0b5deaf2702147c9c6c31d1d6ddad79ea0e6d02a
[ffmpeg.git] / libavfilter / vsrc_mandelbrot.c
1 /*
2  * Copyright (c) 2011 Michael Niedermayer
3  *
4  * This file is part of FFmpeg.
5  *
6  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
7  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
8  * License as published by the Free Software Foundation; either
9  * version 2.1 of the License, or (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 GNU
14  * Lesser General Public License for more details.
15  *
16  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
17  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
18  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
19  *
20  * The vsrc_color filter from Stefano Sabatini was used as template to create
21  * this
22  */
23
24 /**
25  * @file
26  * Mandelbrot fraktal renderer
27  */
28
29 #include "avfilter.h"
30 #include "formats.h"
31 #include "video.h"
32 #include "internal.h"
33 #include "libavutil/imgutils.h"
34 #include "libavutil/opt.h"
35 #include "libavutil/parseutils.h"
36 #include <float.h>
37 #include <math.h>
38
39 #define SQR(a) ((a)*(a))
40
41 enum Outer{
42     ITERATION_COUNT,
43     NORMALIZED_ITERATION_COUNT,
44     WHITE,
45     OUTZ,
46 };
47
48 enum Inner{
49     BLACK,
50     PERIOD,
51     CONVTIME,
52     MINCOL,
53 };
54
55 typedef struct Point {
56     double p[2];
57     uint32_t val;
58 } Point;
59
60 typedef struct {
61     const AVClass *class;
62     int w, h;
63     AVRational frame_rate;
64     uint64_t pts;
65     int maxiter;
66     double start_x;
67     double start_y;
68     double start_scale;
69     double end_scale;
70     double end_pts;
71     double bailout;
72     enum Outer outer;
73     enum Inner inner;
74     int cache_allocated;
75     int cache_used;
76     Point *point_cache;
77     Point *next_cache;
78     double (*zyklus)[2];
79     uint32_t dither;
80
81     double morphxf;
82     double morphyf;
83     double morphamp;
84 } MBContext;
85
86 #define OFFSET(x) offsetof(MBContext, x)
87 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM
88
89 static const AVOption mandelbrot_options[] = {
90     {"size",        "set frame size",                OFFSET(w),       AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str="640x480"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX, FLAGS },
91     {"s",           "set frame size",                OFFSET(w),       AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str="640x480"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX, FLAGS },
92     {"rate",        "set frame rate",                OFFSET(frame_rate), AV_OPT_TYPE_VIDEO_RATE, {.str="25"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX, FLAGS },
93     {"r",           "set frame rate",                OFFSET(frame_rate), AV_OPT_TYPE_VIDEO_RATE, {.str="25"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX, FLAGS },
94     {"maxiter",     "set max iterations number",     OFFSET(maxiter), AV_OPT_TYPE_INT,        {.i64=7189},  1,        INT_MAX, FLAGS },
95     {"start_x",     "set the initial x position",    OFFSET(start_x), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=-0.743643887037158704752191506114774}, -100, 100, FLAGS },
96     {"start_y",     "set the initial y position",    OFFSET(start_y), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=-0.131825904205311970493132056385139}, -100, 100, FLAGS },
97     {"start_scale", "set the initial scale value",   OFFSET(start_scale), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=3.0},  0, FLT_MAX, FLAGS },
98     {"end_scale",   "set the terminal scale value",  OFFSET(end_scale), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,   {.dbl=0.3},  0, FLT_MAX, FLAGS },
99     {"end_pts",     "set the terminal pts value",    OFFSET(end_pts), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=400},  0, INT64_MAX, FLAGS },
100     {"bailout",     "set the bailout value",         OFFSET(bailout), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=10},   0, FLT_MAX, FLAGS },
101     {"morphxf",     "set morph x frequency",         OFFSET(morphxf), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=0.01},   -FLT_MAX, FLT_MAX, FLAGS },
102     {"morphyf",     "set morph y frequency",         OFFSET(morphyf), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=0.0123}, -FLT_MAX, FLT_MAX, FLAGS },
103     {"morphamp",    "set morph amplitude",           OFFSET(morphamp), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,    {.dbl=0},      -FLT_MAX, FLT_MAX, FLAGS },
104
105     {"outer",       "set outer coloring mode",       OFFSET(outer), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=NORMALIZED_ITERATION_COUNT}, 0, INT_MAX, FLAGS, "outer" },
106     {"iteration_count", "set iteration count mode",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=ITERATION_COUNT}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "outer" },
107     {"normalized_iteration_count", "set normalized iteration count mode",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=NORMALIZED_ITERATION_COUNT}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "outer" },
108     {"white", "set white mode",                      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WHITE}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "outer" },
109     {"outz",        "set outz mode",                 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=OUTZ}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "outer" },
110
111     {"inner",       "set inner coloring mode",       OFFSET(inner), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=MINCOL}, 0, INT_MAX, FLAGS, "inner" },
112     {"black",       "set black mode",                0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=BLACK}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "inner"},
113     {"period",      "set period mode",               0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=PERIOD}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "inner"},
114     {"convergence", "show time until convergence",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CONVTIME}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "inner"},
115     {"mincol",      "color based on point closest to the origin of the iterations",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=MINCOL}, INT_MIN, INT_MAX, FLAGS, "inner"},
116
117     {NULL},
118 };
119
120 AVFILTER_DEFINE_CLASS(mandelbrot);
121
122 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx, const char *args)
123 {
124     MBContext *mb = ctx->priv;
125     int err;
126
127     mb->class = &mandelbrot_class;
128     av_opt_set_defaults(mb);
129
130     if ((err = (av_set_options_string(mb, args, "=", ":"))) < 0)
131         return err;
132     mb->bailout *= mb->bailout;
133
134     mb->start_scale /=mb->h;
135     mb->end_scale /=mb->h;
136
137     mb->cache_allocated = mb->w * mb->h * 3;
138     mb->cache_used = 0;
139     mb->point_cache= av_malloc(sizeof(*mb->point_cache)*mb->cache_allocated);
140     mb-> next_cache= av_malloc(sizeof(*mb-> next_cache)*mb->cache_allocated);
141     mb-> zyklus    = av_malloc(sizeof(*mb->zyklus) * (mb->maxiter+16));
142
143     return 0;
144 }
145
146 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
147 {
148     MBContext *mb = ctx->priv;
149
150     av_freep(&mb->point_cache);
151     av_freep(&mb-> next_cache);
152     av_freep(&mb->zyklus);
153 }
154
155 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
156 {
157     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {
158         AV_PIX_FMT_BGR32,
159         AV_PIX_FMT_NONE
160     };
161
162     ff_set_common_formats(ctx, ff_make_format_list(pix_fmts));
163     return 0;
164 }
165
166 static int config_props(AVFilterLink *inlink)
167 {
168     AVFilterContext *ctx = inlink->src;
169     MBContext *mb = ctx->priv;
170
171     if (av_image_check_size(mb->w, mb->h, 0, ctx) < 0)
172         return AVERROR(EINVAL);
173
174     inlink->w = mb->w;
175     inlink->h = mb->h;
176     inlink->time_base = av_inv_q(mb->frame_rate);
177
178     return 0;
179 }
180
181 static void fill_from_cache(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int *in_cidx, int *out_cidx, double py, double scale){
182     MBContext *mb = ctx->priv;
183     if(mb->morphamp)
184         return;
185     for(; *in_cidx < mb->cache_used; (*in_cidx)++){
186         Point *p= &mb->point_cache[*in_cidx];
187         int x;
188         if(p->p[1] > py)
189             break;
190         x= round((p->p[0] - mb->start_x) / scale + mb->w/2);
191         if(x<0 || x >= mb->w)
192             continue;
193         if(color) color[x] = p->val;
194         if(out_cidx && *out_cidx < mb->cache_allocated)
195             mb->next_cache[(*out_cidx)++]= *p;
196     }
197 }
198
199 static int interpol(MBContext *mb, uint32_t *color, int x, int y, int linesize)
200 {
201     uint32_t a,b,c,d, i;
202     uint32_t ipol=0xFF000000;
203     int dist;
204
205     if(!x || !y || x+1==mb->w || y+1==mb->h)
206         return 0;
207
208     dist= FFMAX(FFABS(x-(mb->w>>1))*mb->h, FFABS(y-(mb->h>>1))*mb->w);
209
210     if(dist<(mb->w*mb->h>>3))
211         return 0;
212
213     a=color[(x+1) + (y+0)*linesize];
214     b=color[(x-1) + (y+1)*linesize];
215     c=color[(x+0) + (y+1)*linesize];
216     d=color[(x+1) + (y+1)*linesize];
217
218     if(a&&c){
219         b= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
220         d= color[(x+0) + (y-1)*linesize];
221     }else if(b&&d){
222         a= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
223         c= color[(x-1) + (y-1)*linesize];
224     }else if(c){
225         d= color[(x+0) + (y-1)*linesize];
226         a= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
227         b= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
228     }else if(d){
229         c= color[(x-1) + (y-1)*linesize];
230         a= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
231         b= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
232     }else
233         return 0;
234
235     for(i=0; i<3; i++){
236         int s= 8*i;
237         uint8_t ac= a>>s;
238         uint8_t bc= b>>s;
239         uint8_t cc= c>>s;
240         uint8_t dc= d>>s;
241         int ipolab= (ac + bc);
242         int ipolcd= (cc + dc);
243         if(FFABS(ipolab - ipolcd) > 5)
244             return 0;
245         if(FFABS(ac-bc)+FFABS(cc-dc) > 20)
246             return 0;
247         ipol |= ((ipolab + ipolcd + 2)/4)<<s;
248     }
249     color[x + y*linesize]= ipol;
250     return 1;
251 }
252
253 static void draw_mandelbrot(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int linesize, int64_t pts)
254 {
255     MBContext *mb = ctx->priv;
256     int x,y,i, in_cidx=0, next_cidx=0, tmp_cidx;
257     double scale= mb->start_scale*pow(mb->end_scale/mb->start_scale, pts/mb->end_pts);
258     int use_zyklus=0;
259     fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, NULL, mb->start_y+scale*(-mb->h/2-0.5), scale);
260     tmp_cidx= in_cidx;
261     memset(color, 0, sizeof(*color)*mb->w);
262     for(y=0; y<mb->h; y++){
263         int y1= y+1;
264         const double ci=mb->start_y+scale*(y-mb->h/2);
265         fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, &next_cidx, ci, scale);
266         if(y1<mb->h){
267             memset(color+linesize*y1, 0, sizeof(*color)*mb->w);
268             fill_from_cache(ctx, color+linesize*y1, &tmp_cidx, NULL, ci + 3*scale/2, scale);
269         }
270
271         for(x=0; x<mb->w; x++){
272             float av_uninit(epsilon);
273             const double cr=mb->start_x+scale*(x-mb->w/2);
274             double zr=cr;
275             double zi=ci;
276             uint32_t c=0;
277             double dv= mb->dither / (double)(1LL<<32);
278             mb->dither= mb->dither*1664525+1013904223;
279
280             if(color[x + y*linesize] & 0xFF000000)
281                 continue;
282             if(!mb->morphamp){
283                 if(interpol(mb, color, x, y, linesize)){
284                 //TODO: reindent
285                 if(next_cidx < mb->cache_allocated){
286                     mb->next_cache[next_cidx  ].p[0]= cr;
287                     mb->next_cache[next_cidx  ].p[1]= ci;
288                     mb->next_cache[next_cidx++].val = color[x + y*linesize];
289                 }
290                 continue;
291                 }
292             }else{
293                 zr += cos(pts * mb->morphxf) * mb->morphamp;
294                 zi += sin(pts * mb->morphyf) * mb->morphamp;
295             }
296
297             use_zyklus= (x==0 || mb->inner!=BLACK ||color[x-1 + y*linesize] == 0xFF000000);
298             if(use_zyklus)
299                 epsilon= scale*1*sqrt(SQR(x-mb->w/2) + SQR(y-mb->h/2))/mb->w;
300
301 #define Z_Z2_C(outr,outi,inr,ini)\
302             outr= inr*inr - ini*ini + cr;\
303             outi= 2*inr*ini + ci;
304
305 #define Z_Z2_C_ZYKLUS(outr,outi,inr,ini, Z)\
306             Z_Z2_C(outr,outi,inr,ini)\
307             if(use_zyklus){\
308                 if(Z && fabs(mb->zyklus[i>>1][0]-outr)+fabs(mb->zyklus[i>>1][1]-outi) <= epsilon)\
309                     break;\
310             }\
311             mb->zyklus[i][0]= outr;\
312             mb->zyklus[i][1]= outi;\
313
314
315
316             for(i=0; i<mb->maxiter-8; i++){
317                 double t;
318                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
319                 i++;
320                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
321                 i++;
322                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
323                 i++;
324                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
325                 i++;
326                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
327                 i++;
328                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
329                 i++;
330                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
331                 i++;
332                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
333                 if(zr*zr + zi*zi > mb->bailout){
334                     i-= FFMIN(7, i);
335                     for(; i<mb->maxiter; i++){
336                         zr= mb->zyklus[i][0];
337                         zi= mb->zyklus[i][1];
338                         if(zr*zr + zi*zi > mb->bailout){
339                             switch(mb->outer){
340                             case            ITERATION_COUNT:
341                                 zr = i;
342                                 c = lrintf((sin(zr)+1)*127) + lrintf((sin(zr/1.234)+1)*127)*256*256 + lrintf((sin(zr/100)+1)*127)*256;
343                                 break;
344                             case NORMALIZED_ITERATION_COUNT:
345                                 zr = i + log2(log(mb->bailout) / log(zr*zr + zi*zi));
346                                 c = lrintf((sin(zr)+1)*127) + lrintf((sin(zr/1.234)+1)*127)*256*256 + lrintf((sin(zr/100)+1)*127)*256;
347                                 break;
348                             case                      WHITE:
349                                 c = 0xFFFFFF;
350                                 break;
351                             case                      OUTZ:
352                                 zr /= mb->bailout;
353                                 zi /= mb->bailout;
354                                 c = (((int)(zr*128+128))&0xFF)*256 + (((int)(zi*128+128))&0xFF);
355                             }
356                             break;
357                         }
358                     }
359                     break;
360                 }
361             }
362             if(!c){
363                 if(mb->inner==PERIOD){
364                 int j;
365                 for(j=i-1; j; j--)
366                     if(SQR(mb->zyklus[j][0]-zr) + SQR(mb->zyklus[j][1]-zi) < epsilon*epsilon*10)
367                         break;
368                 if(j){
369                     c= i-j;
370                     c= ((c<<5)&0xE0) + ((c<<10)&0xE000) + ((c<<15)&0xE00000);
371                 }
372                 }else if(mb->inner==CONVTIME){
373                     c= floor(i*255.0/mb->maxiter+dv)*0x010101;
374                 } else if(mb->inner==MINCOL){
375                     int j;
376                     double closest=9999;
377                     int closest_index=0;
378                     for(j=i-1; j>=0; j--)
379                         if(SQR(mb->zyklus[j][0]) + SQR(mb->zyklus[j][1]) < closest){
380                             closest= SQR(mb->zyklus[j][0]) + SQR(mb->zyklus[j][1]);
381                             closest_index= j;
382                         }
383                     closest = sqrt(closest);
384                     c= lrintf((mb->zyklus[closest_index][0]/closest+1)*127+dv) + lrintf((mb->zyklus[closest_index][1]/closest+1)*127+dv)*256;
385                 }
386             }
387             c |= 0xFF000000;
388             color[x + y*linesize]= c;
389             if(next_cidx < mb->cache_allocated){
390                 mb->next_cache[next_cidx  ].p[0]= cr;
391                 mb->next_cache[next_cidx  ].p[1]= ci;
392                 mb->next_cache[next_cidx++].val = c;
393             }
394         }
395         fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, &next_cidx, ci + scale/2, scale);
396     }
397     FFSWAP(void*, mb->next_cache, mb->point_cache);
398     mb->cache_used = next_cidx;
399     if(mb->cache_used == mb->cache_allocated)
400         av_log(ctx, AV_LOG_INFO, "Mandelbrot cache is too small!\n");
401 }
402
403 static int request_frame(AVFilterLink *link)
404 {
405     MBContext *mb = link->src->priv;
406     AVFrame *picref = ff_get_video_buffer(link, mb->w, mb->h);
407     picref->sample_aspect_ratio = (AVRational) {1, 1};
408     picref->pts = mb->pts++;
409
410     draw_mandelbrot(link->src, (uint32_t*)picref->data[0], picref->linesize[0]/4, picref->pts);
411     return ff_filter_frame(link, picref);
412 }
413
414 static const AVFilterPad mandelbrot_outputs[] = {
415     {
416         .name          = "default",
417         .type          = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
418         .request_frame = request_frame,
419         .config_props  = config_props,
420     },
421     { NULL },
422 };
423
424 AVFilter avfilter_vsrc_mandelbrot = {
425     .name        = "mandelbrot",
426     .description = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Render a Mandelbrot fractal."),
427
428     .priv_size = sizeof(MBContext),
429     .init      = init,
430     .uninit    = uninit,
431
432     .query_formats = query_formats,
433     .inputs        = NULL,
434     .outputs       = mandelbrot_outputs,
435     .priv_class    = &mandelbrot_class,
436 };