vsrc_mandelbrot: factorize periodicity checking too.
[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     uint32_t dither;
76 } MBContext;
77
78 #define OFFSET(x) offsetof(MBContext, x)
79
80 static const AVOption mandelbrot_options[] = {
81     {"size",        "set frame size",                OFFSET(size),    AV_OPT_TYPE_STRING,     {.str="640x480"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
82     {"s",           "set frame size",                OFFSET(size),    AV_OPT_TYPE_STRING,     {.str="640x480"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
83     {"rate",        "set frame rate",                OFFSET(rate),    AV_OPT_TYPE_STRING,     {.str="25"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
84     {"r",           "set frame rate",                OFFSET(rate),    AV_OPT_TYPE_STRING,     {.str="25"},  CHAR_MIN, CHAR_MAX },
85     {"maxiter",     "set max iterations number",     OFFSET(maxiter), AV_OPT_TYPE_INT,        {.dbl=4096},  1,        INT_MAX  },
86     {"start_x",     "set the initial x position",    OFFSET(start_x), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=-0.743643887037158704752191506114774}, -100, 100  },
87     {"start_y",     "set the initial y position",    OFFSET(start_y), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=-0.131825904205311970493132056385139}, -100, 100  },
88     {"start_scale", "set the initial scale value",   OFFSET(start_scale), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=3.0},  0, FLT_MAX },
89     {"end_scale",   "set the terminal scale value",  OFFSET(end_scale), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,   {.dbl=0.3},  0, FLT_MAX },
90     {"end_pts",     "set the terminal pts value",    OFFSET(end_pts), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=800},  0, INT64_MAX },
91     {"bailout",     "set the bailout value",         OFFSET(bailout), AV_OPT_TYPE_DOUBLE,     {.dbl=10},   0, FLT_MAX },
92
93     {"outer",       "set outer coloring mode",       OFFSET(outer), AV_OPT_TYPE_INT, {.dbl=NORMALIZED_ITERATION_COUNT}, 0, INT_MAX, 0, "outer"},
94     {"iteration_count", "set iteration count mode",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=ITERATION_COUNT}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "outer" },
95     {"normalized_iteration_count", "set normalized iteration count mode",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=NORMALIZED_ITERATION_COUNT}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "outer" },
96
97     {"inner",       "set inner coloring mode",       OFFSET(inner), AV_OPT_TYPE_INT, {.dbl=MINCOL}, 0, INT_MAX, 0, "inner"},
98     {"black",       "set black mode",                0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=BLACK}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "inner" },
99     {"period",      "set period mode",               0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=PERIOD}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "inner" },
100     {"convergence", "show time until convergence",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=CONVTIME}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "inner" },
101     {"mincol",      "color based on point closest to the origin of the iterations",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.dbl=MINCOL}, INT_MIN, INT_MAX, 0, "inner" },
102
103     {NULL},
104 };
105
106 static const char *mandelbrot_get_name(void *ctx)
107 {
108     return "mandelbrot";
109 }
110
111 static const AVClass mandelbrot_class = {
112     "MBContext",
113     mandelbrot_get_name,
114     mandelbrot_options
115 };
116
117 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx, const char *args, void *opaque)
118 {
119     MBContext *mb = ctx->priv;
120     AVRational rate_q;
121     int err;
122
123     mb->class = &mandelbrot_class;
124     av_opt_set_defaults(mb);
125
126     if ((err = (av_set_options_string(mb, args, "=", ":"))) < 0) {
127         av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Error parsing options string: '%s'\n", args);
128         return err;
129     }
130     mb->bailout *= mb->bailout;
131
132     if (av_parse_video_size(&mb->w, &mb->h, mb->size) < 0) {
133         av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Invalid frame size: %s\n", mb->size);
134         return AVERROR(EINVAL);
135     }
136     mb->start_scale /=mb->h;
137     mb->end_scale /=mb->h;
138
139     if (av_parse_video_rate(&rate_q, mb->rate) < 0 ||
140         rate_q.den <= 0 || rate_q.num <= 0) {
141         av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Invalid frame rate: %s\n", mb->rate);
142         return AVERROR(EINVAL);
143     }
144     mb->time_base.num = rate_q.den;
145     mb->time_base.den = rate_q.num;
146
147     mb->cache_allocated = mb->w * mb->h * 3;
148     mb->cache_used = 0;
149     mb->point_cache= av_malloc(sizeof(*mb->point_cache)*mb->cache_allocated);
150     mb-> next_cache= av_malloc(sizeof(*mb-> next_cache)*mb->cache_allocated);
151     mb-> zyklus    = av_malloc(sizeof(*mb->zyklus) * mb->maxiter);
152
153     return 0;
154 }
155
156 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
157 {
158     MBContext *mb = ctx->priv;
159
160     av_freep(&mb->size);
161     av_freep(&mb->rate);
162     av_freep(&mb->point_cache);
163     av_freep(&mb-> next_cache);
164     av_freep(&mb->zyklus);
165 }
166
167 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
168 {
169     static const enum PixelFormat pix_fmts[] = {
170         PIX_FMT_BGR32,
171         PIX_FMT_NONE
172     };
173
174     avfilter_set_common_pixel_formats(ctx, avfilter_make_format_list(pix_fmts));
175     return 0;
176 }
177
178 static int config_props(AVFilterLink *inlink)
179 {
180     AVFilterContext *ctx = inlink->src;
181     MBContext *mb = ctx->priv;
182
183     if (av_image_check_size(mb->w, mb->h, 0, ctx) < 0)
184         return AVERROR(EINVAL);
185
186     inlink->w = mb->w;
187     inlink->h = mb->h;
188     inlink->time_base = mb->time_base;
189
190     return 0;
191 }
192
193 static void fill_from_cache(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int *in_cidx, int *out_cidx, double py, double scale){
194     MBContext *mb = ctx->priv;
195     for(; *in_cidx < mb->cache_used; (*in_cidx)++){
196         Point *p= &mb->point_cache[*in_cidx];
197         int x;
198         if(p->p[1] > py)
199             break;
200         x= round((p->p[0] - mb->start_x) / scale + mb->w/2);
201         if(x<0 || x >= mb->w)
202             continue;
203         if(color) color[x] = p->val;
204         if(out_cidx && *out_cidx < mb->cache_allocated)
205             mb->next_cache[(*out_cidx)++]= *p;
206     }
207 }
208
209 static void draw_mandelbrot(AVFilterContext *ctx, uint32_t *color, int linesize, int64_t pts)
210 {
211     MBContext *mb = ctx->priv;
212     int x,y,i, in_cidx=0, next_cidx=0, tmp_cidx;
213     double scale= mb->start_scale*pow(mb->end_scale/mb->start_scale, pts/mb->end_pts);
214     int use_zyklus=0;
215     fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, NULL, mb->start_y+scale*(-mb->h/2-0.5), scale);
216     for(y=0; y<mb->h; y++){
217         const double ci=mb->start_y+scale*(y-mb->h/2);
218         memset(color+linesize*y, 0, sizeof(*color)*mb->w);
219         fill_from_cache(ctx, color+linesize*y, &in_cidx, &next_cidx, ci, scale);
220         tmp_cidx= in_cidx;
221         fill_from_cache(ctx, color+linesize*y, &tmp_cidx, NULL, ci + scale/2, scale);
222
223         for(x=0; x<mb->w; x++){
224             const double cr=mb->start_x+scale*(x-mb->w/2);
225             double zr=cr;
226             double zi=ci;
227             uint32_t c=0;
228             double dv= mb->dither / (double)(1LL<<32);
229             mb->dither= mb->dither*1664525+1013904223;
230
231             if(color[x + y*linesize] & 0xFF000000)
232                 continue;
233
234             use_zyklus= (x==0 || mb->inner!=BLACK ||color[x-1 + y*linesize] == 0xFF000000);
235
236 #define Z_Z2_C(outr,outi,inr,ini)\
237             outr= inr*inr - ini*ini + cr;\
238             outi= 2*inr*ini + ci;
239
240 #define Z_Z2_C_ZYKLUS(outr,outi,inr,ini, Z)\
241             Z_Z2_C(outr,outi,inr,ini)\
242             if(use_zyklus){\
243                 if(Z && mb->zyklus[i>>1][0]==outr && mb->zyklus[i>>1][1]==outi)\
244                     break;\
245                 mb->zyklus[i][0]= outr;\
246                 mb->zyklus[i][1]= outi;\
247             }
248
249
250             for(i=0; i<mb->maxiter; i++){
251                 double t;
252                 if(zr*zr + zi*zi > mb->bailout){
253                     switch(mb->outer){
254                     case            ITERATION_COUNT: zr = i - (SQR(zr-cr)+SQR(zi-ci) > SQR(mb->bailout)); break;
255                     case NORMALIZED_ITERATION_COUNT: zr= i + log2(log(mb->bailout) / log(zr*zr + zi*zi)); break;
256                     }
257                     c= lrintf((sin(zr)+1)*127) + lrintf((sin(zr/1.234)+1)*127)*256*256 + lrintf((sin(zr/100)+1)*127)*256;
258                     break;
259                 }
260                 Z_Z2_C_ZYKLUS(t, zi, zr, zi, 0)
261                 i++;
262                 Z_Z2_C_ZYKLUS(zr, zi, t, zi, 1)
263             }
264             if(!c){
265                 if(mb->inner==PERIOD){
266                 int j;
267                 for(j=i-1; j; j--)
268                     if(SQR(mb->zyklus[j][0]-zr) + SQR(mb->zyklus[j][1]-zi) < 0.0000000000000001)
269                         break;
270                 if(j){
271                     c= i-j;
272                     c= ((c<<5)&0xE0) + ((c<<16)&0xE000) + ((c<<27)&0xE00000);
273                 }
274                 }else if(mb->inner==CONVTIME){
275                     c= floor(i*255.0/mb->maxiter+dv)*0x010101;
276                 } else if(mb->inner==MINCOL){
277                     int j;
278                     double closest=9999;
279                     int closest_index=0;
280                     for(j=i-1; j>=0; j--)
281                         if(SQR(mb->zyklus[j][0]) + SQR(mb->zyklus[j][1]) < closest){
282                             closest= SQR(mb->zyklus[j][0]) + SQR(mb->zyklus[j][1]);
283                             closest_index= j;
284                         }
285                     closest = sqrt(closest);
286                     c= lrintf((mb->zyklus[closest_index][0]/closest+1)*127+dv) + lrintf((mb->zyklus[closest_index][1]/closest+1)*127+dv)*256;
287                 }
288             }
289             c |= 0xFF000000;
290             color[x + y*linesize]= c;
291             if(next_cidx < mb->cache_allocated){
292                 mb->next_cache[next_cidx  ].p[0]= cr;
293                 mb->next_cache[next_cidx  ].p[1]= ci;
294                 mb->next_cache[next_cidx++].val = c;
295             }
296         }
297         fill_from_cache(ctx, NULL, &in_cidx, &next_cidx, ci + scale/2, scale);
298     }
299     FFSWAP(void*, mb->next_cache, mb->point_cache);
300     mb->cache_used = next_cidx;
301     if(mb->cache_used == mb->cache_allocated)
302         av_log(0, AV_LOG_INFO, "Mandelbrot cache is too small!\n");
303 }
304
305 static int request_frame(AVFilterLink *link)
306 {
307     MBContext *mb = link->src->priv;
308     AVFilterBufferRef *picref = avfilter_get_video_buffer(link, AV_PERM_WRITE, mb->w, mb->h);
309     picref->video->sample_aspect_ratio = (AVRational) {1, 1};
310     picref->pts = mb->pts++;
311     picref->pos = -1;
312
313     avfilter_start_frame(link, avfilter_ref_buffer(picref, ~0));
314     draw_mandelbrot(link->src, (uint32_t*)picref->data[0], picref->linesize[0]/4, picref->pts);
315     avfilter_draw_slice(link, 0, mb->h, 1);
316     avfilter_end_frame(link);
317     avfilter_unref_buffer(picref);
318
319     return 0;
320 }
321
322 AVFilter avfilter_vsrc_mandelbrot = {
323     .name        = "mandelbrot",
324     .description = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Mandelbrot fractal renderer"),
325
326     .priv_size = sizeof(MBContext),
327     .init      = init,
328     .uninit    = uninit,
329
330     .query_formats = query_formats,
331
332     .inputs    = (const AVFilterPad[]) {{ .name = NULL}},
333
334     .outputs   = (const AVFilterPad[]) {{ .name      = "default",
335                                     .type            = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
336                                     .request_frame   = request_frame,
337                                     .config_props    = config_props },
338                                   { .name = NULL}},
339 };