avfilter/af_sofalizer: speed up fast convolution
[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 fractal 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 MBContext {
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     int outer;
73     int 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)
123 {
124     MBContext *s = ctx->priv;
125
126     s->bailout *= s->bailout;
127
128     s->start_scale /=s->h;
129     s->end_scale /=s->h;
130
131     s->cache_allocated = s->w * s->h * 3;
132     s->cache_used = 0;
133     s->point_cache= av_malloc_array(s->cache_allocated, sizeof(*s->point_cache));
134     s-> next_cache= av_malloc_array(s->cache_allocated, sizeof(*s-> next_cache));
135     s-> zyklus    = av_malloc_array(s->maxiter + 16, sizeof(*s->zyklus));
136
137     return 0;
138 }
139
140 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
141 {
142     MBContext *s = ctx->priv;
143
144     av_freep(&s->point_cache);
145     av_freep(&s-> next_cache);
146     av_freep(&s->zyklus);
147 }
148
149 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
150 {
151     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = {
152         AV_PIX_FMT_0BGR32,
153         AV_PIX_FMT_NONE
154     };
155
156     AVFilterFormats *fmts_list = ff_make_format_list(pix_fmts);
157     if (!fmts_list)
158         return AVERROR(ENOMEM);
159     return ff_set_common_formats(ctx, fmts_list);
160 }
161
162 static int config_props(AVFilterLink *inlink)
163 {
164     AVFilterContext *ctx = inlink->src;
165     MBContext *s = ctx->priv;
166
167     if (av_image_check_size(s->w, s->h, 0, ctx) < 0)
168         return AVERROR(EINVAL);
169
170     inlink->w = s->w;
171     inlink->h = s->h;
172     inlink->time_base = av_inv_q(s->frame_rate);
173
174     return 0;
175 }
176
177 static void fill_from_cache(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int *in_cidx, int *out_cidx, double py, double scale){
178     MBContext *s = ctx->priv;
179     if(s->morphamp)
180         return;
181     for(; *in_cidx < s->cache_used; (*in_cidx)++){
182         Point *p= &s->point_cache[*in_cidx];
183         int x;
184         if(p->p[1] > py)
185             break;
186         x= lrint((p->p[0] - s->start_x) / scale + s->w/2);
187         if(x<0 || x >= s->w)
188             continue;
189         if(color) color[x] = p->val;
190         if(out_cidx && *out_cidx < s->cache_allocated)
191             s->next_cache[(*out_cidx)++]= *p;
192     }
193 }
194
195 static int interpol(MBContext *s, uint32_t *color, int x, int y, int linesize)
196 {
197     uint32_t a,b,c,d, i;
198     uint32_t ipol=0xFF000000;
199     int dist;
200
201     if(!x || !y || x+1==s->w || y+1==s->h)
202         return 0;
203
204     dist= FFMAX(FFABS(x-(s->w>>1))*s->h, FFABS(y-(s->h>>1))*s->w);
205
206     if(dist<(s->w*s->h>>3))
207         return 0;
208
209     a=color[(x+1) + (y+0)*linesize];
210     b=color[(x-1) + (y+1)*linesize];
211     c=color[(x+0) + (y+1)*linesize];
212     d=color[(x+1) + (y+1)*linesize];
213
214     if(a&&c){
215         b= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
216         d= color[(x+0) + (y-1)*linesize];
217     }else if(b&&d){
218         a= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
219         c= color[(x-1) + (y-1)*linesize];
220     }else if(c){
221         d= color[(x+0) + (y-1)*linesize];
222         a= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
223         b= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
224     }else if(d){
225         c= color[(x-1) + (y-1)*linesize];
226         a= color[(x-1) + (y+0)*linesize];
227         b= color[(x+1) + (y-1)*linesize];
228     }else
229         return 0;
230
231     for(i=0; i<3; i++){
232         int s= 8*i;
233         uint8_t ac= a>>s;
234         uint8_t bc= b>>s;
235         uint8_t cc= c>>s;
236         uint8_t dc= d>>s;
237         int ipolab= (ac + bc);
238         int ipolcd= (cc + dc);
239         if(FFABS(ipolab - ipolcd) > 5)
240             return 0;
241         if(FFABS(ac-bc)+FFABS(cc-dc) > 20)
242             return 0;
243         ipol |= ((ipolab + ipolcd + 2)/4)<<s;
244     }
245     color[x + y*linesize]= ipol;
246     return 1;
247 }
248
249 static void draw_mandelbrot(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int linesize, int64_t pts)
250 {
251     MBContext *s = ctx->priv;
252     int x,y,i, in_cidx=0, next_cidx=0, tmp_cidx;
253     double scale= s->start_scale*pow(s->end_scale/s->start_scale, pts/s->end_pts);
254     int use_zyklus=0;
255     fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, NULL, s->start_y+scale*(-s->h/2-0.5), scale);
256     tmp_cidx= in_cidx;
257     memset(color, 0, sizeof(*color)*s->w);
258     for(y=0; y<s->h; y++){
259         int y1= y+1;
260         const double ci=s->start_y+scale*(y-s->h/2);
261         fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, &next_cidx, ci, scale);
262         if(y1<s->h){
263             memset(color+linesize*y1, 0, sizeof(*color)*s->w);
264             fill_from_cache(ctx, color+linesize*y1, &tmp_cidx, NULL, ci + 3*scale/2, scale);
265         }
266
267         for(x=0; x<s->w; x++){
268             float av_uninit(epsilon);
269             const double cr=s->start_x+scale*(x-s->w/2);
270             double zr=cr;
271             double zi=ci;
272             uint32_t c=0;
273             double dv= s->dither / (double)(1LL<<32);
274             s->dither= s->dither*1664525+1013904223;
275
276             if(color[x + y*linesize] & 0xFF000000)
277                 continue;
278             if(!s->morphamp){
279                 if(interpol(s, color, x, y, linesize)){
280                     if(next_cidx < s->cache_allocated){
281                         s->next_cache[next_cidx  ].p[0]= cr;
282                         s->next_cache[next_cidx  ].p[1]= ci;
283                         s->next_cache[next_cidx++].val = color[x + y*linesize];
284                     }
285                     continue;
286                 }
287             }else{
288                 zr += cos(pts * s->morphxf) * s->morphamp;
289                 zi += sin(pts * s->morphyf) * s->morphamp;
290             }
291
292             use_zyklus= (x==0 || s->inner!=BLACK ||color[x-1 + y*linesize] == 0xFF000000);
293             if(use_zyklus)
294                 epsilon= scale*(abs(x-s->w/2) + abs(y-s->h/2))/s->w;
295
296 #define Z_Z2_C(outr,outi,inr,ini)\
297             outr= inr*inr - ini*ini + cr;\
298             outi= 2*inr*ini + ci;
299
300 #define Z_Z2_C_ZYKLUS(outr,outi,inr,ini, Z)\
301             Z_Z2_C(outr,outi,inr,ini)\
302             if(use_zyklus){\
303                 if(Z && fabs(s->zyklus[i>>1][0]-outr)+fabs(s->zyklus[i>>1][1]-outi) <= epsilon)\
304                     break;\
305             }\
306             s->zyklus[i][0]= outr;\
307             s->zyklus[i][1]= outi;\
308
309
310
311             for(i=0; i<s->maxiter-8; i++){
312                 double t;
313                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
314                 i++;
315                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
316                 i++;
317                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
318                 i++;
319                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
320                 i++;
321                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
322                 i++;
323                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
324                 i++;
325                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
326                 i++;
327                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
328                 if(zr*zr + zi*zi > s->bailout){
329                     i-= FFMIN(7, i);
330                     for(; i<s->maxiter; i++){
331                         zr= s->zyklus[i][0];
332                         zi= s->zyklus[i][1];
333                         if(zr*zr + zi*zi > s->bailout){
334                             switch(s->outer){
335                             case            ITERATION_COUNT:
336                                 zr = i;
337                                 c = lrintf((sinf(zr)+1)*127) + lrintf((sinf(zr/1.234)+1)*127)*256*256 + lrintf((sinf(zr/100)+1)*127)*256;
338                                 break;
339                             case NORMALIZED_ITERATION_COUNT:
340                                 zr = i + log2(log(s->bailout) / log(zr*zr + zi*zi));
341                                 c = lrintf((sinf(zr)+1)*127) + lrintf((sinf(zr/1.234)+1)*127)*256*256 + lrintf((sinf(zr/100)+1)*127)*256;
342                                 break;
343                             case                      WHITE:
344                                 c = 0xFFFFFF;
345                                 break;
346                             case                      OUTZ:
347                                 zr /= s->bailout;
348                                 zi /= s->bailout;
349                                 c = (((int)(zr*128+128))&0xFF)*256 + (((int)(zi*128+128))&0xFF);
350                             }
351                             break;
352                         }
353                     }
354                     break;
355                 }
356             }
357             if(!c){
358                 if(s->inner==PERIOD){
359                     int j;
360                     for(j=i-1; j; j--)
361                         if(SQR(s->zyklus[j][0]-zr) + SQR(s->zyklus[j][1]-zi) < epsilon*epsilon*10)
362                             break;
363                     if(j){
364                         c= i-j;
365                         c= ((c<<5)&0xE0) + ((c<<10)&0xE000) + ((c<<15)&0xE00000);
366                     }
367                 }else if(s->inner==CONVTIME){
368                     c= floor(i*255.0/s->maxiter+dv)*0x010101;
369                 } else if(s->inner==MINCOL){
370                     int j;
371                     double closest=9999;
372                     int closest_index=0;
373                     for(j=i-1; j>=0; j--)
374                         if(SQR(s->zyklus[j][0]) + SQR(s->zyklus[j][1]) < closest){
375                             closest= SQR(s->zyklus[j][0]) + SQR(s->zyklus[j][1]);
376                             closest_index= j;
377                         }
378                     closest = sqrt(closest);
379                     c= lrintf((s->zyklus[closest_index][0]/closest+1)*127+dv) + lrintf((s->zyklus[closest_index][1]/closest+1)*127+dv)*256;
380                 }
381             }
382             c |= 0xFF000000;
383             color[x + y*linesize]= c;
384             if(next_cidx < s->cache_allocated){
385                 s->next_cache[next_cidx  ].p[0]= cr;
386                 s->next_cache[next_cidx  ].p[1]= ci;
387                 s->next_cache[next_cidx++].val = c;
388             }
389         }
390         fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, &next_cidx, ci + scale/2, scale);
391     }
392     FFSWAP(void*, s->next_cache, s->point_cache);
393     s->cache_used = next_cidx;
394     if(s->cache_used == s->cache_allocated)
395         av_log(ctx, AV_LOG_INFO, "Mandelbrot cache is too small!\n");
396 }
397
398 static int request_frame(AVFilterLink *link)
399 {
400     MBContext *s = link->src->priv;
401     AVFrame *picref = ff_get_video_buffer(link, s->w, s->h);
402     if (!picref)
403         return AVERROR(ENOMEM);
404
405     picref->sample_aspect_ratio = (AVRational) {1, 1};
406     picref->pts = s->pts++;
407
408     draw_mandelbrot(link->src, (uint32_t*)picref->data[0], picref->linesize[0]/4, picref->pts);
409     return ff_filter_frame(link, picref);
410 }
411
412 static const AVFilterPad mandelbrot_outputs[] = {
413     {
414         .name          = "default",
415         .type          = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
416         .request_frame = request_frame,
417         .config_props  = config_props,
418     },
419     { NULL }
420 };
421
422 AVFilter ff_vsrc_mandelbrot = {
423     .name          = "mandelbrot",
424     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Render a Mandelbrot fractal."),
425     .priv_size     = sizeof(MBContext),
426     .priv_class    = &mandelbrot_class,
427     .init          = init,
428     .uninit        = uninit,
429     .query_formats = query_formats,
430     .inputs        = NULL,
431     .outputs       = mandelbrot_outputs,
432 };