Support for 9 and 10-bit encoding
[x262.git] / common / mc.c
1 /*****************************************************************************
2  * mc.c: h264 encoder library (Motion Compensation)
3  *****************************************************************************
4  * Copyright (C) 2003-2008 x264 project
5  *
6  * Authors: Laurent Aimar <fenrir@via.ecp.fr>
7  *          Loren Merritt <lorenm@u.washington.edu>
8  *
9  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
10  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
11  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
12  * (at your option) any later version.
13  *
14  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
17  * GNU General Public License for more details.
18  *
19  * You should have received a copy of the GNU General Public License
20  * along with this program; if not, write to the Free Software
21  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02111, USA.
22  *****************************************************************************/
23
24 #include "common.h"
25
26 #if HAVE_MMX
27 #include "x86/mc.h"
28 #endif
29 #if ARCH_PPC
30 #include "ppc/mc.h"
31 #endif
32 #if ARCH_ARM
33 #include "arm/mc.h"
34 #endif
35
36
37 static inline void pixel_avg( pixel *dst,  int i_dst_stride,
38                               pixel *src1, int i_src1_stride,
39                               pixel *src2, int i_src2_stride,
40                               int i_width, int i_height )
41 {
42     for( int y = 0; y < i_height; y++ )
43     {
44         for( int x = 0; x < i_width; x++ )
45             dst[x] = ( src1[x] + src2[x] + 1 ) >> 1;
46         dst  += i_dst_stride;
47         src1 += i_src1_stride;
48         src2 += i_src2_stride;
49     }
50 }
51
52 static inline void pixel_avg_wxh( pixel *dst, int i_dst, pixel *src1, int i_src1, pixel *src2, int i_src2, int width, int height )
53 {
54     for( int y = 0; y < height; y++ )
55     {
56         for( int x = 0; x < width; x++ )
57             dst[x] = ( src1[x] + src2[x] + 1 ) >> 1;
58         src1 += i_src1;
59         src2 += i_src2;
60         dst += i_dst;
61     }
62 }
63
64 /* Implicit weighted bipred only:
65  * assumes log2_denom = 5, offset = 0, weight1 + weight2 = 64 */
66 #define op_scale2(x) dst[x] = x264_clip_pixel( (src1[x]*i_weight1 + src2[x]*i_weight2 + (1<<5)) >> 6 )
67 static inline void pixel_avg_weight_wxh( pixel *dst, int i_dst, pixel *src1, int i_src1, pixel *src2, int i_src2, int width, int height, int i_weight1 )
68 {
69     const int i_weight2 = 64 - i_weight1;
70     for( int y = 0; y<height; y++, dst += i_dst, src1 += i_src1, src2 += i_src2 )
71     {
72         op_scale2(0);
73         op_scale2(1);
74         if(width==2) continue;
75         op_scale2(2);
76         op_scale2(3);
77         if(width==4) continue;
78         op_scale2(4);
79         op_scale2(5);
80         op_scale2(6);
81         op_scale2(7);
82         if(width==8) continue;
83         op_scale2(8);
84         op_scale2(9);
85         op_scale2(10);
86         op_scale2(11);
87         op_scale2(12);
88         op_scale2(13);
89         op_scale2(14);
90         op_scale2(15);
91     }
92 }
93 #undef op_scale2
94
95 #define PIXEL_AVG_C( name, width, height ) \
96 static void name( pixel *pix1, int i_stride_pix1, \
97                   pixel *pix2, int i_stride_pix2, \
98                   pixel *pix3, int i_stride_pix3, int weight ) \
99 { \
100     if( weight == 32 ) \
101         pixel_avg_wxh( pix1, i_stride_pix1, pix2, i_stride_pix2, pix3, i_stride_pix3, width, height ); \
102     else \
103         pixel_avg_weight_wxh( pix1, i_stride_pix1, pix2, i_stride_pix2, pix3, i_stride_pix3, width, height, weight ); \
104 }
105 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_16x16, 16, 16 )
106 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_16x8,  16, 8 )
107 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_8x16,  8, 16 )
108 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_8x8,   8, 8 )
109 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_8x4,   8, 4 )
110 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_4x8,   4, 8 )
111 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_4x4,   4, 4 )
112 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_4x2,   4, 2 )
113 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_2x4,   2, 4 )
114 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_2x2,   2, 2 )
115
116 static void x264_weight_cache( x264_t *h, x264_weight_t *w )
117 {
118     w->weightfn = h->mc.weight;
119 }
120 #define opscale(x) dst[x] = x264_clip_pixel( ((src[x] * scale + (1<<(denom - 1))) >> denom) + offset )
121 #define opscale_noden(x) dst[x] = x264_clip_pixel( src[x] * scale + offset )
122 static void mc_weight( pixel *dst, int i_dst_stride, pixel *src, int i_src_stride, const x264_weight_t *weight, int i_width, int i_height )
123 {
124     int offset = weight->i_offset << (BIT_DEPTH-8);
125     int scale = weight->i_scale;
126     int denom = weight->i_denom;
127     if( denom >= 1 )
128     {
129         for( int y = 0; y < i_height; y++, dst += i_dst_stride, src += i_src_stride )
130             for( int x = 0; x < i_width; x++ )
131                 opscale( x );
132     }
133     else
134     {
135         for( int y = 0; y < i_height; y++, dst += i_dst_stride, src += i_src_stride )
136             for( int x = 0; x < i_width; x++ )
137                 opscale_noden( x );
138     }
139 }
140
141 #define MC_WEIGHT_C( name, width ) \
142     static void name( pixel *dst, int i_dst_stride, pixel *src, int i_src_stride, const x264_weight_t *weight, int height ) \
143 { \
144     mc_weight( dst, i_dst_stride, src, i_src_stride, weight, width, height );\
145 }
146
147 MC_WEIGHT_C( mc_weight_w20, 20 )
148 MC_WEIGHT_C( mc_weight_w16, 16 )
149 MC_WEIGHT_C( mc_weight_w12, 12 )
150 MC_WEIGHT_C( mc_weight_w8,   8 )
151 MC_WEIGHT_C( mc_weight_w4,   4 )
152 MC_WEIGHT_C( mc_weight_w2,   2 )
153
154 static weight_fn_t x264_mc_weight_wtab[6] =
155 {
156     mc_weight_w2,
157     mc_weight_w4,
158     mc_weight_w8,
159     mc_weight_w12,
160     mc_weight_w16,
161     mc_weight_w20,
162 };
163 const x264_weight_t weight_none[3] = { {{0}} };
164 static void mc_copy( pixel *src, int i_src_stride, pixel *dst, int i_dst_stride, int i_width, int i_height )
165 {
166     for( int y = 0; y < i_height; y++ )
167     {
168         memcpy( dst, src, i_width * sizeof(pixel) );
169
170         src += i_src_stride;
171         dst += i_dst_stride;
172     }
173 }
174
175 #define TAPFILTER(pix, d) ((pix)[x-2*d] + (pix)[x+3*d] - 5*((pix)[x-d] + (pix)[x+2*d]) + 20*((pix)[x] + (pix)[x+d]))
176 static void hpel_filter( pixel *dsth, pixel *dstv, pixel *dstc, pixel *src,
177                          int stride, int width, int height, dctcoef *buf )
178 {
179     for( int y = 0; y < height; y++ )
180     {
181         for( int x = -2; x < width+3; x++ )
182         {
183             int v = TAPFILTER(src,stride);
184             dstv[x] = x264_clip_pixel( (v + 16) >> 5 );
185             buf[x+2] = v;
186         }
187         for( int x = 0; x < width; x++ )
188             dstc[x] = x264_clip_pixel( (TAPFILTER(buf+2,1) + 512) >> 10 );
189         for( int x = 0; x < width; x++ )
190             dsth[x] = x264_clip_pixel( (TAPFILTER(src,1) + 16) >> 5 );
191         dsth += stride;
192         dstv += stride;
193         dstc += stride;
194         src += stride;
195     }
196 }
197
198 static const uint8_t hpel_ref0[16] = {0,1,1,1,0,1,1,1,2,3,3,3,0,1,1,1};
199 static const uint8_t hpel_ref1[16] = {0,0,0,0,2,2,3,2,2,2,3,2,2,2,3,2};
200
201 static void mc_luma( pixel *dst,    int i_dst_stride,
202                      pixel *src[4], int i_src_stride,
203                      int mvx, int mvy,
204                      int i_width, int i_height, const x264_weight_t *weight )
205 {
206     int qpel_idx = ((mvy&3)<<2) + (mvx&3);
207     int offset = (mvy>>2)*i_src_stride + (mvx>>2);
208     pixel *src1 = src[hpel_ref0[qpel_idx]] + offset + ((mvy&3) == 3) * i_src_stride;
209
210     if( qpel_idx & 5 ) /* qpel interpolation needed */
211     {
212         pixel *src2 = src[hpel_ref1[qpel_idx]] + offset + ((mvx&3) == 3);
213         pixel_avg( dst, i_dst_stride, src1, i_src_stride,
214                    src2, i_src_stride, i_width, i_height );
215         if( weight->weightfn )
216             mc_weight( dst, i_dst_stride, dst, i_dst_stride, weight, i_width, i_height );
217     }
218     else if( weight->weightfn )
219         mc_weight( dst, i_dst_stride, src1, i_src_stride, weight, i_width, i_height );
220     else
221         mc_copy( src1, i_src_stride, dst, i_dst_stride, i_width, i_height );
222 }
223
224 static pixel *get_ref( pixel *dst,   int *i_dst_stride,
225                        pixel *src[4], int i_src_stride,
226                        int mvx, int mvy,
227                        int i_width, int i_height, const x264_weight_t *weight )
228 {
229     int qpel_idx = ((mvy&3)<<2) + (mvx&3);
230     int offset = (mvy>>2)*i_src_stride + (mvx>>2);
231     pixel *src1 = src[hpel_ref0[qpel_idx]] + offset + ((mvy&3) == 3) * i_src_stride;
232
233     if( qpel_idx & 5 ) /* qpel interpolation needed */
234     {
235         pixel *src2 = src[hpel_ref1[qpel_idx]] + offset + ((mvx&3) == 3);
236         pixel_avg( dst, *i_dst_stride, src1, i_src_stride,
237                    src2, i_src_stride, i_width, i_height );
238         if( weight->weightfn )
239             mc_weight( dst, *i_dst_stride, dst, *i_dst_stride, weight, i_width, i_height );
240         return dst;
241     }
242     else if( weight->weightfn )
243     {
244         mc_weight( dst, *i_dst_stride, src1, i_src_stride, weight, i_width, i_height );
245         return dst;
246     }
247     else
248     {
249         *i_dst_stride = i_src_stride;
250         return src1;
251     }
252 }
253
254 /* full chroma mc (ie until 1/8 pixel)*/
255 static void mc_chroma( pixel *dst, int i_dst_stride,
256                        pixel *src, int i_src_stride,
257                        int mvx, int mvy,
258                        int i_width, int i_height )
259 {
260     pixel *srcp;
261
262     int d8x = mvx&0x07;
263     int d8y = mvy&0x07;
264     int cA = (8-d8x)*(8-d8y);
265     int cB = d8x    *(8-d8y);
266     int cC = (8-d8x)*d8y;
267     int cD = d8x    *d8y;
268
269     src += (mvy >> 3) * i_src_stride + (mvx >> 3);
270     srcp = &src[i_src_stride];
271
272     for( int y = 0; y < i_height; y++ )
273     {
274         for( int x = 0; x < i_width; x++ )
275             dst[x] = ( cA*src[x]  + cB*src[x+1] + cC*srcp[x] + cD*srcp[x+1] + 32 ) >> 6;
276         dst  += i_dst_stride;
277         src   = srcp;
278         srcp += i_src_stride;
279     }
280 }
281
282 #define MC_COPY(W) \
283 static void mc_copy_w##W( pixel *dst, int i_dst, pixel *src, int i_src, int i_height ) \
284 { \
285     mc_copy( src, i_src, dst, i_dst, W, i_height ); \
286 }
287 MC_COPY( 16 )
288 MC_COPY( 8 )
289 MC_COPY( 4 )
290
291 void x264_plane_copy_c( pixel *dst, int i_dst,
292                         uint8_t *src, int i_src, int w, int h)
293 {
294     while( h-- )
295     {
296 #if X264_HIGH_BIT_DEPTH
297         for( int i = 0; i < w; i++ )
298             dst[i] = src[i] << (BIT_DEPTH-8);
299 #else
300         memcpy( dst, src, w );
301 #endif
302         dst += i_dst;
303         src += i_src;
304     }
305 }
306
307 static void prefetch_fenc_null( pixel *pix_y, int stride_y,
308                                 pixel *pix_uv, int stride_uv, int mb_x )
309 {}
310
311 static void prefetch_ref_null( pixel *pix, int stride, int parity )
312 {}
313
314 static void memzero_aligned( void * dst, int n )
315 {
316     memset( dst, 0, n );
317 }
318
319 static void integral_init4h( uint16_t *sum, pixel *pix, int stride )
320 {
321     int v = pix[0]+pix[1]+pix[2]+pix[3];
322     for( int x = 0; x < stride-4; x++ )
323     {
324         sum[x] = v + sum[x-stride];
325         v += pix[x+4] - pix[x];
326     }
327 }
328
329 static void integral_init8h( uint16_t *sum, pixel *pix, int stride )
330 {
331     int v = pix[0]+pix[1]+pix[2]+pix[3]+pix[4]+pix[5]+pix[6]+pix[7];
332     for( int x = 0; x < stride-8; x++ )
333     {
334         sum[x] = v + sum[x-stride];
335         v += pix[x+8] - pix[x];
336     }
337 }
338
339 static void integral_init4v( uint16_t *sum8, uint16_t *sum4, int stride )
340 {
341     for( int x = 0; x < stride-8; x++ )
342         sum4[x] = sum8[x+4*stride] - sum8[x];
343     for( int x = 0; x < stride-8; x++ )
344         sum8[x] = sum8[x+8*stride] + sum8[x+8*stride+4] - sum8[x] - sum8[x+4];
345 }
346
347 static void integral_init8v( uint16_t *sum8, int stride )
348 {
349     for( int x = 0; x < stride-8; x++ )
350         sum8[x] = sum8[x+8*stride] - sum8[x];
351 }
352
353 void x264_frame_init_lowres( x264_t *h, x264_frame_t *frame )
354 {
355     pixel *src = frame->plane[0];
356     int i_stride = frame->i_stride[0];
357     int i_height = frame->i_lines[0];
358     int i_width  = frame->i_width[0];
359
360     // duplicate last row and column so that their interpolation doesn't have to be special-cased
361     for( int y = 0; y < i_height; y++ )
362         src[i_width+y*i_stride] = src[i_width-1+y*i_stride];
363     memcpy( src+i_stride*i_height, src+i_stride*(i_height-1), (i_width+1) * sizeof(pixel) );
364     h->mc.frame_init_lowres_core( src, frame->lowres[0], frame->lowres[1], frame->lowres[2], frame->lowres[3],
365                                   i_stride, frame->i_stride_lowres, frame->i_width_lowres, frame->i_lines_lowres );
366     x264_frame_expand_border_lowres( frame );
367
368     memset( frame->i_cost_est, -1, sizeof(frame->i_cost_est) );
369
370     for( int y = 0; y < h->param.i_bframe + 2; y++ )
371         for( int x = 0; x < h->param.i_bframe + 2; x++ )
372             frame->i_row_satds[y][x][0] = -1;
373
374     for( int y = 0; y <= !!h->param.i_bframe; y++ )
375         for( int x = 0; x <= h->param.i_bframe; x++ )
376             frame->lowres_mvs[y][x][0][0] = 0x7FFF;
377 }
378
379 static void frame_init_lowres_core( pixel *src0, pixel *dst0, pixel *dsth, pixel *dstv, pixel *dstc,
380                                     int src_stride, int dst_stride, int width, int height )
381 {
382     for( int y = 0; y < height; y++ )
383     {
384         pixel *src1 = src0+src_stride;
385         pixel *src2 = src1+src_stride;
386         for( int x = 0; x<width; x++ )
387         {
388             // slower than naive bilinear, but matches asm
389 #define FILTER(a,b,c,d) ((((a+b+1)>>1)+((c+d+1)>>1)+1)>>1)
390             dst0[x] = FILTER(src0[2*x  ], src1[2*x  ], src0[2*x+1], src1[2*x+1]);
391             dsth[x] = FILTER(src0[2*x+1], src1[2*x+1], src0[2*x+2], src1[2*x+2]);
392             dstv[x] = FILTER(src1[2*x  ], src2[2*x  ], src1[2*x+1], src2[2*x+1]);
393             dstc[x] = FILTER(src1[2*x+1], src2[2*x+1], src1[2*x+2], src2[2*x+2]);
394 #undef FILTER
395         }
396         src0 += src_stride*2;
397         dst0 += dst_stride;
398         dsth += dst_stride;
399         dstv += dst_stride;
400         dstc += dst_stride;
401     }
402 }
403
404 #if defined(__GNUC__) && (ARCH_X86 || ARCH_X86_64)
405 // gcc isn't smart enough to use the "idiv" instruction
406 static ALWAYS_INLINE int32_t div_64_32(int64_t x, int32_t y)
407 {
408     int32_t quotient, remainder;
409     asm("idiv %4"
410         :"=a"(quotient), "=d"(remainder)
411         :"a"((uint32_t)x), "d"((int32_t)(x>>32)), "r"(y)
412     );
413     return quotient;
414 }
415 #else
416 #define div_64_32(x,y) ((x)/(y))
417 #endif
418
419 /* Estimate the total amount of influence on future quality that could be had if we
420  * were to improve the reference samples used to inter predict any given macroblock. */
421 static void mbtree_propagate_cost( int *dst, uint16_t *propagate_in, uint16_t *intra_costs,
422                                    uint16_t *inter_costs, uint16_t *inv_qscales, int len )
423 {
424     for( int i = 0; i < len; i++ )
425     {
426         int propagate_amount = propagate_in[i] + ((intra_costs[i] * inv_qscales[i] + 128)>>8);
427         dst[i] = div_64_32((int64_t)propagate_amount * (intra_costs[i] - (inter_costs[i] & LOWRES_COST_MASK)), intra_costs[i]);
428     }
429 }
430
431 void x264_mc_init( int cpu, x264_mc_functions_t *pf )
432 {
433     pf->mc_luma   = mc_luma;
434     pf->get_ref   = get_ref;
435     pf->mc_chroma = mc_chroma;
436
437     pf->avg[PIXEL_16x16]= pixel_avg_16x16;
438     pf->avg[PIXEL_16x8] = pixel_avg_16x8;
439     pf->avg[PIXEL_8x16] = pixel_avg_8x16;
440     pf->avg[PIXEL_8x8]  = pixel_avg_8x8;
441     pf->avg[PIXEL_8x4]  = pixel_avg_8x4;
442     pf->avg[PIXEL_4x8]  = pixel_avg_4x8;
443     pf->avg[PIXEL_4x4]  = pixel_avg_4x4;
444     pf->avg[PIXEL_4x2]  = pixel_avg_4x2;
445     pf->avg[PIXEL_2x4]  = pixel_avg_2x4;
446     pf->avg[PIXEL_2x2]  = pixel_avg_2x2;
447
448     pf->weight    = x264_mc_weight_wtab;
449     pf->offsetadd = x264_mc_weight_wtab;
450     pf->offsetsub = x264_mc_weight_wtab;
451     pf->weight_cache = x264_weight_cache;
452
453     pf->copy_16x16_unaligned = mc_copy_w16;
454     pf->copy[PIXEL_16x16] = mc_copy_w16;
455     pf->copy[PIXEL_8x8]   = mc_copy_w8;
456     pf->copy[PIXEL_4x4]   = mc_copy_w4;
457
458     pf->plane_copy = x264_plane_copy_c;
459     pf->hpel_filter = hpel_filter;
460
461     pf->prefetch_fenc = prefetch_fenc_null;
462     pf->prefetch_ref  = prefetch_ref_null;
463     pf->memcpy_aligned = memcpy;
464     pf->memzero_aligned = memzero_aligned;
465     pf->frame_init_lowres_core = frame_init_lowres_core;
466
467     pf->integral_init4h = integral_init4h;
468     pf->integral_init8h = integral_init8h;
469     pf->integral_init4v = integral_init4v;
470     pf->integral_init8v = integral_init8v;
471
472     pf->mbtree_propagate_cost = mbtree_propagate_cost;
473
474 #if HAVE_MMX
475     x264_mc_init_mmx( cpu, pf );
476 #endif
477 #if HAVE_ALTIVEC
478     if( cpu&X264_CPU_ALTIVEC )
479         x264_mc_altivec_init( pf );
480 #endif
481 #if HAVE_ARMV6
482     x264_mc_init_arm( cpu, pf );
483 #endif
484 }
485
486 void x264_frame_filter( x264_t *h, x264_frame_t *frame, int mb_y, int b_end )
487 {
488     const int b_interlaced = h->sh.b_mbaff;
489     const int stride = frame->i_stride[0] << b_interlaced;
490     const int width = frame->i_width[0];
491     int start = (mb_y*16 >> b_interlaced) - 8; // buffer = 4 for deblock + 3 for 6tap, rounded to 8
492     int height = ((b_end ? frame->i_lines[0] : mb_y*16) >> b_interlaced) + 8;
493     int offs = start*stride - 8; // buffer = 3 for 6tap, aligned to 8 for simd
494
495     if( mb_y & b_interlaced )
496         return;
497
498     for( int y = 0; y <= b_interlaced; y++, offs += frame->i_stride[0] )
499     {
500         h->mc.hpel_filter(
501             frame->filtered[1] + offs,
502             frame->filtered[2] + offs,
503             frame->filtered[3] + offs,
504             frame->plane[0] + offs,
505             stride, width + 16, height - start,
506             h->scratch_buffer );
507     }
508
509     /* generate integral image:
510      * frame->integral contains 2 planes. in the upper plane, each element is
511      * the sum of an 8x8 pixel region with top-left corner on that point.
512      * in the lower plane, 4x4 sums (needed only with --partitions p4x4). */
513
514     if( frame->integral )
515     {
516         if( start < 0 )
517         {
518             memset( frame->integral - PADV * stride - PADH, 0, stride * sizeof(uint16_t) );
519             start = -PADV;
520         }
521         if( b_end )
522             height += PADV-9;
523         for( int y = start; y < height; y++ )
524         {
525             pixel    *pix  = frame->plane[0] + y * stride - PADH;
526             uint16_t *sum8 = frame->integral + (y+1) * stride - PADH;
527             uint16_t *sum4;
528             if( h->frames.b_have_sub8x8_esa )
529             {
530                 h->mc.integral_init4h( sum8, pix, stride );
531                 sum8 -= 8*stride;
532                 sum4 = sum8 + stride * (frame->i_lines[0] + PADV*2);
533                 if( y >= 8-PADV )
534                     h->mc.integral_init4v( sum8, sum4, stride );
535             }
536             else
537             {
538                 h->mc.integral_init8h( sum8, pix, stride );
539                 if( y >= 8-PADV )
540                     h->mc.integral_init8v( sum8-8*stride, stride );
541             }
542         }
543     }
544 }