mandelbrot: make mincol the default.
[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 "libavutil/imgutils.h"
31 #include "libavutil/opt.h"
32 #include "libavutil/parseutils.h"
33 #include <float.h>
34 #include <math.h>
35
36 #define SQR(a) ((a)*(a))
37
38 enum Outer{
39     ITERATION_COUNT,
40     NORMALIZED_ITERATION_COUNT,
41 };
42
43 enum Inner{
44     BLACK,
45     PERIOD,
46     CONVTIME,
47     MINCOL,
48 };
49
50 typedef struct Point {
51     double p[2];
52     uint32_t val;
53 } Point;
54
55 typedef struct {
56     const AVClass *class;
57     int w, h;
58     AVRational time_base;
59     uint64_t pts;
60     char *size, *rate;
61     int maxiter;
62     double start_x;
63     double start_y;
64     double start_scale;
65     double end_scale;
66     double end_pts;
67     double bailout;
68     enum Outer outer;
69     enum Inner inner;
70     int cache_allocated;
71     int cache_used;
72     Point *point_cache;
73     Point *next_cache;
74     double (*zyklus)[2];
75 } MBContext;
76
77 #define OFFSET(x) offsetof(MBContext, x)
78
79 static const AVOption mandelbrot_options[] = {
80     {"size",        "set frame size",                OFFSET(size),    AV_OPT_TYPE_STRING,     {.str="640x480"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
81     {"s",           "set frame size",                OFFSET(size),    AV_OPT_TYPE_STRING,     {.str="640x480"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
82     {"rate",        "set frame rate",                OFFSET(rate),    AV_OPT_TYPE_STRING,     {.str="25"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
83     {"r",           "set frame rate",                OFFSET(rate),    AV_OPT_TYPE_STRING,     {.str="25"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
84     {"maxiter",     "set max iterations number",     OFFSET(maxiter), AV_OPT_TYPE_INT,        {.dbl=4096},  1,        INT_MAX  },
85     {"start_x",     "set the initial x position",    OFFSET(start_x), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=-0.743643887037158704752191506114774}, -100, 100  },
86     {"start_y",     "set the initial y position",    OFFSET(start_y), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=-0.131825904205311970493132056385139}, -100, 100  },
87     {"start_scale", "set the initial scale value",   OFFSET(start_scale), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=3.0},  0, FLT_MAX },
88     {"end_scale",   "set the terminal scale value",  OFFSET(end_scale), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,   {.dbl=0.3},  0, FLT_MAX },
89     {"end_pts",     "set the terminal pts value",    OFFSET(end_pts), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=800},  0, INT64_MAX },
90     {"bailout",     "set the bailout value",         OFFSET(bailout), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=10},   0, FLT_MAX },
91
92     {"outer",       "set outer coloring mode",       OFFSET(outer), AV_OPT_TYPE_INT, {.dbl=NORMALIZED_ITERATION_COUNT}, 0, INT_MAX, 0, "outer"},
93     {"iteration_count", "set iteration count mode",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=ITERATION_COUNT}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "outer" },
94     {"normalized_iteration_count", "set normalized iteration count mode",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=NORMALIZED_ITERATION_COUNT}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "outer" },
95
96     {"inner",       "set inner coloring mode",       OFFSET(inner), AV_OPT_TYPE_INT, {.dbl=MINCOL}, 0, INT_MAX, 0, "inner"},
97     {"black",       "set black mode",                0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=BLACK}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "inner" },
98     {"period",      "set period mode",               0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=PERIOD}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "inner" },
99     {"convergence", "show time until convergence",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=CONVTIME}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "inner" },
100     {"mincol",      "color based on point closest to the origin of the cycle",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=MINCOL}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "inner" },
101
102     {NULL},
103 };
104
105 static const char *mandelbrot_get_name(void *ctx)
106 {
107     return "mandelbrot";
108 }
109
110 static const AVClass mandelbrot_class = {
111     "MBContext",
112     mandelbrot_get_name,
113     mandelbrot_options
114 };
115
116 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx, const char *args, void *opaque)
117 {
118     MBContext *mb = ctx->priv;
119     AVRational rate_q;
120     int err;
121
122     mb->class = &mandelbrot_class;
123     av_opt_set_defaults(mb);
124
125     if ((err = (av_set_options_string(mb, args, "=", ":"))) < 0) {
126         av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Error parsing options string: '%s'\n", args);
127         return err;
128     }
129     mb->bailout *= mb->bailout;
130
131     if (av_parse_video_size(&mb->w, &mb->h, mb->size) < 0) {
132         av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Invalid frame size: %s\n", mb->size);
133         return AVERROR(EINVAL);
134     }
135     mb->start_scale /=mb->h;
136     mb->end_scale /=mb->h;
137
138     if (av_parse_video_rate(&rate_q, mb->rate) < 0 ||
139         rate_q.den <= 0 || rate_q.num <= 0) {
140         av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Invalid frame rate: %s\n", mb->rate);
141         return AVERROR(EINVAL);
142     }
143     mb->time_base.num = rate_q.den;
144     mb->time_base.den = rate_q.num;
145
146     mb->cache_allocated = mb->w * mb->h * 3;
147     mb->cache_used = 0;
148     mb->point_cache= av_malloc(sizeof(*mb->point_cache)*mb->cache_allocated);
149     mb-> next_cache= av_malloc(sizeof(*mb-> next_cache)*mb->cache_allocated);
150     mb-> zyklus    = av_malloc(sizeof(*mb->zyklus) * mb->maxiter);
151
152     return 0;
153 }
154
155 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
156 {
157     MBContext *mb = ctx->priv;
158
159     av_freep(&mb->size);
160     av_freep(&mb->rate);
161     av_freep(&mb->point_cache);
162     av_freep(&mb-> next_cache);
163     av_freep(&mb->zyklus);
164 }
165
166 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
167 {
168     static const enum PixelFormat pix_fmts[] = {
169         PIX_FMT_BGR32,
170         PIX_FMT_NONE
171     };
172
173     avfilter_set_common_pixel_formats(ctx, avfilter_make_format_list(pix_fmts));
174     return 0;
175 }
176
177 static int config_props(AVFilterLink *inlink)
178 {
179     AVFilterContext *ctx = inlink->src;
180     MBContext *mb = ctx->priv;
181
182     if (av_image_check_size(mb->w, mb->h, 0, ctx) < 0)
183         return AVERROR(EINVAL);
184
185     inlink->w = mb->w;
186     inlink->h = mb->h;
187     inlink->time_base = mb->time_base;
188
189     return 0;
190 }
191
192 static void fill_from_cache(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int *in_cidx, int *out_cidx, double py, double scale){
193     MBContext *mb = ctx->priv;
194     for(; *in_cidx < mb->cache_used; (*in_cidx)++){
195         Point *p= &mb->point_cache[*in_cidx];
196         int x;
197         if(p->p[1] > py)
198             break;
199         x= round((p->p[0] - mb->start_x) / scale + mb->w/2);
200         if(x<0 || x >= mb->w)
201             continue;
202         if(color) color[x] = p->val;
203         if(out_cidx && *out_cidx < mb->cache_allocated)
204             mb->next_cache[(*out_cidx)++]= *p;
205     }
206 }
207
208 static void draw_mandelbrot(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int linesize, int64_t pts)
209 {
210     MBContext *mb = ctx->priv;
211     int x,y,i, in_cidx=0, next_cidx=0, tmp_cidx;
212     double scale= mb->start_scale*pow(mb->end_scale/mb->start_scale, pts/mb->end_pts);
213     int use_zyklus=0;
214     fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, NULL, mb->start_y+scale*(-mb->h/2-0.5), scale);
215     for(y=0; y<mb->h; y++){
216         const double ci=mb->start_y+scale*(y-mb->h/2);
217         memset(color+linesize*y, 0, sizeof(*color)*mb->w);
218         fill_from_cache(ctx, color+linesize*y, &in_cidx, &next_cidx, ci, scale);
219         tmp_cidx= in_cidx;
220         fill_from_cache(ctx, color+linesize*y, &tmp_cidx, NULL, ci + scale/2, scale);
221
222         for(x=0; x<mb->w; x++){
223             const double cr=mb->start_x+scale*(x-mb->w/2);
224             double zr=cr;
225             double zi=ci;
226             uint32_t c=0;
227
228             if(color[x + y*linesize] & 0xFF000000)
229                 continue;
230
231             use_zyklus= (x==0 || mb->inner!=BLACK ||color[x-1 + y*linesize] == 0xFF000000);
232
233             for(i=0; i<mb->maxiter; i++){
234                 double t;
235                 if(zr*zr + zi*zi > mb->bailout){
236                     switch(mb->outer){
237                     case            ITERATION_COUNT: zr = i - (SQR(zr-cr)+SQR(zi-ci) > SQR(mb->bailout)); break;
238                     case NORMALIZED_ITERATION_COUNT: zr= i + log2(log(mb->bailout) / log(zr*zr + zi*zi)); break;
239                     }
240                     c= lrintf((sin(zr)+1)*127) + lrintf((sin(zr/1.234)+1)*127)*256*256 + lrintf((sin(zr/100)+1)*127)*256;
241                     break;
242                 }
243                 t= zr*zr - zi*zi + cr;
244                 zi= 2*zr*zi + ci;
245                 if(use_zyklus){
246                     mb->zyklus[i][0]= t;
247                     mb->zyklus[i][1]= zi;
248                 }
249                 i++;
250                 zr= t*t - zi*zi+cr;
251                 zi= 2*t*zi + ci;
252                 if(use_zyklus){
253                     if(mb->zyklus[i>>1][0]==zr && mb->zyklus[i>>1][1]==zi)
254                         break;
255                     mb->zyklus[i][0]= zr;
256                     mb->zyklus[i][1]= zi;
257                 }
258             }
259             if(!c){
260                 if(mb->inner==PERIOD){
261                 int j;
262                 for(j=i-1; j; j--)
263                     if(SQR(mb->zyklus[j][0]-zr) + SQR(mb->zyklus[j][1]-zi) < 0.0000000000000001)
264                         break;
265                 if(j){
266                     c= i-j;
267                     c= ((c<<5)&0xE0) + ((c<<16)&0xE000) + ((c<<27)&0xE00000);
268                 }
269                 }else if(mb->inner==CONVTIME){
270                     c= (i*255/mb->maxiter)*0x010101;
271                 } else if(mb->inner==MINCOL){
272                     int j;
273                     double closest=9999;
274                     int closest_index=0;
275                     for(j=i-1; j; j--)
276                         if(SQR(mb->zyklus[j][0]) + SQR(mb->zyklus[j][1]) < closest){
277                             closest= SQR(mb->zyklus[j][0]) + SQR(mb->zyklus[j][1]);
278                             closest_index= j;
279                         }
280                     closest = sqrt(closest);
281                     c= lrintf((mb->zyklus[closest_index][0]/closest+1)*127) + lrintf((mb->zyklus[closest_index][1]/closest+1)*127)*256;
282                 }
283             }
284             c |= 0xFF000000;
285             color[x + y*linesize]= c;
286             if(next_cidx < mb->cache_allocated){
287                 mb->next_cache[next_cidx  ].p[0]= cr;
288                 mb->next_cache[next_cidx  ].p[1]= ci;
289                 mb->next_cache[next_cidx++].val = c;
290             }
291         }
292         fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, &next_cidx, ci + scale/2, scale);
293     }
294     FFSWAP(void*, mb->next_cache, mb->point_cache);
295     mb->cache_used = next_cidx;
296     if(mb->cache_used == mb->cache_allocated)
297         av_log(0, AV_LOG_INFO, "Mandelbrot cache is too small!\n");
298 }
299
300 static int request_frame(AVFilterLink *link)
301 {
302     MBContext *mb = link->src->priv;
303     AVFilterBufferRef *picref = avfilter_get_video_buffer(link, AV_PERM_WRITE, mb->w, mb->h);
304     picref->video->sample_aspect_ratio = (AVRational) {1, 1};
305     picref->pts = mb->pts++;
306     picref->pos = -1;
307
308     avfilter_start_frame(link, avfilter_ref_buffer(picref, ~0));
309     draw_mandelbrot(link->src, (uint32_t*)picref->data[0], picref->linesize[0]/4, picref->pts);
310     avfilter_draw_slice(link, 0, mb->h, 1);
311     avfilter_end_frame(link);
312     avfilter_unref_buffer(picref);
313
314     return 0;
315 }
316
317 AVFilter avfilter_vsrc_mandelbrot = {
318     .name        = "mandelbrot",
319     .description = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Mandelbrot fractal renderer"),
320
321     .priv_size = sizeof(MBContext),
322     .init      = init,
323     .uninit    = uninit,
324
325     .query_formats = query_formats,
326
327     .inputs    = (const AVFilterPad[]) {{ .name = NULL}},
328
329     .outputs   = (const AVFilterPad[]) {{ .name      = "default",
330                                     .type            = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
331                                     .request_frame   = request_frame,
332                                     .config_props    = config_props },
333                                   { .name = NULL}},
334 };