avfilter/vf_thumbnail_cuda: Avoid mixing declaration and statements
[ffmpeg.git] / libavfilter / vf_vaguedenoiser.c
1 /*
2  * Copyright (c) 2003 LeFunGus, lefungus@altern.org
3  *
4  * This file is part of FFmpeg
5  *
6  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or modify
7  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
8  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
9  * (at your option) any later version.
10  *
11  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
14  * GNU General Public License for more details.
15  *
16  * You should have received a copy of the GNU General Public License along
17  * with FFmpeg; if not, write to the Free Software Foundation, Inc.,
18  * 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA.
19  */
20
21 #include <float.h>
22
23 #include "libavutil/imgutils.h"
24 #include "libavutil/attributes.h"
25 #include "libavutil/common.h"
26 #include "libavutil/pixdesc.h"
27 #include "libavutil/intreadwrite.h"
28 #include "libavutil/opt.h"
29
30 #include "avfilter.h"
31 #include "formats.h"
32 #include "internal.h"
33 #include "video.h"
34
35 typedef struct VagueDenoiserContext {
36     const AVClass *class;
37
38     float threshold;
39     float percent;
40     int method;
41     int nsteps;
42     int planes;
43
44     int depth;
45     int peak;
46     int nb_planes;
47     int planeheight[4];
48     int planewidth[4];
49
50     float *block;
51     float *in;
52     float *out;
53     float *tmp;
54
55     int hlowsize[4][32];
56     int hhighsize[4][32];
57     int vlowsize[4][32];
58     int vhighsize[4][32];
59
60     void (*thresholding)(float *block, const int width, const int height,
61                          const int stride, const float threshold,
62                          const float percent, const int nsteps);
63 } VagueDenoiserContext;
64
65 #define OFFSET(x) offsetof(VagueDenoiserContext, x)
66 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM | AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM
67 static const AVOption vaguedenoiser_options[] = {
68     { "threshold", "set filtering strength",   OFFSET(threshold), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=2.},  0,DBL_MAX, FLAGS },
69     { "method",    "set filtering method",     OFFSET(method),    AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=2 },  0, 2,      FLAGS, "method" },
70         { "hard",   "hard thresholding",       0,                 AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=0},   0, 0,      FLAGS, "method" },
71         { "soft",   "soft thresholding",       0,                 AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=1},   0, 0,      FLAGS, "method" },
72         { "garrote", "garotte thresholding",   0,                 AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=2},   0, 0,      FLAGS, "method" },
73     { "nsteps",    "set number of steps",      OFFSET(nsteps),    AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=6 },  1, 32,     FLAGS },
74     { "percent", "set percent of full denoising", OFFSET(percent),AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=85},  0,100,     FLAGS },
75     { "planes",    "set planes to filter",     OFFSET(planes),    AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=15 }, 0, 15,     FLAGS },
76     { NULL }
77 };
78
79 AVFILTER_DEFINE_CLASS(vaguedenoiser);
80
81 #define NPAD 10
82
83 static const float analysis_low[9] = {
84     0.037828455506995f, -0.023849465019380f, -0.110624404418423f, 0.377402855612654f,
85     0.852698679009403f, 0.377402855612654f, -0.110624404418423f, -0.023849465019380f, 0.037828455506995f
86 };
87
88 static const float analysis_high[7] = {
89     -0.064538882628938f, 0.040689417609558f, 0.418092273222212f, -0.788485616405664f,
90     0.418092273222212f, 0.040689417609558f, -0.064538882628938f
91 };
92
93 static const float synthesis_low[7] = {
94     -0.064538882628938f, -0.040689417609558f, 0.418092273222212f, 0.788485616405664f,
95     0.418092273222212f, -0.040689417609558f, -0.064538882628938f
96 };
97
98 static const float synthesis_high[9] = {
99     -0.037828455506995f, -0.023849465019380f, 0.110624404418423f, 0.377402855612654f,
100     -0.852698679009403f, 0.377402855612654f, 0.110624404418423f, -0.023849465019380f, -0.037828455506995f
101 };
102
103 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
104 {
105     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {
106         AV_PIX_FMT_GRAY8,
107         AV_PIX_FMT_GRAY16,
108         AV_PIX_FMT_YUV410P, AV_PIX_FMT_YUV411P,
109         AV_PIX_FMT_YUV420P, AV_PIX_FMT_YUV422P,
110         AV_PIX_FMT_YUV440P, AV_PIX_FMT_YUV444P,
111         AV_PIX_FMT_YUVJ420P, AV_PIX_FMT_YUVJ422P,
112         AV_PIX_FMT_YUVJ440P, AV_PIX_FMT_YUVJ444P,
113         AV_PIX_FMT_YUVJ411P,
114         AV_PIX_FMT_YUV420P9, AV_PIX_FMT_YUV422P9, AV_PIX_FMT_YUV444P9,
115         AV_PIX_FMT_YUV420P10, AV_PIX_FMT_YUV422P10, AV_PIX_FMT_YUV444P10,
116         AV_PIX_FMT_YUV440P10,
117         AV_PIX_FMT_YUV444P12, AV_PIX_FMT_YUV422P12, AV_PIX_FMT_YUV420P12,
118         AV_PIX_FMT_YUV440P12,
119         AV_PIX_FMT_YUV444P14, AV_PIX_FMT_YUV422P14, AV_PIX_FMT_YUV420P14,
120         AV_PIX_FMT_YUV420P16, AV_PIX_FMT_YUV422P16, AV_PIX_FMT_YUV444P16,
121         AV_PIX_FMT_GBRP, AV_PIX_FMT_GBRP9, AV_PIX_FMT_GBRP10,
122         AV_PIX_FMT_GBRP12, AV_PIX_FMT_GBRP14, AV_PIX_FMT_GBRP16,
123         AV_PIX_FMT_NONE
124     };
125     AVFilterFormats *fmts_list = ff_make_format_list(pix_fmts);
126     if (!fmts_list)
127         return AVERROR(ENOMEM);
128     return ff_set_common_formats(ctx, fmts_list);
129 }
130
131 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
132 {
133     VagueDenoiserContext *s = inlink->dst->priv;
134     const AVPixFmtDescriptor *desc = av_pix_fmt_desc_get(inlink->format);
135     int p, i, nsteps_width, nsteps_height, nsteps_max;
136
137     s->depth = desc->comp[0].depth;
138     s->nb_planes = desc->nb_components;
139
140     s->planeheight[1] = s->planeheight[2] = AV_CEIL_RSHIFT(inlink->h, desc->log2_chroma_h);
141     s->planeheight[0] = s->planeheight[3] = inlink->h;
142     s->planewidth[1]  = s->planewidth[2]  = AV_CEIL_RSHIFT(inlink->w, desc->log2_chroma_w);
143     s->planewidth[0]  = s->planewidth[3]  = inlink->w;
144
145     s->block = av_malloc_array(inlink->w * inlink->h, sizeof(*s->block));
146     s->in    = av_malloc_array(32 + FFMAX(inlink->w, inlink->h), sizeof(*s->in));
147     s->out   = av_malloc_array(32 + FFMAX(inlink->w, inlink->h), sizeof(*s->out));
148     s->tmp   = av_malloc_array(32 + FFMAX(inlink->w, inlink->h), sizeof(*s->tmp));
149
150     if (!s->block || !s->in || !s->out || !s->tmp)
151         return AVERROR(ENOMEM);
152
153     s->threshold *= 1 << (s->depth - 8);
154     s->peak = (1 << s->depth) - 1;
155
156     nsteps_width  = ((s->planes & 2 || s->planes & 4) && s->nb_planes > 1) ? s->planewidth[1] : s->planewidth[0];
157     nsteps_height = ((s->planes & 2 || s->planes & 4) && s->nb_planes > 1) ? s->planeheight[1] : s->planeheight[0];
158
159     for (nsteps_max = 1; nsteps_max < 15; nsteps_max++) {
160         if (pow(2, nsteps_max) >= nsteps_width || pow(2, nsteps_max) >= nsteps_height)
161             break;
162     }
163
164     s->nsteps = FFMIN(s->nsteps, nsteps_max - 2);
165
166     for (p = 0; p < 4; p++) {
167         s->hlowsize[p][0]  = (s->planewidth[p] + 1) >> 1;
168         s->hhighsize[p][0] =  s->planewidth[p] >> 1;
169         s->vlowsize[p][0]  = (s->planeheight[p] + 1) >> 1;
170         s->vhighsize[p][0] =  s->planeheight[p] >> 1;
171
172         for (i = 1; i < s->nsteps; i++) {
173             s->hlowsize[p][i]  = (s->hlowsize[p][i - 1] + 1) >> 1;
174             s->hhighsize[p][i] =  s->hlowsize[p][i - 1] >> 1;
175             s->vlowsize[p][i]  = (s->vlowsize[p][i - 1] + 1) >> 1;
176             s->vhighsize[p][i] =  s->vlowsize[p][i - 1] >> 1;
177         }
178     }
179
180     return 0;
181 }
182
183 static inline void copy(const float *p1, float *p2, const int length)
184 {
185     memcpy(p2, p1, length * sizeof(float));
186 }
187
188 static inline void copyv(const float *p1, const int stride1, float *p2, const int length)
189 {
190     int i;
191
192     for (i = 0; i < length; i++) {
193         p2[i] = *p1;
194         p1 += stride1;
195     }
196 }
197
198 static inline void copyh(const float *p1, float *p2, const int stride2, const int length)
199 {
200     int i;
201
202     for (i = 0; i < length; i++) {
203         *p2 = p1[i];
204         p2 += stride2;
205     }
206 }
207
208 // Do symmetric extension of data using prescribed symmetries
209 // Original values are in output[npad] through output[npad+size-1]
210 // New values will be placed in output[0] through output[npad] and in output[npad+size] through output[2*npad+size-1] (note: end values may not be filled in)
211 // extension at left bdry is ... 3 2 1 0 | 0 1 2 3 ...
212 // same for right boundary
213 // if right_ext=1 then ... 3 2 1 0 | 1 2 3
214 static void symmetric_extension(float *output, const int size, const int left_ext, const int right_ext)
215 {
216     int first = NPAD;
217     int last = NPAD - 1 + size;
218     const int originalLast = last;
219     int i, nextend, idx;
220
221     if (left_ext == 2)
222         output[--first] = output[NPAD];
223     if (right_ext == 2)
224         output[++last] = output[originalLast];
225
226     // extend left end
227     nextend = first;
228     for (i = 0; i < nextend; i++)
229         output[--first] = output[NPAD + 1 + i];
230
231     idx = NPAD + NPAD - 1 + size;
232
233     // extend right end
234     nextend = idx - last;
235     for (i = 0; i < nextend; i++)
236         output[++last] = output[originalLast - 1 - i];
237 }
238
239 static void transform_step(float *input, float *output, const int size, const int low_size, VagueDenoiserContext *s)
240 {
241     int i;
242
243     symmetric_extension(input, size, 1, 1);
244
245     for (i = NPAD; i < NPAD + low_size; i++) {
246         const float a = input[2 * i - 14] * analysis_low[0];
247         const float b = input[2 * i - 13] * analysis_low[1];
248         const float c = input[2 * i - 12] * analysis_low[2];
249         const float d = input[2 * i - 11] * analysis_low[3];
250         const float e = input[2 * i - 10] * analysis_low[4];
251         const float f = input[2 * i -  9] * analysis_low[3];
252         const float g = input[2 * i -  8] * analysis_low[2];
253         const float h = input[2 * i -  7] * analysis_low[1];
254         const float k = input[2 * i -  6] * analysis_low[0];
255
256         output[i] = a + b + c + d + e + f + g + h + k;
257     }
258
259     for (i = NPAD; i < NPAD + low_size; i++) {
260         const float a = input[2 * i - 12] * analysis_high[0];
261         const float b = input[2 * i - 11] * analysis_high[1];
262         const float c = input[2 * i - 10] * analysis_high[2];
263         const float d = input[2 * i -  9] * analysis_high[3];
264         const float e = input[2 * i -  8] * analysis_high[2];
265         const float f = input[2 * i -  7] * analysis_high[1];
266         const float g = input[2 * i -  6] * analysis_high[0];
267
268         output[i + low_size] = a + b + c + d + e + f + g;
269     }
270 }
271
272 static void invert_step(const float *input, float *output, float *temp, const int size, VagueDenoiserContext *s)
273 {
274     const int low_size = (size + 1) >> 1;
275     const int high_size = size >> 1;
276     int left_ext = 1, right_ext, i;
277     int findex;
278
279     memcpy(temp + NPAD, input + NPAD, low_size * sizeof(float));
280
281     right_ext = (size % 2 == 0) ? 2 : 1;
282     symmetric_extension(temp, low_size, left_ext, right_ext);
283
284     memset(output, 0, (NPAD + NPAD + size) * sizeof(float));
285     findex = (size + 2) >> 1;
286
287     for (i = 9; i < findex + 11; i++) {
288         const float a = temp[i] * synthesis_low[0];
289         const float b = temp[i] * synthesis_low[1];
290         const float c = temp[i] * synthesis_low[2];
291         const float d = temp[i] * synthesis_low[3];
292
293         output[2 * i - 13] += a;
294         output[2 * i - 12] += b;
295         output[2 * i - 11] += c;
296         output[2 * i - 10] += d;
297         output[2 * i -  9] += c;
298         output[2 * i -  8] += b;
299         output[2 * i -  7] += a;
300     }
301
302     memcpy(temp + NPAD, input + NPAD + low_size, high_size * sizeof(float));
303
304     left_ext = 2;
305     right_ext = (size % 2 == 0) ? 1 : 2;
306     symmetric_extension(temp, high_size, left_ext, right_ext);
307
308     for (i = 8; i < findex + 11; i++) {
309         const float a = temp[i] * synthesis_high[0];
310         const float b = temp[i] * synthesis_high[1];
311         const float c = temp[i] * synthesis_high[2];
312         const float d = temp[i] * synthesis_high[3];
313         const float e = temp[i] * synthesis_high[4];
314
315         output[2 * i - 13] += a;
316         output[2 * i - 12] += b;
317         output[2 * i - 11] += c;
318         output[2 * i - 10] += d;
319         output[2 * i -  9] += e;
320         output[2 * i -  8] += d;
321         output[2 * i -  7] += c;
322         output[2 * i -  6] += b;
323         output[2 * i -  5] += a;
324     }
325 }
326
327 static void hard_thresholding(float *block, const int width, const int height,
328                               const int stride, const float threshold,
329                               const float percent, const int unused)
330 {
331     const float frac = 1.f - percent * 0.01f;
332     int y, x;
333
334     for (y = 0; y < height; y++) {
335         for (x = 0; x < width; x++) {
336             if (FFABS(block[x]) <= threshold)
337                 block[x] *= frac;
338         }
339         block += stride;
340     }
341 }
342
343 static void soft_thresholding(float *block, const int width, const int height, const int stride,
344                               const float threshold, const float percent, const int nsteps)
345 {
346     const float frac = 1.f - percent * 0.01f;
347     const float shift = threshold * 0.01f * percent;
348     int w = width;
349     int h = height;
350     int y, x, l;
351
352     for (l = 0; l < nsteps; l++) {
353         w = (w + 1) >> 1;
354         h = (h + 1) >> 1;
355     }
356
357     for (y = 0; y < height; y++) {
358         const int x0 = (y < h) ? w : 0;
359         for (x = x0; x < width; x++) {
360             const float temp = FFABS(block[x]);
361             if (temp <= threshold)
362                 block[x] *= frac;
363             else
364                 block[x] = (block[x] < 0.f ? -1.f : (block[x] > 0.f ? 1.f : 0.f)) * (temp - shift);
365         }
366         block += stride;
367     }
368 }
369
370 static void qian_thresholding(float *block, const int width, const int height,
371                               const int stride, const float threshold,
372                               const float percent, const int unused)
373 {
374     const float percent01 = percent * 0.01f;
375     const float tr2 = threshold * threshold * percent01;
376     const float frac = 1.f - percent01;
377     int y, x;
378
379     for (y = 0; y < height; y++) {
380         for (x = 0; x < width; x++) {
381             const float temp = FFABS(block[x]);
382             if (temp <= threshold) {
383                 block[x] *= frac;
384             } else {
385                 const float tp2 = temp * temp;
386                 block[x] *= (tp2 - tr2) / tp2;
387             }
388         }
389         block += stride;
390     }
391 }
392
393 static void filter(VagueDenoiserContext *s, AVFrame *in, AVFrame *out)
394 {
395     int p, y, x, i, j;
396
397     for (p = 0; p < s->nb_planes; p++) {
398         const int height = s->planeheight[p];
399         const int width = s->planewidth[p];
400         const uint8_t *srcp8 = in->data[p];
401         const uint16_t *srcp16 = (const uint16_t *)in->data[p];
402         uint8_t *dstp8 = out->data[p];
403         uint16_t *dstp16 = (uint16_t *)out->data[p];
404         float *output = s->block;
405         int h_low_size0 = width;
406         int v_low_size0 = height;
407         int nsteps_transform = s->nsteps;
408         int nsteps_invert = s->nsteps;
409         const float *input = s->block;
410
411         if (!((1 << p) & s->planes)) {
412             av_image_copy_plane(out->data[p], out->linesize[p], in->data[p], in->linesize[p],
413                                 s->planewidth[p], s->planeheight[p]);
414             continue;
415         }
416
417         if (s->depth <= 8) {
418             for (y = 0; y < height; y++) {
419                 for (x = 0; x < width; x++)
420                     output[x] = srcp8[x];
421                 srcp8 += in->linesize[p];
422                 output += width;
423             }
424         } else {
425             for (y = 0; y < height; y++) {
426                 for (x = 0; x < width; x++)
427                     output[x] = srcp16[x];
428                 srcp16 += in->linesize[p] / 2;
429                 output += width;
430             }
431         }
432
433         while (nsteps_transform--) {
434             int low_size = (h_low_size0 + 1) >> 1;
435             float *input = s->block;
436             for (j = 0; j < v_low_size0; j++) {
437                 copy(input, s->in + NPAD, h_low_size0);
438                 transform_step(s->in, s->out, h_low_size0, low_size, s);
439                 copy(s->out + NPAD, input, h_low_size0);
440                 input += width;
441             }
442
443             low_size = (v_low_size0 + 1) >> 1;
444             input = s->block;
445             for (j = 0; j < h_low_size0; j++) {
446                 copyv(input, width, s->in + NPAD, v_low_size0);
447                 transform_step(s->in, s->out, v_low_size0, low_size, s);
448                 copyh(s->out + NPAD, input, width, v_low_size0);
449                 input++;
450             }
451
452             h_low_size0 = (h_low_size0 + 1) >> 1;
453             v_low_size0 = (v_low_size0 + 1) >> 1;
454         }
455
456         s->thresholding(s->block, width, height, width, s->threshold, s->percent, s->nsteps);
457
458         while (nsteps_invert--) {
459             const int idx = s->vlowsize[p][nsteps_invert]  + s->vhighsize[p][nsteps_invert];
460             const int idx2 = s->hlowsize[p][nsteps_invert] + s->hhighsize[p][nsteps_invert];
461             float * idx3 = s->block;
462             for (i = 0; i < idx2; i++) {
463                 copyv(idx3, width, s->in + NPAD, idx);
464                 invert_step(s->in, s->out, s->tmp, idx, s);
465                 copyh(s->out + NPAD, idx3, width, idx);
466                 idx3++;
467             }
468
469             idx3 = s->block;
470             for (i = 0; i < idx; i++) {
471                 copy(idx3, s->in + NPAD, idx2);
472                 invert_step(s->in, s->out, s->tmp, idx2, s);
473                 copy(s->out + NPAD, idx3, idx2);
474                 idx3 += width;
475             }
476         }
477
478         if (s->depth <= 8) {
479             for (y = 0; y < height; y++) {
480                 for (x = 0; x < width; x++)
481                     dstp8[x] = av_clip_uint8(input[x] + 0.5f);
482                 input += width;
483                 dstp8 += out->linesize[p];
484             }
485         } else {
486             for (y = 0; y < height; y++) {
487                 for (x = 0; x < width; x++)
488                     dstp16[x] = av_clip(input[x] + 0.5f, 0, s->peak);
489                 input += width;
490                 dstp16 += out->linesize[p] / 2;
491             }
492         }
493     }
494 }
495
496 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
497 {
498     AVFilterContext *ctx  = inlink->dst;
499     VagueDenoiserContext *s = ctx->priv;
500     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
501     AVFrame *out;
502     int direct = av_frame_is_writable(in);
503
504     if (direct) {
505         out = in;
506     } else {
507         out = ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
508         if (!out) {
509             av_frame_free(&in);
510             return AVERROR(ENOMEM);
511         }
512
513         av_frame_copy_props(out, in);
514     }
515
516     filter(s, in, out);
517
518     if (!direct)
519         av_frame_free(&in);
520
521     return ff_filter_frame(outlink, out);
522 }
523
524 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx)
525 {
526     VagueDenoiserContext *s = ctx->priv;
527
528     switch (s->method) {
529     case 0:
530         s->thresholding = hard_thresholding;
531         break;
532     case 1:
533         s->thresholding = soft_thresholding;
534         break;
535     case 2:
536         s->thresholding = qian_thresholding;
537         break;
538     }
539
540     return 0;
541 }
542
543 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
544 {
545     VagueDenoiserContext *s = ctx->priv;
546
547     av_freep(&s->block);
548     av_freep(&s->in);
549     av_freep(&s->out);
550     av_freep(&s->tmp);
551 }
552
553 static const AVFilterPad vaguedenoiser_inputs[] = {
554     {
555         .name         = "default",
556         .type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
557         .config_props = config_input,
558         .filter_frame = filter_frame,
559     },
560     { NULL }
561 };
562
563
564 static const AVFilterPad vaguedenoiser_outputs[] = {
565     {
566         .name = "default",
567         .type = AVMEDIA_TYPE_VIDEO
568     },
569     { NULL }
570 };
571
572 AVFilter ff_vf_vaguedenoiser = {
573     .name          = "vaguedenoiser",
574     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Apply a Wavelet based Denoiser."),
575     .priv_size     = sizeof(VagueDenoiserContext),
576     .priv_class    = &vaguedenoiser_class,
577     .init          = init,
578     .uninit        = uninit,
579     .query_formats = query_formats,
580     .inputs        = vaguedenoiser_inputs,
581     .outputs       = vaguedenoiser_outputs,
582     .flags         = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_GENERIC,
583 };