373
374     for (j = 0; j < block_size; j++) {
375         dst[j] = src[j];
376     }
377 }
378
379 static void get_block_row16(const uint8_t *srcp, int src_linesize,
380                             int y, int x, int block_size, float *dst)
381 {
382     const uint16_t *src = (uint16_t *)srcp + y * src_linesize / 2 + x;
383     int j;
384
385     for (j = 0; j < block_size; j++) {
386         dst[j] = src[j];
387     }
388 }
389
390 static void basic_block_filtering(BM3DContext *s, const uint8_t *src, int src_linesize,
391                                   const uint8_t *ref, int ref_linesize,
392                                   int y, int x, int plane, int jobnr)
393 {
394     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
395     const int buffer_linesize = s->block_size * s->block_size;
396     const int nb_match_blocks = sc->nb_match_blocks;
397     const int block_size = s->block_size;
398     const int width = s->planewidth[plane];
399     const int pgroup_size = s->pgroup_size;
400     const int group_size = s->group_size;
401     float *buffer = sc->buffer;
402     float *bufferh = sc->bufferh;
403     float *bufferv = sc->bufferv;
404     float *bufferz = sc->bufferz;
405     float threshold[4];
406     float den_weight, num_weight;
407     int retained = 0;
408     int i, j, k;
409
410     for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
411         const int y = sc->match_blocks[k].y;
412         const int x = sc->match_blocks[k].x;
413
414         for (i = 0; i < block_size; i++) {
415             s->get_block_row(src, src_linesize, y + i, x, block_size, bufferh + block_size * i);
416             av_dct_calc(sc->dctf, bufferh + block_size * i);
417         }
418
419         for (i = 0; i < block_size; i++) {
420             for (j = 0; j < block_size; j++) {
421                 bufferv[i * block_size + j] = bufferh[j * block_size + i];
422             }
423             av_dct_calc(sc->dctf, bufferv + i * block_size);
424         }
425
426         for (i = 0; i < block_size; i++) {
427             memcpy(buffer + k * buffer_linesize + i * block_size,
428                    bufferv + i * block_size, block_size * 4);
429         }
430     }
431
432     for (i = 0; i < block_size; i++) {
433         for (j = 0; j < block_size; j++) {
434             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++)
435                 bufferz[k] = buffer[buffer_linesize * k + i * block_size + j];
436             if (group_size > 1)
437                 av_dct_calc(sc->gdctf, bufferz);
438             bufferz += pgroup_size;
439         }
440     }
441
442     threshold[0] = s->hard_threshold * s->sigma;
443     threshold[1] = threshold[0] * sqrtf(2.f);
444     threshold[2] = threshold[0] * 2.f;
445     threshold[3] = threshold[0] * sqrtf(8.f);
446     bufferz = sc->bufferz;
447
448     for (i = 0; i < block_size; i++) {
449         for (j = 0; j < block_size; j++) {
450             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
451                 const float thresh = threshold[(j == 0) + (i == 0) + (k == 0)];
452
453                 if (bufferz[k] > thresh || bufferz[k] < -thresh) {
454                     retained++;
455                 } else {
456                     bufferz[k] = 0;
457                 }
458             }
459             bufferz += pgroup_size;
460         }
461     }
462
463     bufferz = sc->bufferz;
464     buffer = sc->buffer;
465     for (i = 0; i < block_size; i++) {
466         for (j = 0; j < block_size; j++) {
467             if (group_size > 1)
468                 av_dct_calc(sc->gdcti, bufferz);
469             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
470                 buffer[buffer_linesize * k + i * block_size + j] = bufferz[k];
471             }
472             bufferz += pgroup_size;
473         }
474     }
475
476     den_weight = retained < 1 ? 1.f : 1.f / retained;
477     num_weight = den_weight;
478
479     buffer = sc->buffer;
480     for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
481         float *num = sc->num + y * width + x;
482         float *den = sc->den + y * width + x;
483
484         for (i = 0; i < block_size; i++) {
485             memcpy(bufferv + i * block_size,
486                    buffer + k * buffer_linesize + i * block_size,
487                    block_size * 4);
488         }
489
490         for (i = 0; i < block_size; i++) {
491             av_dct_calc(sc->dcti, bufferv + block_size * i);
492             for (j = 0; j < block_size; j++) {
493                 bufferh[j * block_size + i] = bufferv[i * block_size + j];
494             }
495         }
496
497         for (i = 0; i < block_size; i++) {
498             av_dct_calc(sc->dcti, bufferh + block_size * i);
499             for (j = 0; j < block_size; j++) {
500                 num[j] += bufferh[i * block_size + j] * num_weight;
501                 den[j] += den_weight;
502             }
503             num += width;
504             den += width;
505         }
506     }
507 }
508
509 static void final_block_filtering(BM3DContext *s, const uint8_t *src, int src_linesize,
510                                   const uint8_t *ref, int ref_linesize,
511                                   int y, int x, int plane, int jobnr)
512 {
513     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
514     const int buffer_linesize = s->block_size * s->block_size;
515     const int nb_match_blocks = sc->nb_match_blocks;
516     const int block_size = s->block_size;
517     const int width = s->planewidth[plane];
518     const int pgroup_size = s->pgroup_size;
519     const int group_size = s->group_size;
520     const float sigma_sqr = s->sigma * s->sigma;
521     float *buffer = sc->buffer;
522     float *bufferh = sc->bufferh;
523     float *bufferv = sc->bufferv;
524     float *bufferz = sc->bufferz;
525     float *rbuffer = sc->rbuffer;
526     float *rbufferh = sc->rbufferh;
527     float *rbufferv = sc->rbufferv;
528     float *rbufferz = sc->rbufferz;
529     float den_weight, num_weight;
530     float l2_wiener = 0;
531     int i, j, k;
532
533     for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
534         const int y = sc->match_blocks[k].y;
535         const int x = sc->match_blocks[k].x;
536
537         for (i = 0; i < block_size; i++) {
538             s->get_block_row(src, src_linesize, y + i, x, block_size, bufferh + block_size * i);
539             s->get_block_row(ref, ref_linesize, y + i, x, block_size, rbufferh + block_size * i);
540             av_dct_calc(sc->dctf, bufferh + block_size * i);
541             av_dct_calc(sc->dctf, rbufferh + block_size * i);
542         }
543
544         for (i = 0; i < block_size; i++) {
545             for (j = 0; j < block_size; j++) {
546                 bufferv[i * block_size + j] = bufferh[j * block_size + i];
547                 rbufferv[i * block_size + j] = rbufferh[j * block_size + i];
548             }
549             av_dct_calc(sc->dctf, bufferv + i * block_size);
550             av_dct_calc(sc->dctf, rbufferv + i * block_size);
551         }
552
553         for (i = 0; i < block_size; i++) {
554             memcpy(buffer + k * buffer_linesize + i * block_size,
555                    bufferv + i * block_size, block_size * 4);
556             memcpy(rbuffer + k * buffer_linesize + i * block_size,
557                    rbufferv + i * block_size, block_size * 4);
558         }
559     }
560
561     for (i = 0; i < block_size; i++) {
562         for (j = 0; j < block_size; j++) {
563             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
564                 bufferz[k] = buffer[buffer_linesize * k + i * block_size + j];
565                 rbufferz[k] = rbuffer[buffer_linesize * k + i * block_size + j];
566             }
567             if (group_size > 1) {
568                 av_dct_calc(sc->gdctf, bufferz);
569                 av_dct_calc(sc->gdctf, rbufferz);
570             }
571             bufferz += pgroup_size;
572             rbufferz += pgroup_size;
573         }
574     }
575
576     bufferz = sc->bufferz;
577     rbufferz = sc->rbufferz;
578
579     for (i = 0; i < block_size; i++) {
580         for (j = 0; j < block_size; j++) {
581             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
582                 const float ref_sqr = rbufferz[k] * rbufferz[k];
583                 float wiener_coef = ref_sqr / (ref_sqr + sigma_sqr);
584
585                 if (isnan(wiener_coef))
586                    wiener_coef = 1;
587                 bufferz[k] *= wiener_coef;
588                 l2_wiener += wiener_coef * wiener_coef;
589             }
590             bufferz += pgroup_size;
591             rbufferz += pgroup_size;
592         }
593     }
594
595     bufferz = sc->bufferz;
596     buffer = sc->buffer;
597     for (i = 0; i < block_size; i++) {
598         for (j = 0; j < block_size; j++) {
599             if (group_size > 1)
600                 av_dct_calc(sc->gdcti, bufferz);
601             for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
602                 buffer[buffer_linesize * k + i * block_size + j] = bufferz[k];
603             }
604             bufferz += pgroup_size;
605         }
606     }
607
608     l2_wiener = FFMAX(l2_wiener, 1e-15f);
609     den_weight = 1.f / l2_wiener;
610     num_weight = den_weight;
611
612     for (k = 0; k < nb_match_blocks; k++) {
613         float *num = sc->num + y * width + x;
614         float *den = sc->den + y * width + x;
615
616         for (i = 0; i < block_size; i++) {
617             memcpy(bufferv + i * block_size,
618                    buffer + k * buffer_linesize + i * block_size,
619                    block_size * 4);
620         }
621
622         for (i = 0; i < block_size; i++) {
623             av_dct_calc(sc->dcti, bufferv + block_size * i);
624             for (j = 0; j < block_size; j++) {
625                 bufferh[j * block_size + i] = bufferv[i * block_size + j];
626             }
627         }
628
629         for (i = 0; i < block_size; i++) {
630             av_dct_calc(sc->dcti, bufferh + block_size * i);
631             for (j = 0; j < block_size; j++) {
632                 num[j] += bufferh[i * block_size + j] * num_weight;
633                 den[j] += den_weight;
634             }
635             num += width;
636             den += width;
637         }
638     }
639 }
640
641 static void do_output(BM3DContext *s, uint8_t *dst, int dst_linesize,
642                       int plane, int nb_jobs)
643 {
644     const int height = s->planeheight[plane];
645     const int width = s->planewidth[plane];
646     int i, j, k;
647
648     for (i = 0; i < height; i++) {
649         for (j = 0; j < width; j++) {
650             uint8_t *dstp = dst + i * dst_linesize;
651             float sum_den = 0.f;
652             float sum_num = 0.f;
653
654             for (k = 0; k < nb_jobs; k++) {
655                 SliceContext *sc = &s->slices[k];
656                 float num = sc->num[i * width + j];
657                 float den = sc->den[i * width + j];
658
659                 sum_num += num;
660                 sum_den += den;
661             }
662
663             dstp[j] = av_clip_uint8(sum_num / sum_den);
664         }
665     }
666 }
667
668 static void do_output16(BM3DContext *s, uint8_t *dst, int dst_linesize,
669                         int plane, int nb_jobs)
670 {
671     const int height = s->planeheight[plane];
672     const int width = s->planewidth[plane];
673     const int depth = s->depth;
674     int i, j, k;
675
676     for (i = 0; i < height; i++) {
677         for (j = 0; j < width; j++) {
678             uint16_t *dstp = (uint16_t *)dst + i * dst_linesize / 2;
679             float sum_den = 0.f;
680             float sum_num = 0.f;
681
682             for (k = 0; k < nb_jobs; k++) {
683                 SliceContext *sc = &s->slices[k];
684                 float num = sc->num[i * width + j];
685                 float den = sc->den[i * width + j];
686
687                 sum_num += num;
688                 sum_den += den;
689             }
690
691             dstp[j] = av_clip_uintp2_c(sum_num / sum_den, depth);
692         }
693     }
694 }
695
696 static int filter_slice(AVFilterContext *ctx, void *arg, int jobnr, int nb_jobs)
697 {
698     BM3DContext *s = ctx->priv;
699     SliceContext *sc = &s->slices[jobnr];
700     const int block_step = s->block_step;
701     ThreadData *td = arg;
702     const uint8_t *src = td->src;
703     const uint8_t *ref = td->ref;
704     const int src_linesize = td->src_linesize;
705     const int ref_linesize = td->ref_linesize;
706     const int plane = td->plane;
707     const int width = s->planewidth[plane];
708     const int height = s->planeheight[plane];
709     const int block_pos_bottom = height - s->block_size;
710     const int block_pos_right  = width - s->block_size;
711     const int slice_start = (((height + block_step - 1) / block_step) * jobnr / nb_jobs) * block_step;
712     const int slice_end = (jobnr == nb_jobs - 1) ? block_pos_bottom + block_step :
713                           (((height + block_step - 1) / block_step) * (jobnr + 1) / nb_jobs) * block_step;
714     int i, j;
715
716     memset(sc->num, 0, width * height * sizeof(FFTSample));
717     memset(sc->den, 0, width * height * sizeof(FFTSample));
718
719     for (j = slice_start; j < slice_end; j += block_step) {
720         if (j > block_pos_bottom) {
721             j = block_pos_bottom;
722         }
723
724         for (i = 0; i < block_pos_right + block_step; i += block_step) {
725             if (i > block_pos_right) {
726                 i = block_pos_right;
727             }
728
729             block_matching(s, ref, ref_linesize, j, i, plane, jobnr);
730
731             s->block_filtering(s, src, src_linesize,
732                                ref, ref_linesize, j, i, plane, jobnr);
733         }
734     }
735
736     return 0;
737 }
738
739 static int filter_frame(AVFilterContext *ctx, AVFrame **out, AVFrame *in, AVFrame *ref)
740 {
741     BM3DContext *s = ctx->priv;
742     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
743     int p;
744
745     *out = ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
746     if (!*out)
747         return AVERROR(ENOMEM);
748     av_frame_copy_props(*out, in);
749
750     for (p = 0; p < s->nb_planes; p++) {
751         const int nb_jobs = FFMIN(s->nb_threads, s->planeheight[p] / s->block_step);
752         ThreadData td;
753
754         if (!((1 << p) & s->planes) || ctx->is_disabled) {
755             av_image_copy_plane((*out)->data[p], (*out)->linesize[p],
756                                 in->data[p], in->linesize[p],
757                                 s->planewidth[p], s->planeheight[p]);
758             continue;
759         }
760
761         td.src = in->data[p];
762         td.src_linesize = in->linesize[p];
763         td.ref = ref->data[p];
764         td.ref_linesize = ref->linesize[p];
765         td.plane = p;
766         ctx->internal->execute(ctx, filter_slice, &td, NULL, nb_jobs);
767
768         s->do_output(s, (*out)->data[p], (*out)->linesize[p], p, nb_jobs);
769     }
770
771     return 0;
772 }
773
774 #define SQR(x) ((x) * (x))
775
776 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
777 {
778     const AVPixFmtDescriptor *desc = av_pix_fmt_desc_get(inlink->format);
779     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
780     BM3DContext *s = ctx->priv;
781     int i, group_bits;
782
783     s->nb_threads = FFMIN(ff_filter_get_nb_threads(ctx), MAX_NB_THREADS);
784     s->nb_planes = av_pix_fmt_count_planes(inlink->format);
785     s->depth = desc->comp[0].depth;
786     s->max = (1 << s->depth) - 1;
787     s->planeheight[1] = s->planeheight[2] = AV_CEIL_RSHIFT(inlink->h, desc->log2_chroma_h);
788     s->planeheight[0] = s->planeheight[3] = inlink->h;
789     s->planewidth[1]  = s->planewidth[2]  = AV_CEIL_RSHIFT(inlink->w, desc->log2_chroma_w);
790     s->planewidth[0]  = s->planewidth[3]  = inlink->w;
791
792     for (group_bits = 4; 1 << group_bits < s->group_size; group_bits++);
793     s->group_bits = group_bits;
794     s->pgroup_size = 1 << group_bits;
795
796     for (i = 0; i < s->nb_threads; i++) {
797         SliceContext *sc = &s->slices[i];
798
799         sc->num = av_calloc(s->planewidth[0] * s->planeheight[0], sizeof(FFTSample));
800         sc->den = av_calloc(s->planewidth[0] * s->planeheight[0], sizeof(FFTSample));
801         if (!sc->num || !sc->den)
802             return AVERROR(ENOMEM);
803
804         sc->dctf = av_dct_init(av_log2(s->block_size), DCT_II);
805         sc->dcti = av_dct_init(av_log2(s->block_size), DCT_III);
806         if (!sc->dctf || !sc->dcti)
807             return AVERROR(ENOMEM);
808
809         if (s->group_bits > 1) {
810             sc->gdctf = av_dct_init(s->group_bits, DCT_II);
811             sc->gdcti = av_dct_init(s->group_bits, DCT_III);
812             if (!sc->gdctf || !sc->gdcti)
813                 return AVERROR(ENOMEM);
814         }
815
816         sc->buffer = av_calloc(s->block_size * s->block_size * s->pgroup_size, sizeof(*sc->buffer));
817         sc->bufferz = av_calloc(s->block_size * s->block_size * s->pgroup_size, sizeof(*sc->bufferz));
818         sc->bufferh = av_calloc(s->block_size * s->block_size, sizeof(*sc->bufferh));
819         sc->bufferv = av_calloc(s->block_size * s->block_size, sizeof(*sc->bufferv));
820         if (!sc->bufferh || !sc->bufferv || !sc->buffer || !sc->bufferz)
821             return AVERROR(ENOMEM);
822
823         if (s->mode == FINAL) {
824             sc->rbuffer = av_calloc(s->block_size * s->block_size * s->pgroup_size, sizeof(*sc->rbuffer));
825             sc->rbufferz = av_calloc(s->block_size * s->block_size * s->pgroup_size, sizeof(*sc->rbufferz));
826             sc->rbufferh = av_calloc(s->block_size * s->block_size, sizeof(*sc->rbufferh));
827             sc->rbufferv = av_calloc(s->block_size * s->block_size, sizeof(*sc->rbufferv));
828             if (!sc->rbufferh || !sc->rbufferv || !sc->rbuffer || !sc->rbufferz)
829                 return AVERROR(ENOMEM);
830         }
831
832         sc->search_positions = av_calloc(SQR(2 * s->bm_range / s->bm_step + 1), sizeof(*sc->search_positions));
833         if (!sc->search_positions)
834             return AVERROR(ENOMEM);
835     }
836
837     s->do_output = do_output;
838     s->do_block_ssd = do_block_ssd;
839     s->get_block_row = get_block_row;
840
841     if (s->depth > 8) {
842         s->do_output = do_output16;
843         s->do_block_ssd = do_block_ssd16;
844         s->get_block_row = get_block_row16;
845     }
846
847     return 0;
848 }
849
850 static int activate(AVFilterContext *ctx)
851 {
852     BM3DContext *s = ctx->priv;
853
854     if (!s->ref) {
855         AVFrame *frame = NULL;
856         AVFrame *out = NULL;
857         int ret, status;
858         int64_t pts;
859
860         if ((ret = ff_inlink_consume_frame(ctx->inputs[0], &frame)) > 0) {
861             ret = filter_frame(ctx, &out, frame, frame);
862             av_frame_free(&frame);
863             if (ret < 0)
864                 return ret;
865             ret = ff_filter_frame(ctx->outputs[0], out);
866         }
867         if (ret < 0) {
868             return ret;
869         } else if (ff_inlink_acknowledge_status(ctx->inputs[0], &status, &pts)) {
870             ff_outlink_set_status(ctx->outputs[0], status, pts);
871             return 0;
872         } else {
873             if (ff_outlink_frame_wanted(ctx->outputs[0]))
874                 ff_inlink_request_frame(ctx->inputs[0]);
875             return 0;
876         }
877     } else {
878         return ff_framesync_activate(&s->fs);
879     }
880 }
881
882 static int process_frame(FFFrameSync *fs)
883 {
884     AVFilterContext *ctx = fs->parent;
885     BM3DContext *s = fs->opaque;
886     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
887     AVFrame *out = NULL, *src, *ref;
888     int ret;
889
890     if ((ret = ff_framesync_get_frame(&s->fs, 0, &src, 0)) < 0 ||
891         (ret = ff_framesync_get_frame(&s->fs, 1, &ref, 0)) < 0)
892         return ret;
893
894     if ((ret = filter_frame(ctx, &out, src, ref)) < 0)
895         return ret;
896
897     out->pts = av_rescale_q(src->pts, s->fs.time_base, outlink->time_base);
898
899     return ff_filter_frame(outlink, out);
900 }
901
902 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx)
903 {
904     BM3DContext *s = ctx->priv;
905     AVFilterPad pad = { 0 };
906     int ret;
907
908     if (s->mode == BASIC) {
909         if (s->th_mse == 0.f)
910             s->th_mse = 400.f + s->sigma * 80.f;
911         s->block_filtering = basic_block_filtering;
912     } else if (s->mode == FINAL) {
913         if (!s->ref) {
914             av_log(ctx, AV_LOG_WARNING, "Reference stream is mandatory in final estimation mode.\n");
915             s->ref = 1;
916         }
917         if (s->th_mse == 0.f)
918             s->th_mse = 200.f + s->sigma * 10.f;
919
920         s->block_filtering = final_block_filtering;
921     } else {
922         return AVERROR_BUG;
923     }
924
925     s->block_size = 1 << s->block_size;
926
927     if (s->block_step > s->block_size) {
928         av_log(ctx, AV_LOG_WARNING, "bstep: %d can't be bigger than block size. Changing to %d.\n",
929                s->block_step, s->block_size);
930         s->block_step = s->block_size;
931     }
932     if (s->bm_step > s->bm_range) {
933         av_log(ctx, AV_LOG_WARNING, "mstep: %d can't be bigger than block matching range. Changing to %d.\n",
934                s->bm_step, s->bm_range);
935         s->bm_step = s->bm_range;
936     }
937
938     pad.type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO;
939     pad.name         = av_strdup("source");
940     pad.config_props = config_input;
941     if (!pad.name)
942         return AVERROR(ENOMEM);
943
944     if ((ret = ff_insert_inpad(ctx, 0, &pad)) < 0) {
945         av_freep(&pad.name);
946         return ret;
947     }
948
949     if (s->ref) {
950         pad.type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO;
951         pad.name         = av_strdup("reference");
952         pad.config_props = NULL;
953         if (!pad.name)
954             return AVERROR(ENOMEM);
955
956         if ((ret = ff_insert_inpad(ctx, 1, &pad)) < 0) {
957             av_freep(&pad.name);
958             return ret;
959         }
960     }
961
962     return 0;
963 }
964
965 static int config_output(AVFilterLink *outlink)
966 {
967     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
968     BM3DContext *s = ctx->priv;
969     AVFilterLink *src = ctx->inputs[0];
970     AVFilterLink *ref;
971     FFFrameSyncIn *in;
972     int ret;
973
974     if (s->ref) {
975         ref = ctx->inputs[1];
976
977         if (src->format != ref->format) {
978             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "inputs must be of same pixel format\n");
979             return AVERROR(EINVAL);
980         }
981         if (src->w                       != ref->w ||
982             src->h                       != ref->h) {
983             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "First input link %s parameters "
984                    "(size %dx%d) do not match the corresponding "
985                    "second input link %s parameters (%dx%d) ",
986                    ctx->input_pads[0].name, src->w, src->h,
987                    ctx->input_pads[1].name, ref->w, ref->h);
988             return AVERROR(EINVAL);
989         }
990     }
991
992     outlink->w = src->w;
993     outlink->h = src->h;
994     outlink->time_base = src->time_base;
995     outlink->sample_aspect_ratio = src->sample_aspect_ratio;
996     outlink->frame_rate = src->frame_rate;
997
998     if (!s->ref)
999         return 0;
1000
1001     if ((ret = ff_framesync_init(&s->fs, ctx, 2)) < 0)
1002         return ret;
1003
1004     in = s->fs.in;
1005     in[0].time_base = src->time_base;
1006     in[1].time_base = ref->time_base;
1007     in[0].sync   = 1;
1008     in[0].before = EXT_STOP;
1009     in[0].after  = EXT_STOP;
1010     in[1].sync   = 1;
1011     in[1].before = EXT_STOP;
1012     in[1].after  = EXT_STOP;
1013     s->fs.opaque   = s;
1014     s->fs.on_event = process_frame;
1015
1016     return ff_framesync_configure(&s->fs);
1017 }
1018
1019 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
1020 {
1021     BM3DContext *s = ctx->priv;
1022     int i;
1023
1024     for (i = 0; i < ctx->nb_inputs; i++)
1025         av_freep(&ctx->input_pads[i].name);
1026
1027     if (s->ref)
1028         ff_framesync_uninit(&s->fs);
1029
1030     for (i = 0; i < s->nb_threads; i++) {
1031         SliceContext *sc = &s->slices[i];
1032
1033         av_freep(&sc->num);
1034         av_freep(&sc->den);
1035
1036         av_dct_end(sc->gdctf);
1037         av_dct_end(sc->gdcti);
1038         av_dct_end(sc->dctf);
1039         av_dct_end(sc->dcti);
1040
1041         av_freep(&sc->buffer);
1042         av_freep(&sc->bufferh);
1043         av_freep(&sc->bufferv);
1044         av_freep(&sc->bufferz);
1045         av_freep(&sc->rbuffer);
1046         av_freep(&sc->rbufferh);
1047         av_freep(&sc->rbufferv);
1048         av_freep(&sc->rbufferz);
1049
1050         av_freep(&sc->search_positions);
1051     }
1052 }
1053
1054 static const AVFilterPad bm3d_outputs[] = {
1055     {
1056         .name         = "default",
1057         .type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
1058         .config_props = config_output,
1059     },
1060     { NULL }
1061 };
1062
1063 AVFilter ff_vf_bm3d = {
1064     .name          = "bm3d",
1065     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Block-Matching 3D denoiser."),
1066     .priv_size     = sizeof(BM3DContext),
1067     .init          = init,
1068     .uninit        = uninit,
1069     .activate      = activate,
1070     .query_formats = query_formats,
1071     .inputs        = NULL,
1072     .outputs       = bm3d_outputs,
1073     .priv_class    = &bm3d_class,
1074     .flags         = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_INTERNAL |
1075                      AVFILTER_FLAG_DYNAMIC_INPUTS |
1076                      AVFILTER_FLAG_SLICE_THREADS,
1077 };