Minor CABAC cleanups and related optimizations
[x262.git] / common / macroblock.h
1 /*****************************************************************************
2  * macroblock.h: h264 encoder library
3  *****************************************************************************
4  * Copyright (C) 2005-2008 x264 project
5  *
6  * Authors: Loren Merritt <lorenm@u.washington.edu>
7  *          Laurent Aimar <fenrir@via.ecp.fr>
8  *          Jason Garrett-Glaser <darkshikari@gmail.com>
9  *
10  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
11  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
12  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
13  * (at your option) any later version.
14  *
15  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
16  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
17  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
18  * GNU General Public License for more details.
19  *
20  * You should have received a copy of the GNU General Public License
21  * along with this program; if not, write to the Free Software
22  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02111, USA.
23  *****************************************************************************/
24
25 #ifndef X264_MACROBLOCK_H
26 #define X264_MACROBLOCK_H
27
28 enum macroblock_position_e
29 {
30     MB_LEFT     = 0x01,
31     MB_TOP      = 0x02,
32     MB_TOPRIGHT = 0x04,
33     MB_TOPLEFT  = 0x08,
34
35     MB_PRIVATE  = 0x10,
36
37     ALL_NEIGHBORS = 0xf,
38 };
39
40 static const uint8_t x264_pred_i4x4_neighbors[12] =
41 {
42     MB_TOP,                         // I_PRED_4x4_V
43     MB_LEFT,                        // I_PRED_4x4_H
44     MB_LEFT | MB_TOP,               // I_PRED_4x4_DC
45     MB_TOP  | MB_TOPRIGHT,          // I_PRED_4x4_DDL
46     MB_LEFT | MB_TOPLEFT | MB_TOP,  // I_PRED_4x4_DDR
47     MB_LEFT | MB_TOPLEFT | MB_TOP,  // I_PRED_4x4_VR
48     MB_LEFT | MB_TOPLEFT | MB_TOP,  // I_PRED_4x4_HD
49     MB_TOP  | MB_TOPRIGHT,          // I_PRED_4x4_VL
50     MB_LEFT,                        // I_PRED_4x4_HU
51     MB_LEFT,                        // I_PRED_4x4_DC_LEFT
52     MB_TOP,                         // I_PRED_4x4_DC_TOP
53     0                               // I_PRED_4x4_DC_128
54 };
55
56
57 /* XXX mb_type isn't the one written in the bitstream -> only internal usage */
58 #define IS_INTRA(type) ( (type) == I_4x4 || (type) == I_8x8 || (type) == I_16x16 || (type) == I_PCM )
59 #define IS_SKIP(type)  ( (type) == P_SKIP || (type) == B_SKIP )
60 #define IS_DIRECT(type)  ( (type) == B_DIRECT )
61 enum mb_class_e
62 {
63     I_4x4           = 0,
64     I_8x8           = 1,
65     I_16x16         = 2,
66     I_PCM           = 3,
67
68     P_L0            = 4,
69     P_8x8           = 5,
70     P_SKIP          = 6,
71
72     B_DIRECT        = 7,
73     B_L0_L0         = 8,
74     B_L0_L1         = 9,
75     B_L0_BI         = 10,
76     B_L1_L0         = 11,
77     B_L1_L1         = 12,
78     B_L1_BI         = 13,
79     B_BI_L0         = 14,
80     B_BI_L1         = 15,
81     B_BI_BI         = 16,
82     B_8x8           = 17,
83     B_SKIP          = 18,
84
85     X264_MBTYPE_MAX = 19
86 };
87 static const uint8_t x264_mb_type_fix[X264_MBTYPE_MAX] =
88 {
89     I_4x4, I_4x4, I_16x16, I_PCM,
90     P_L0, P_8x8, P_SKIP,
91     B_DIRECT, B_L0_L0, B_L0_L1, B_L0_BI, B_L1_L0, B_L1_L1,
92     B_L1_BI, B_BI_L0, B_BI_L1, B_BI_BI, B_8x8, B_SKIP
93 };
94 static const uint8_t x264_mb_type_list_table[X264_MBTYPE_MAX][2][2] =
95 {
96     {{0,0},{0,0}}, {{0,0},{0,0}}, {{0,0},{0,0}}, {{0,0},{0,0}}, /* INTRA */
97     {{1,1},{0,0}},                                              /* P_L0 */
98     {{0,0},{0,0}},                                              /* P_8x8 */
99     {{1,1},{0,0}},                                              /* P_SKIP */
100     {{0,0},{0,0}},                                              /* B_DIRECT */
101     {{1,1},{0,0}}, {{1,0},{0,1}}, {{1,1},{0,1}},                /* B_L0_* */
102     {{0,1},{1,0}}, {{0,0},{1,1}}, {{0,1},{1,1}},                /* B_L1_* */
103     {{1,1},{1,0}}, {{1,0},{1,1}}, {{1,1},{1,1}},                /* B_BI_* */
104     {{0,0},{0,0}},                                              /* B_8x8 */
105     {{0,0},{0,0}}                                               /* B_SKIP */
106 };
107
108 #define IS_SUB4x4(type) ( (type ==D_L0_4x4)||(type ==D_L1_4x4)||(type ==D_BI_4x4))
109 #define IS_SUB4x8(type) ( (type ==D_L0_4x8)||(type ==D_L1_4x8)||(type ==D_BI_4x8))
110 #define IS_SUB8x4(type) ( (type ==D_L0_8x4)||(type ==D_L1_8x4)||(type ==D_BI_8x4))
111 #define IS_SUB8x8(type) ( (type ==D_L0_8x8)||(type ==D_L1_8x8)||(type ==D_BI_8x8)||(type ==D_DIRECT_8x8))
112 enum mb_partition_e
113 {
114     /* sub partition type for P_8x8 and B_8x8 */
115     D_L0_4x4          = 0,
116     D_L0_8x4          = 1,
117     D_L0_4x8          = 2,
118     D_L0_8x8          = 3,
119
120     /* sub partition type for B_8x8 only */
121     D_L1_4x4          = 4,
122     D_L1_8x4          = 5,
123     D_L1_4x8          = 6,
124     D_L1_8x8          = 7,
125
126     D_BI_4x4          = 8,
127     D_BI_8x4          = 9,
128     D_BI_4x8          = 10,
129     D_BI_8x8          = 11,
130     D_DIRECT_8x8      = 12,
131
132     /* partition */
133     D_8x8             = 13,
134     D_16x8            = 14,
135     D_8x16            = 15,
136     D_16x16           = 16,
137     X264_PARTTYPE_MAX = 17,
138 };
139
140 static const uint8_t x264_mb_partition_listX_table[2][17] =
141 {{
142     1, 1, 1, 1, /* D_L0_* */
143     0, 0, 0, 0, /* D_L1_* */
144     1, 1, 1, 1, /* D_BI_* */
145     0,          /* D_DIRECT_8x8 */
146     0, 0, 0, 0  /* 8x8 .. 16x16 */
147 },
148 {
149     0, 0, 0, 0, /* D_L0_* */
150     1, 1, 1, 1, /* D_L1_* */
151     1, 1, 1, 1, /* D_BI_* */
152     0,          /* D_DIRECT_8x8 */
153     0, 0, 0, 0  /* 8x8 .. 16x16 */
154 }};
155 static const uint8_t x264_mb_partition_count_table[17] =
156 {
157     /* sub L0 */
158     4, 2, 2, 1,
159     /* sub L1 */
160     4, 2, 2, 1,
161     /* sub BI */
162     4, 2, 2, 1,
163     /* Direct */
164     1,
165     /* Partition */
166     4, 2, 2, 1
167 };
168 static const uint8_t x264_mb_partition_pixel_table[17] =
169 {
170     6, 4, 5, 3, 6, 4, 5, 3, 6, 4, 5, 3, 3, 3, 1, 2, 0
171 };
172
173 /* zigzags are transposed with respect to the tables in the standard */
174 static const uint8_t x264_zigzag_scan4[2][16] =
175 {{ // frame
176     0,  4,  1,  2,  5,  8, 12,  9,  6,  3,  7, 10, 13, 14, 11, 15
177 },
178 {  // field
179     0,  1,  4,  2,  3,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11, 12, 13, 14, 15
180 }};
181 static const uint8_t x264_zigzag_scan8[2][64] =
182 {{
183     0,  8,  1,  2,  9, 16, 24, 17, 10,  3,  4, 11, 18, 25, 32, 40,
184    33, 26, 19, 12,  5,  6, 13, 20, 27, 34, 41, 48, 56, 49, 42, 35,
185    28, 21, 14,  7, 15, 22, 29, 36, 43, 50, 57, 58, 51, 44, 37, 30,
186    23, 31, 38, 45, 52, 59, 60, 53, 46, 39, 47, 54, 61, 62, 55, 63
187 },
188 {
189     0,  1,  2,  8,  9,  3,  4, 10, 16, 11,  5,  6,  7, 12, 17, 24,
190    18, 13, 14, 15, 19, 25, 32, 26, 20, 21, 22, 23, 27, 33, 40, 34,
191    28, 29, 30, 31, 35, 41, 48, 42, 36, 37, 38, 39, 43, 49, 50, 44,
192    45, 46, 47, 51, 56, 57, 52, 53, 54, 55, 58, 59, 60, 61, 62, 63
193 }};
194
195 static const uint8_t block_idx_x[16] =
196 {
197     0, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 3, 0, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 3
198 };
199 static const uint8_t block_idx_y[16] =
200 {
201     0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 2, 2, 3, 3, 2, 2, 3, 3
202 };
203 static const uint8_t block_idx_xy[4][4] =
204 {
205     { 0, 2, 8,  10 },
206     { 1, 3, 9,  11 },
207     { 4, 6, 12, 14 },
208     { 5, 7, 13, 15 }
209 };
210 static const uint8_t block_idx_xy_1d[16] =
211 {
212     0, 1, 4, 5, 2, 3, 6, 7, 8, 9, 12, 13, 10, 11, 14, 15
213 };
214 static const uint8_t block_idx_yx_1d[16] =
215 {
216     0, 4, 1, 5, 8, 12, 9, 13, 2, 6, 3, 7, 10, 14, 11, 15
217 };
218 static const uint8_t block_idx_xy_fenc[16] =
219 {
220     0*4 + 0*4*FENC_STRIDE, 1*4 + 0*4*FENC_STRIDE,
221     0*4 + 1*4*FENC_STRIDE, 1*4 + 1*4*FENC_STRIDE,
222     2*4 + 0*4*FENC_STRIDE, 3*4 + 0*4*FENC_STRIDE,
223     2*4 + 1*4*FENC_STRIDE, 3*4 + 1*4*FENC_STRIDE,
224     0*4 + 2*4*FENC_STRIDE, 1*4 + 2*4*FENC_STRIDE,
225     0*4 + 3*4*FENC_STRIDE, 1*4 + 3*4*FENC_STRIDE,
226     2*4 + 2*4*FENC_STRIDE, 3*4 + 2*4*FENC_STRIDE,
227     2*4 + 3*4*FENC_STRIDE, 3*4 + 3*4*FENC_STRIDE
228 };
229 static const uint16_t block_idx_xy_fdec[16] =
230 {
231     0*4 + 0*4*FDEC_STRIDE, 1*4 + 0*4*FDEC_STRIDE,
232     0*4 + 1*4*FDEC_STRIDE, 1*4 + 1*4*FDEC_STRIDE,
233     2*4 + 0*4*FDEC_STRIDE, 3*4 + 0*4*FDEC_STRIDE,
234     2*4 + 1*4*FDEC_STRIDE, 3*4 + 1*4*FDEC_STRIDE,
235     0*4 + 2*4*FDEC_STRIDE, 1*4 + 2*4*FDEC_STRIDE,
236     0*4 + 3*4*FDEC_STRIDE, 1*4 + 3*4*FDEC_STRIDE,
237     2*4 + 2*4*FDEC_STRIDE, 3*4 + 2*4*FDEC_STRIDE,
238     2*4 + 3*4*FDEC_STRIDE, 3*4 + 3*4*FDEC_STRIDE
239 };
240
241 static const uint8_t i_chroma_qp_table[52+12*2] =
242 {
243      0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
244      0,  1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9,
245     10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19,
246     20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29,
247     29, 30, 31, 32, 32, 33, 34, 34, 35, 35,
248     36, 36, 37, 37, 37, 38, 38, 38, 39, 39,
249     39, 39,
250     39, 39, 39, 39, 39, 39, 39, 39, 39, 39, 39, 39,
251 };
252
253 enum cabac_ctx_block_cat_e
254 {
255     DCT_LUMA_DC   = 0,
256     DCT_LUMA_AC   = 1,
257     DCT_LUMA_4x4  = 2,
258     DCT_CHROMA_DC = 3,
259     DCT_CHROMA_AC = 4,
260     DCT_LUMA_8x8  = 5,
261 };
262
263
264 int  x264_macroblock_cache_init( x264_t *h );
265 void x264_macroblock_slice_init( x264_t *h );
266 void x264_macroblock_cache_load( x264_t *h, int i_mb_x, int i_mb_y );
267 void x264_macroblock_cache_save( x264_t *h );
268 void x264_macroblock_cache_end( x264_t *h );
269
270 void x264_macroblock_bipred_init( x264_t *h );
271
272 void x264_prefetch_fenc( x264_t *h, x264_frame_t *fenc, int i_mb_x, int i_mb_y );
273
274 /* x264_mb_predict_mv_16x16:
275  *      set mvp with predicted mv for D_16x16 block
276  *      h->mb. need only valid values from other blocks */
277 void x264_mb_predict_mv_16x16( x264_t *h, int i_list, int i_ref, int16_t mvp[2] );
278 /* x264_mb_predict_mv_pskip:
279  *      set mvp with predicted mv for P_SKIP
280  *      h->mb. need only valid values from other blocks */
281 void x264_mb_predict_mv_pskip( x264_t *h, int16_t mv[2] );
282 /* x264_mb_predict_mv:
283  *      set mvp with predicted mv for all blocks except SKIP and DIRECT
284  *      h->mb. need valid ref/partition/sub of current block to be valid
285  *      and valid mv/ref from other blocks. */
286 void x264_mb_predict_mv( x264_t *h, int i_list, int idx, int i_width, int16_t mvp[2] );
287 /* x264_mb_predict_mv_direct16x16:
288  *      set h->mb.cache.mv and h->mb.cache.ref for B_SKIP or B_DIRECT
289  *      h->mb. need only valid values from other blocks.
290  *      return 1 on success, 0 on failure.
291  *      if b_changed != NULL, set it to whether refs or mvs differ from
292  *      before this functioncall. */
293 int x264_mb_predict_mv_direct16x16( x264_t *h, int *b_changed );
294 /* x264_mb_load_mv_direct8x8:
295  *      set h->mb.cache.mv and h->mb.cache.ref for B_DIRECT
296  *      must be called only after x264_mb_predict_mv_direct16x16 */
297 void x264_mb_load_mv_direct8x8( x264_t *h, int idx );
298 /* x264_mb_predict_mv_ref16x16:
299  *      set mvc with D_16x16 prediction.
300  *      uses all neighbors, even those that didn't end up using this ref.
301  *      h->mb. need only valid values from other blocks */
302 void x264_mb_predict_mv_ref16x16( x264_t *h, int i_list, int i_ref, int16_t mvc[8][2], int *i_mvc );
303
304 void x264_mb_mc( x264_t *h );
305 void x264_mb_mc_8x8( x264_t *h, int i8 );
306
307 static ALWAYS_INLINE uint32_t pack16to32( int a, int b )
308 {
309 #ifdef WORDS_BIGENDIAN
310    return b + (a<<16);
311 #else
312    return a + (b<<16);
313 #endif
314 }
315 static ALWAYS_INLINE uint32_t pack8to16( int a, int b )
316 {
317 #ifdef WORDS_BIGENDIAN
318    return b + (a<<8);
319 #else
320    return a + (b<<8);
321 #endif
322 }
323 static ALWAYS_INLINE uint32_t pack8to32( int a, int b, int c, int d )
324 {
325 #ifdef WORDS_BIGENDIAN
326    return d + (c<<8) + (b<<16) + (a<<24);
327 #else
328    return a + (b<<8) + (c<<16) + (d<<24);
329 #endif
330 }
331 static ALWAYS_INLINE uint32_t pack16to32_mask( int a, int b )
332 {
333 #ifdef WORDS_BIGENDIAN
334    return (b&0xFFFF) + (a<<16);
335 #else
336    return (a&0xFFFF) + (b<<16);
337 #endif
338 }
339 static ALWAYS_INLINE void x264_macroblock_cache_rect1( void *dst, int width, int height, uint8_t val )
340 {
341     if( width == 4 )
342     {
343         uint32_t val2 = val * 0x01010101;
344                           ((uint32_t*)dst)[0] = val2;
345         if( height >= 2 ) ((uint32_t*)dst)[2] = val2;
346         if( height == 4 ) ((uint32_t*)dst)[4] = val2;
347         if( height == 4 ) ((uint32_t*)dst)[6] = val2;
348     }
349     else // 2
350     {
351         uint32_t val2 = val * 0x0101;
352                           ((uint16_t*)dst)[ 0] = val2;
353         if( height >= 2 ) ((uint16_t*)dst)[ 4] = val2;
354         if( height == 4 ) ((uint16_t*)dst)[ 8] = val2;
355         if( height == 4 ) ((uint16_t*)dst)[12] = val2;
356     }
357 }
358 static ALWAYS_INLINE void x264_macroblock_cache_rect4( void *dst, int width, int height, uint32_t val )
359 {
360     int dy;
361     if( width == 1 || WORD_SIZE < 8 )
362     {
363         for( dy = 0; dy < height; dy++ )
364         {
365                              ((uint32_t*)dst)[8*dy+0] = val;
366             if( width >= 2 ) ((uint32_t*)dst)[8*dy+1] = val;
367             if( width == 4 ) ((uint32_t*)dst)[8*dy+2] = val;
368             if( width == 4 ) ((uint32_t*)dst)[8*dy+3] = val;
369         }
370     }
371     else
372     {
373         uint64_t val64 = val + ((uint64_t)val<<32);
374         for( dy = 0; dy < height; dy++ )
375         {
376                              ((uint64_t*)dst)[4*dy+0] = val64;
377             if( width == 4 ) ((uint64_t*)dst)[4*dy+1] = val64;
378         }
379     }
380 }
381 #define x264_macroblock_cache_mv_ptr(a,x,y,w,h,l,mv) x264_macroblock_cache_mv(a,x,y,w,h,l,*(uint32_t*)mv)
382 static ALWAYS_INLINE void x264_macroblock_cache_mv( x264_t *h, int x, int y, int width, int height, int i_list, uint32_t mv )
383 {
384     x264_macroblock_cache_rect4( &h->mb.cache.mv[i_list][X264_SCAN8_0+x+8*y], width, height, mv );
385 }
386 static ALWAYS_INLINE void x264_macroblock_cache_mvd( x264_t *h, int x, int y, int width, int height, int i_list, uint32_t mv )
387 {
388     x264_macroblock_cache_rect4( &h->mb.cache.mvd[i_list][X264_SCAN8_0+x+8*y], width, height, mv );
389 }
390 static ALWAYS_INLINE void x264_macroblock_cache_ref( x264_t *h, int x, int y, int width, int height, int i_list, uint8_t ref )
391 {
392     x264_macroblock_cache_rect1( &h->mb.cache.ref[i_list][X264_SCAN8_0+x+8*y], width, height, ref );
393 }
394 static ALWAYS_INLINE void x264_macroblock_cache_skip( x264_t *h, int x, int y, int width, int height, int b_skip )
395 {
396     x264_macroblock_cache_rect1( &h->mb.cache.skip[X264_SCAN8_0+x+8*y], width, height, b_skip );
397 }
398 static ALWAYS_INLINE void x264_macroblock_cache_intra8x8_pred( x264_t *h, int x, int y, int i_mode )
399 {
400     int8_t *cache = &h->mb.cache.intra4x4_pred_mode[X264_SCAN8_0+x+8*y];
401     cache[0] = cache[1] = cache[8] = cache[9] = i_mode;
402 }
403 #define array_non_zero(a) array_non_zero_int(a, sizeof(a))
404 #define array_non_zero_int array_non_zero_int_c
405 static ALWAYS_INLINE int array_non_zero_int_c( void *v, int i_count )
406 {
407     uint64_t *x = v;
408     if(i_count == 8)
409         return !!x[0];
410     else if(i_count == 16)
411         return !!(x[0]|x[1]);
412     else if(i_count == 32)
413         return !!(x[0]|x[1]|x[2]|x[3]);
414     else
415     {
416         int i;
417         i_count /= sizeof(uint64_t);
418         for( i = 0; i < i_count; i++ )
419             if( x[i] ) return 1;
420         return 0;
421     }
422 }
423 static inline int x264_mb_predict_intra4x4_mode( x264_t *h, int idx )
424 {
425     const int ma = h->mb.cache.intra4x4_pred_mode[x264_scan8[idx] - 1];
426     const int mb = h->mb.cache.intra4x4_pred_mode[x264_scan8[idx] - 8];
427     const int m  = X264_MIN( x264_mb_pred_mode4x4_fix(ma),
428                              x264_mb_pred_mode4x4_fix(mb) );
429
430     if( m < 0 )
431         return I_PRED_4x4_DC;
432
433     return m;
434 }
435 static inline int x264_mb_predict_non_zero_code( x264_t *h, int idx )
436 {
437     const int za = h->mb.cache.non_zero_count[x264_scan8[idx] - 1];
438     const int zb = h->mb.cache.non_zero_count[x264_scan8[idx] - 8];
439
440     int i_ret = za + zb;
441
442     if( i_ret < 0x80 )
443     {
444         i_ret = ( i_ret + 1 ) >> 1;
445     }
446     return i_ret & 0x7f;
447 }
448 /* x264_mb_transform_8x8_allowed:
449  *      check whether any partition is smaller than 8x8 (or at least
450  *      might be, according to just partition type.)
451  *      doesn't check for cbp */
452 static inline int x264_mb_transform_8x8_allowed( x264_t *h )
453 {
454     // intra and skip are disallowed
455     // large partitions are allowed
456     // direct and 8x8 are conditional
457     static const uint8_t partition_tab[X264_MBTYPE_MAX] = {
458         0,0,0,0,1,2,0,2,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,0,
459     };
460     int p, i;
461
462     if( !h->pps->b_transform_8x8_mode )
463         return 0;
464     p = partition_tab[h->mb.i_type];
465     if( p < 2 )
466         return p;
467     else if( h->mb.i_type == B_DIRECT )
468         return h->sps->b_direct8x8_inference;
469     else if( h->mb.i_type == P_8x8 )
470     {
471         if( !(h->param.analyse.inter & X264_ANALYSE_PSUB8x8) )
472             return 1;
473         for( i=0; i<4; i++ )
474             if( h->mb.i_sub_partition[i] != D_L0_8x8 )
475                 return 0;
476         return 1;
477     }
478     else // B_8x8
479     {
480         // x264 currently doesn't use sub-8x8 B partitions, so don't check for them
481         if( h->sps->b_direct8x8_inference )
482             return 1;
483         for( i=0; i<4; i++ )
484             if( h->mb.i_sub_partition[i] == D_DIRECT_8x8 )
485                 return 0;
486         return 1;
487     }
488 }
489
490 #endif
491