avfilter/vf_noise: move shift calculation to filter_frame()
[ffmpeg.git] / libavfilter / vf_noise.c
1 /*
2  * Copyright (c) 2002 Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
3  * Copyright (c) 2013 Paul B Mahol
4  *
5  * This file is part of FFmpeg.
6  *
7  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
8  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
9  * License as published by the Free Software Foundation; either
10  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
11  *
12  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
13  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
15  * Lesser General Public License for more details.
16  *
17  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
18  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
19  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
20  */
21
22 /**
23  * @file
24  * noise generator
25  */
26
27 #include "libavutil/opt.h"
28 #include "libavutil/imgutils.h"
29 #include "libavutil/lfg.h"
30 #include "libavutil/parseutils.h"
31 #include "libavutil/pixdesc.h"
32 #include "libavutil/x86/asm.h"
33 #include "avfilter.h"
34 #include "formats.h"
35 #include "internal.h"
36 #include "video.h"
37
38 #define MAX_NOISE 5120
39 #define MAX_SHIFT 1024
40 #define MAX_RES (MAX_NOISE-MAX_SHIFT)
41
42 #define NOISE_UNIFORM  1
43 #define NOISE_TEMPORAL 2
44 #define NOISE_AVERAGED 8
45 #define NOISE_PATTERN  16
46
47 typedef struct {
48     int strength;
49     unsigned flags;
50     AVLFG lfg;
51     int seed;
52     int8_t *noise;
53     int8_t *prev_shift[MAX_RES][3];
54 } FilterParams;
55
56 typedef struct {
57     const AVClass *class;
58     int nb_planes;
59     int bytewidth[4];
60     int height[4];
61     FilterParams all;
62     FilterParams param[4];
63     int rand_shift[MAX_RES];
64     int rand_shift_init;
65     void (*line_noise)(uint8_t *dst, const uint8_t *src, const int8_t *noise, int len, int shift);
66     void (*line_noise_avg)(uint8_t *dst, const uint8_t *src, int len, const int8_t * const *shift);
67 } NoiseContext;
68
69 typedef struct ThreadData {
70     AVFrame *in, *out;
71 } ThreadData;
72
73 #define OFFSET(x) offsetof(NoiseContext, x)
74 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
75
76 #define NOISE_PARAMS(name, x, param)                                                                                             \
77     {#name"_seed", "set component #"#x" noise seed", OFFSET(param.seed), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=-1}, -1, INT_MAX, FLAGS},        \
78     {#name"_strength", "set component #"#x" strength", OFFSET(param.strength), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=0}, 0, 100, FLAGS},        \
79     {#name"s",         "set component #"#x" strength", OFFSET(param.strength), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=0}, 0, 100, FLAGS},        \
80     {#name"_flags", "set component #"#x" flags", OFFSET(param.flags), AV_OPT_TYPE_FLAGS, {.i64=0}, 0, 31, FLAGS, #name"_flags"}, \
81     {#name"f", "set component #"#x" flags", OFFSET(param.flags), AV_OPT_TYPE_FLAGS, {.i64=0}, 0, 31, FLAGS, #name"_flags"},      \
82     {"a", "averaged noise", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=NOISE_AVERAGED}, 0, 0, FLAGS, #name"_flags"},                            \
83     {"p", "(semi)regular pattern", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=NOISE_PATTERN},  0, 0, FLAGS, #name"_flags"},                     \
84     {"t", "temporal noise", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=NOISE_TEMPORAL}, 0, 0, FLAGS, #name"_flags"},                            \
85     {"u", "uniform noise",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=NOISE_UNIFORM},  0, 0, FLAGS, #name"_flags"},
86
87 static const AVOption noise_options[] = {
88     NOISE_PARAMS(all, 0, all)
89     NOISE_PARAMS(c0,  0, param[0])
90     NOISE_PARAMS(c1,  1, param[1])
91     NOISE_PARAMS(c2,  2, param[2])
92     NOISE_PARAMS(c3,  3, param[3])
93     {NULL}
94 };
95
96 AVFILTER_DEFINE_CLASS(noise);
97
98 static const int8_t patt[4] = { -1, 0, 1, 0 };
99
100 #define RAND_N(range) ((int) ((double) range * av_lfg_get(lfg) / (UINT_MAX + 1.0)))
101 static av_cold int init_noise(NoiseContext *n, int comp)
102 {
103     int8_t *noise = av_malloc(MAX_NOISE * sizeof(int8_t));
104     FilterParams *fp = &n->param[comp];
105     AVLFG *lfg = &n->param[comp].lfg;
106     int strength = fp->strength;
107     int flags = fp->flags;
108     int i, j;
109
110     if (!noise)
111         return AVERROR(ENOMEM);
112
113     av_lfg_init(&fp->lfg, fp->seed);
114
115     for (i = 0, j = 0; i < MAX_NOISE; i++, j++) {
116         if (flags & NOISE_UNIFORM) {
117             if (flags & NOISE_AVERAGED) {
118                 if (flags & NOISE_PATTERN) {
119                     noise[i] = (RAND_N(strength) - strength / 2) / 6
120                         + patt[j % 4] * strength * 0.25 / 3;
121                 } else {
122                     noise[i] = (RAND_N(strength) - strength / 2) / 3;
123                 }
124             } else {
125                 if (flags & NOISE_PATTERN) {
126                     noise[i] = (RAND_N(strength) - strength / 2) / 2
127                         + patt[j % 4] * strength * 0.25;
128                 } else {
129                     noise[i] = RAND_N(strength) - strength / 2;
130                 }
131             }
132         } else {
133             double x1, x2, w, y1;
134             do {
135                 x1 = 2.0 * av_lfg_get(lfg) / (float)UINT_MAX - 1.0;
136                 x2 = 2.0 * av_lfg_get(lfg) / (float)UINT_MAX - 1.0;
137                 w = x1 * x1 + x2 * x2;
138             } while (w >= 1.0);
139
140             w   = sqrt((-2.0 * log(w)) / w);
141             y1  = x1 * w;
142             y1 *= strength / sqrt(3.0);
143             if (flags & NOISE_PATTERN) {
144                 y1 /= 2;
145                 y1 += patt[j % 4] * strength * 0.35;
146             }
147             y1 = av_clipf(y1, -128, 127);
148             if (flags & NOISE_AVERAGED)
149                 y1 /= 3.0;
150             noise[i] = (int)y1;
151         }
152         if (RAND_N(6) == 0)
153             j--;
154     }
155
156     for (i = 0; i < MAX_RES; i++)
157         for (j = 0; j < 3; j++)
158             fp->prev_shift[i][j] = noise + (av_lfg_get(lfg) & (MAX_SHIFT - 1));
159
160     fp->noise = noise;
161     return 0;
162 }
163
164 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
165 {
166     AVFilterFormats *formats = NULL;
167     int fmt;
168
169     for (fmt = 0; av_pix_fmt_desc_get(fmt); fmt++) {
170         const AVPixFmtDescriptor *desc = av_pix_fmt_desc_get(fmt);
171         if (desc->flags & AV_PIX_FMT_FLAG_PLANAR && !((desc->comp[0].depth_minus1 + 1) & 7))
172             ff_add_format(&formats, fmt);
173     }
174
175     ff_set_common_formats(ctx, formats);
176     return 0;
177 }
178
179 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
180 {
181     NoiseContext *n = inlink->dst->priv;
182     const AVPixFmtDescriptor *desc = av_pix_fmt_desc_get(inlink->format);
183     int ret;
184
185     n->nb_planes = av_pix_fmt_count_planes(inlink->format);
186
187     if ((ret = av_image_fill_linesizes(n->bytewidth, inlink->format, inlink->w)) < 0)
188         return ret;
189
190     n->height[1] = n->height[2] = FF_CEIL_RSHIFT(inlink->h, desc->log2_chroma_h);
191     n->height[0] = n->height[3] = inlink->h;
192
193     return 0;
194 }
195
196 static inline void line_noise_c(uint8_t *dst, const uint8_t *src, const int8_t *noise,
197                        int len, int shift)
198 {
199     int i;
200
201     noise += shift;
202     for (i = 0; i < len; i++) {
203         int v = src[i] + noise[i];
204
205         dst[i] = av_clip_uint8(v);
206     }
207 }
208
209 #define ASMALIGN(ZEROBITS) ".p2align " #ZEROBITS "\n\t"
210
211 static void line_noise_mmx(uint8_t *dst, const uint8_t *src,
212                            const int8_t *noise, int len, int shift)
213 {
214 #if HAVE_MMX_INLINE
215     x86_reg mmx_len= len&(~7);
216     noise+=shift;
217
218     __asm__ volatile(
219             "mov %3, %%"REG_a"               \n\t"
220             "pcmpeqb %%mm7, %%mm7            \n\t"
221             "psllw $15, %%mm7                \n\t"
222             "packsswb %%mm7, %%mm7           \n\t"
223             ASMALIGN(4)
224             "1:                              \n\t"
225             "movq (%0, %%"REG_a"), %%mm0     \n\t"
226             "movq (%1, %%"REG_a"), %%mm1     \n\t"
227             "pxor %%mm7, %%mm0               \n\t"
228             "paddsb %%mm1, %%mm0             \n\t"
229             "pxor %%mm7, %%mm0               \n\t"
230             "movq %%mm0, (%2, %%"REG_a")     \n\t"
231             "add $8, %%"REG_a"               \n\t"
232             " js 1b                          \n\t"
233             :: "r" (src+mmx_len), "r" (noise+mmx_len), "r" (dst+mmx_len), "g" (-mmx_len)
234             : "%"REG_a
235     );
236     if (mmx_len!=len)
237         line_noise_c(dst+mmx_len, src+mmx_len, noise+mmx_len, len-mmx_len, 0);
238 #endif
239 }
240
241 static void line_noise_mmxext(uint8_t *dst, const uint8_t *src,
242                               const int8_t *noise, int len, int shift)
243 {
244 #if HAVE_MMXEXT_INLINE
245     x86_reg mmx_len= len&(~7);
246     noise+=shift;
247
248     __asm__ volatile(
249             "mov %3, %%"REG_a"                \n\t"
250             "pcmpeqb %%mm7, %%mm7             \n\t"
251             "psllw $15, %%mm7                 \n\t"
252             "packsswb %%mm7, %%mm7            \n\t"
253             ASMALIGN(4)
254             "1:                               \n\t"
255             "movq (%0, %%"REG_a"), %%mm0      \n\t"
256             "movq (%1, %%"REG_a"), %%mm1      \n\t"
257             "pxor %%mm7, %%mm0                \n\t"
258             "paddsb %%mm1, %%mm0              \n\t"
259             "pxor %%mm7, %%mm0                \n\t"
260             "movntq %%mm0, (%2, %%"REG_a")    \n\t"
261             "add $8, %%"REG_a"                \n\t"
262             " js 1b                           \n\t"
263             :: "r" (src+mmx_len), "r" (noise+mmx_len), "r" (dst+mmx_len), "g" (-mmx_len)
264             : "%"REG_a
265             );
266     if (mmx_len != len)
267         line_noise_c(dst+mmx_len, src+mmx_len, noise+mmx_len, len-mmx_len, 0);
268 #endif
269 }
270
271 static inline void line_noise_avg_c(uint8_t *dst, const uint8_t *src,
272                            int len, const int8_t * const *shift)
273 {
274     int i;
275     const int8_t *src2 = (const int8_t*)src;
276
277     for (i = 0; i < len; i++) {
278         const int n = shift[0][i] + shift[1][i] + shift[2][i];
279         dst[i] = src2[i] + ((n * src2[i]) >> 7);
280     }
281 }
282
283 static inline void line_noise_avg_mmx(uint8_t *dst, const uint8_t *src,
284                                       int len, const int8_t * const *shift)
285 {
286 #if HAVE_MMX_INLINE && HAVE_6REGS
287     x86_reg mmx_len= len&(~7);
288
289     __asm__ volatile(
290             "mov %5, %%"REG_a"              \n\t"
291             ASMALIGN(4)
292             "1:                             \n\t"
293             "movq (%1, %%"REG_a"), %%mm1    \n\t"
294             "movq (%0, %%"REG_a"), %%mm0    \n\t"
295             "paddb (%2, %%"REG_a"), %%mm1   \n\t"
296             "paddb (%3, %%"REG_a"), %%mm1   \n\t"
297             "movq %%mm0, %%mm2              \n\t"
298             "movq %%mm1, %%mm3              \n\t"
299             "punpcklbw %%mm0, %%mm0         \n\t"
300             "punpckhbw %%mm2, %%mm2         \n\t"
301             "punpcklbw %%mm1, %%mm1         \n\t"
302             "punpckhbw %%mm3, %%mm3         \n\t"
303             "pmulhw %%mm0, %%mm1            \n\t"
304             "pmulhw %%mm2, %%mm3            \n\t"
305             "paddw %%mm1, %%mm1             \n\t"
306             "paddw %%mm3, %%mm3             \n\t"
307             "paddw %%mm0, %%mm1             \n\t"
308             "paddw %%mm2, %%mm3             \n\t"
309             "psrlw $8, %%mm1                \n\t"
310             "psrlw $8, %%mm3                \n\t"
311             "packuswb %%mm3, %%mm1          \n\t"
312             "movq %%mm1, (%4, %%"REG_a")    \n\t"
313             "add $8, %%"REG_a"              \n\t"
314             " js 1b                         \n\t"
315             :: "r" (src+mmx_len), "r" (shift[0]+mmx_len), "r" (shift[1]+mmx_len), "r" (shift[2]+mmx_len),
316                "r" (dst+mmx_len), "g" (-mmx_len)
317             : "%"REG_a
318         );
319
320     if (mmx_len != len){
321         const int8_t *shift2[3]={shift[0]+mmx_len, shift[1]+mmx_len, shift[2]+mmx_len};
322         line_noise_avg_c(dst+mmx_len, src+mmx_len, len-mmx_len, shift2);
323     }
324 #endif
325 }
326
327 static void noise(uint8_t *dst, const uint8_t *src,
328                   int dst_linesize, int src_linesize,
329                   int width, int start, int end, NoiseContext *n, int comp)
330 {
331     FilterParams *p = &n->param[comp];
332     int8_t *noise = p->noise;
333     const int flags = p->flags;
334     int y;
335
336     if (!noise) {
337         if (dst != src)
338             av_image_copy_plane(dst, dst_linesize, src, src_linesize, width, end - start);
339         return;
340     }
341
342     for (y = start; y < end; y++) {
343         const int ix = y & (MAX_RES - 1);
344         int x;
345         for (x=0; x < width; x+= MAX_RES) {
346             int w = FFMIN(width - x, MAX_RES);
347             int shift = n->rand_shift[ix];
348
349             if (flags & NOISE_AVERAGED) {
350                 n->line_noise_avg(dst + x, src + x, w, (const int8_t**)p->prev_shift[ix]);
351                 p->prev_shift[ix][shift & 3] = noise + shift;
352             } else {
353                 n->line_noise(dst + x, src + x, noise, w, shift);
354             }
355         }
356         dst += dst_linesize;
357         src += src_linesize;
358     }
359 }
360
361 static int filter_slice(AVFilterContext *ctx, void *arg, int jobnr, int nb_jobs)
362 {
363     NoiseContext *s = ctx->priv;
364     ThreadData *td = arg;
365     int plane;
366
367     for (plane = 0; plane < s->nb_planes; plane++) {
368         const int height = s->height[plane];
369         const int start  = (height *  jobnr   ) / nb_jobs;
370         const int end    = (height * (jobnr+1)) / nb_jobs;
371         noise(td->out->data[plane] + start * td->out->linesize[plane],
372               td->in->data[plane]  + start * td->in->linesize[plane],
373               td->out->linesize[plane], td->in->linesize[plane],
374               s->bytewidth[plane], start, end, s, plane);
375     }
376     return 0;
377 }
378
379 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *inpicref)
380 {
381     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
382     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
383     NoiseContext *n = ctx->priv;
384     ThreadData td;
385     AVFrame *out;
386     int comp, i;
387
388     if (av_frame_is_writable(inpicref)) {
389         out = inpicref;
390     } else {
391         out = ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
392         if (!out) {
393             av_frame_free(&inpicref);
394             return AVERROR(ENOMEM);
395         }
396         av_frame_copy_props(out, inpicref);
397     }
398
399     for (comp = 0; comp < 4; comp++) {
400         FilterParams *fp = &n->param[comp];
401
402         if ((!n->rand_shift_init || (fp->flags & NOISE_TEMPORAL)) && fp->strength) {
403
404             for (i = 0; i < MAX_RES; i++) {
405                 n->rand_shift[i] = av_lfg_get(&fp->lfg) & (MAX_SHIFT - 1);
406             }
407             n->rand_shift_init = 1;
408         }
409     }
410
411     td.in = inpicref; td.out = out;
412     ctx->internal->execute(ctx, filter_slice, &td, NULL, FFMIN(n->height[0], ctx->graph->nb_threads));
413     emms_c();
414
415     if (inpicref != out)
416         av_frame_free(&inpicref);
417     return ff_filter_frame(outlink, out);
418 }
419
420 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx)
421 {
422     NoiseContext *n = ctx->priv;
423     int ret, i;
424     int cpu_flags = av_get_cpu_flags();
425
426     for (i = 0; i < 4; i++) {
427         if (n->all.seed >= 0)
428             n->param[i].seed = n->all.seed;
429         else
430             n->param[i].seed = 123457;
431         if (n->all.strength)
432             n->param[i].strength = n->all.strength;
433         if (n->all.flags)
434             n->param[i].flags = n->all.flags;
435     }
436
437     for (i = 0; i < 4; i++) {
438         if (n->param[i].strength && ((ret = init_noise(n, i)) < 0))
439             return ret;
440     }
441
442     n->line_noise     = line_noise_c;
443     n->line_noise_avg = line_noise_avg_c;
444
445     if (HAVE_MMX_INLINE &&
446         cpu_flags & AV_CPU_FLAG_MMX) {
447         n->line_noise = line_noise_mmx;
448 #if HAVE_6REGS
449         n->line_noise_avg = line_noise_avg_mmx;
450 #endif
451     }
452     if (HAVE_MMXEXT_INLINE &&
453         cpu_flags & AV_CPU_FLAG_MMXEXT)
454         n->line_noise = line_noise_mmxext;
455
456     return 0;
457 }
458
459 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
460 {
461     NoiseContext *n = ctx->priv;
462     int i;
463
464     for (i = 0; i < 4; i++)
465         av_freep(&n->param[i].noise);
466 }
467
468 static const AVFilterPad noise_inputs[] = {
469     {
470         .name         = "default",
471         .type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
472         .filter_frame = filter_frame,
473         .config_props = config_input,
474     },
475     { NULL }
476 };
477
478 static const AVFilterPad noise_outputs[] = {
479     {
480         .name = "default",
481         .type = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
482     },
483     { NULL }
484 };
485
486 AVFilter ff_vf_noise = {
487     .name          = "noise",
488     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Add noise."),
489     .priv_size     = sizeof(NoiseContext),
490     .init          = init,
491     .uninit        = uninit,
492     .query_formats = query_formats,
493     .inputs        = noise_inputs,
494     .outputs       = noise_outputs,
495     .priv_class    = &noise_class,
496     .flags         = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_GENERIC | AVFILTER_FLAG_SLICE_THREADS,
497 };