Successive elimination motion search: same as exhaustive search, but 2-3x faster.
[x262.git] / common / mc.c
1 /*****************************************************************************
2  * mc.c: h264 encoder library (Motion Compensation)
3  *****************************************************************************
4  * Copyright (C) 2003 Laurent Aimar
5  * $Id: mc.c,v 1.1 2004/06/03 19:27:07 fenrir Exp $
6  *
7  * Authors: Laurent Aimar <fenrir@via.ecp.fr>
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., 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA  02111, USA.
22  *****************************************************************************/
23
24 #ifdef HAVE_STDINT_H
25 #include <stdint.h>
26 #else
27 #include <inttypes.h>
28 #endif
29 #include <stdlib.h>
30 #include <stdio.h>
31 #include <string.h>
32 #include <stdarg.h>
33
34 #include "x264.h"
35
36 #include "pixel.h"
37 #include "mc.h"
38 #include "clip1.h"
39 #include "frame.h"
40
41 #ifdef HAVE_MMXEXT
42 #include "i386/mc.h"
43 #endif
44 #ifdef ARCH_PPC
45 #include "ppc/mc.h"
46 #endif
47
48
49 static inline int x264_tapfilter( uint8_t *pix, int i_pix_next )
50 {
51     return pix[-2*i_pix_next] - 5*pix[-1*i_pix_next] + 20*(pix[0] + pix[1*i_pix_next]) - 5*pix[ 2*i_pix_next] + pix[ 3*i_pix_next];
52 }
53 static inline int x264_tapfilter1( uint8_t *pix )
54 {
55     return pix[-2] - 5*pix[-1] + 20*(pix[0] + pix[1]) - 5*pix[ 2] + pix[ 3];
56 }
57
58 static inline void pixel_avg( uint8_t *dst,  int i_dst_stride,
59                               uint8_t *src1, int i_src1_stride,
60                               uint8_t *src2, int i_src2_stride,
61                               int i_width, int i_height )
62 {
63     int x, y;
64     for( y = 0; y < i_height; y++ )
65     {
66         for( x = 0; x < i_width; x++ )
67         {
68             dst[x] = ( src1[x] + src2[x] + 1 ) >> 1;
69         }
70         dst  += i_dst_stride;
71         src1 += i_src1_stride;
72         src2 += i_src2_stride;
73     }
74 }
75
76 static inline void pixel_avg_wxh( uint8_t *dst, int i_dst, uint8_t *src, int i_src, int width, int height )
77 {
78     int x, y;
79     for( y = 0; y < height; y++ )
80     {
81         for( x = 0; x < width; x++ )
82         {
83             dst[x] = ( dst[x] + src[x] + 1 ) >> 1;
84         }
85         dst += i_dst;
86         src += i_src;
87     }
88 }
89
90 #define PIXEL_AVG_C( name, width, height ) \
91 static void name( uint8_t *pix1, int i_stride_pix1, \
92                   uint8_t *pix2, int i_stride_pix2 ) \
93 { \
94     pixel_avg_wxh( pix1, i_stride_pix1, pix2, i_stride_pix2, width, height ); \
95 }
96 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_16x16, 16, 16 )
97 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_16x8,  16, 8 )
98 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_8x16,  8, 16 )
99 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_8x8,   8, 8 )
100 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_8x4,   8, 4 )
101 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_4x8,   4, 8 )
102 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_4x4,   4, 4 )
103 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_4x2,   4, 2 )
104 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_2x4,   2, 4 )
105 PIXEL_AVG_C( pixel_avg_2x2,   2, 2 )
106
107
108 /* Implicit weighted bipred only:
109  * assumes log2_denom = 5, offset = 0, weight1 + weight2 = 64 */
110 #define op_scale2(x) dst[x] = x264_clip_uint8( (dst[x]*i_weight1 + src[x]*i_weight2 + (1<<5)) >> 6 )
111 static inline void pixel_avg_weight_wxh( uint8_t *dst, int i_dst, uint8_t *src, int i_src, int width, int height, int i_weight1 ){
112     int y;
113     const int i_weight2 = 64 - i_weight1;
114     for(y=0; y<height; y++, dst += i_dst, src += i_src){
115         op_scale2(0);
116         op_scale2(1);
117         if(width==2) continue;
118         op_scale2(2);
119         op_scale2(3);
120         if(width==4) continue;
121         op_scale2(4);
122         op_scale2(5);
123         op_scale2(6);
124         op_scale2(7);
125         if(width==8) continue;
126         op_scale2(8);
127         op_scale2(9);
128         op_scale2(10);
129         op_scale2(11);
130         op_scale2(12);
131         op_scale2(13);
132         op_scale2(14);
133         op_scale2(15);
134     }
135 }
136
137 #define PIXEL_AVG_WEIGHT_C( width, height ) \
138 static void pixel_avg_weight_##width##x##height( \
139                 uint8_t *pix1, int i_stride_pix1, \
140                 uint8_t *pix2, int i_stride_pix2, int i_weight1 ) \
141 { \
142     pixel_avg_weight_wxh( pix1, i_stride_pix1, pix2, i_stride_pix2, width, height, i_weight1 ); \
143 }
144
145 PIXEL_AVG_WEIGHT_C(16,16)
146 PIXEL_AVG_WEIGHT_C(16,8)
147 PIXEL_AVG_WEIGHT_C(8,16)
148 PIXEL_AVG_WEIGHT_C(8,8)
149 PIXEL_AVG_WEIGHT_C(8,4)
150 PIXEL_AVG_WEIGHT_C(4,8)
151 PIXEL_AVG_WEIGHT_C(4,4)
152 PIXEL_AVG_WEIGHT_C(4,2)
153 PIXEL_AVG_WEIGHT_C(2,4)
154 PIXEL_AVG_WEIGHT_C(2,2)
155 #undef op_scale2
156 #undef PIXEL_AVG_WEIGHT_C
157
158 typedef void (*pf_mc_t)(uint8_t *src, int i_src_stride, uint8_t *dst, int i_dst_stride, int i_width, int i_height );
159
160 static void mc_copy( uint8_t *src, int i_src_stride, uint8_t *dst, int i_dst_stride, int i_width, int i_height )
161 {
162     int y;
163
164     for( y = 0; y < i_height; y++ )
165     {
166         memcpy( dst, src, i_width );
167
168         src += i_src_stride;
169         dst += i_dst_stride;
170     }
171 }
172 static inline void mc_hh( uint8_t *src, int i_src_stride, uint8_t *dst, int i_dst_stride, int i_width, int i_height )
173 {
174     int x, y;
175
176     for( y = 0; y < i_height; y++ )
177     {
178         for( x = 0; x < i_width; x++ )
179         {
180             dst[x] = x264_mc_clip1( ( x264_tapfilter1( &src[x] ) + 16 ) >> 5 );
181         }
182         src += i_src_stride;
183         dst += i_dst_stride;
184     }
185 }
186 static inline void mc_hv( uint8_t *src, int i_src_stride, uint8_t *dst, int i_dst_stride, int i_width, int i_height )
187 {
188     int x, y;
189
190     for( y = 0; y < i_height; y++ )
191     {
192         for( x = 0; x < i_width; x++ )
193         {
194             dst[x] = x264_mc_clip1( ( x264_tapfilter( &src[x], i_src_stride ) + 16 ) >> 5 );
195         }
196         src += i_src_stride;
197         dst += i_dst_stride;
198     }
199 }
200 static inline void mc_hc( uint8_t *src, int i_src_stride, uint8_t *dst, int i_dst_stride, int i_width, int i_height )
201 {
202     uint8_t *out;
203     uint8_t *pix;
204     int x, y;
205
206     for( x = 0; x < i_width; x++ )
207     {
208         int tap[6];
209
210         pix = &src[x];
211         out = &dst[x];
212
213         tap[0] = x264_tapfilter1( &pix[-2*i_src_stride] );
214         tap[1] = x264_tapfilter1( &pix[-1*i_src_stride] );
215         tap[2] = x264_tapfilter1( &pix[ 0*i_src_stride] );
216         tap[3] = x264_tapfilter1( &pix[ 1*i_src_stride] );
217         tap[4] = x264_tapfilter1( &pix[ 2*i_src_stride] );
218
219         for( y = 0; y < i_height; y++ )
220         {
221             tap[5] = x264_tapfilter1( &pix[ 3*i_src_stride] );
222
223             *out = x264_mc_clip1( ( tap[0] - 5*tap[1] + 20 * tap[2] + 20 * tap[3] -5*tap[4] + tap[5] + 512 ) >> 10 );
224
225             /* Next line */
226             pix += i_src_stride;
227             out += i_dst_stride;
228             tap[0] = tap[1];
229             tap[1] = tap[2];
230             tap[2] = tap[3];
231             tap[3] = tap[4];
232             tap[4] = tap[5];
233         }
234     }
235 }
236
237 static void mc_luma( uint8_t *src[4], int i_src_stride,
238                      uint8_t *dst,    int i_dst_stride,
239                      int mvx,int mvy,
240                      int i_width, int i_height )
241 {
242     uint8_t *src1, *src2;
243
244     int correction = (mvx&1) && (mvy&1) && ((mvx&2) ^ (mvy&2));
245     int hpel1x = mvx>>1;
246     int hpel1y = (mvy+1-correction)>>1;
247     int filter1 = (hpel1x & 1) + ( (hpel1y & 1) << 1 );
248
249     src1 = src[filter1] + (hpel1y >> 1) * i_src_stride + (hpel1x >> 1);
250
251     if ( (mvx|mvy) & 1 ) /* qpel interpolation needed */
252     {
253         int hpel2x = (mvx+1)>>1;
254         int hpel2y = (mvy+correction)>>1;
255         int filter2 = (hpel2x & 1) + ( (hpel2y & 1) <<1 );
256
257         src2 = src[filter2] + (hpel2y >> 1) * i_src_stride + (hpel2x >> 1);
258     
259         pixel_avg( dst, i_dst_stride, src1, i_src_stride,
260                    src2, i_src_stride, i_width, i_height );
261     }
262     else
263     {
264         mc_copy( src1, i_src_stride, dst, i_dst_stride, i_width, i_height );
265     }
266 }
267
268 static uint8_t *get_ref( uint8_t *src[4], int i_src_stride,
269                          uint8_t *dst,    int * i_dst_stride,
270                          int mvx,int mvy,
271                          int i_width, int i_height )
272 {
273     uint8_t *src1, *src2;
274
275     int correction = (mvx&1) && (mvy&1) && ((mvx&2) ^ (mvy&2));
276     int hpel1x = mvx>>1;
277     int hpel1y = (mvy+1-correction)>>1;
278     int filter1 = (hpel1x & 1) + ( (hpel1y & 1) << 1 );
279
280     src1 = src[filter1] + (hpel1y >> 1) * i_src_stride + (hpel1x >> 1);
281
282     if ( (mvx|mvy) & 1 ) /* qpel interpolation needed */
283     {
284         int hpel2x = (mvx+1)>>1;
285         int hpel2y = (mvy+correction)>>1;
286         int filter2 = (hpel2x & 1) + ( (hpel2y & 1) <<1 );
287
288         src2 = src[filter2] + (hpel2y >> 1) * i_src_stride + (hpel2x >> 1);
289     
290         pixel_avg( dst, *i_dst_stride, src1, i_src_stride,
291                    src2, i_src_stride, i_width, i_height );
292
293         return dst;
294     }
295     else
296     {
297         *i_dst_stride = i_src_stride;
298         return src1;
299     }
300 }
301
302 /* full chroma mc (ie until 1/8 pixel)*/
303 static void motion_compensation_chroma( uint8_t *src, int i_src_stride,
304                                         uint8_t *dst, int i_dst_stride,
305                                         int mvx, int mvy,
306                                         int i_width, int i_height )
307 {
308     uint8_t *srcp;
309     int x, y;
310
311     const int d8x = mvx&0x07;
312     const int d8y = mvy&0x07;
313
314     const int cA = (8-d8x)*(8-d8y);
315     const int cB = d8x    *(8-d8y);
316     const int cC = (8-d8x)*d8y;
317     const int cD = d8x    *d8y;
318
319     src  += (mvy >> 3) * i_src_stride + (mvx >> 3);
320     srcp = &src[i_src_stride];
321
322     for( y = 0; y < i_height; y++ )
323     {
324         for( x = 0; x < i_width; x++ )
325         {
326             dst[x] = ( cA*src[x]  + cB*src[x+1] +
327                        cC*srcp[x] + cD*srcp[x+1] + 32 ) >> 6;
328         }
329         dst  += i_dst_stride;
330
331         src   = srcp;
332         srcp += i_src_stride;
333     }
334 }
335
336 #ifdef HAVE_MMXEXT
337 static void motion_compensation_chroma_sse( uint8_t *src, int i_src_stride,
338                                         uint8_t *dst, int i_dst_stride,
339                                         int mvx, int mvy,
340                                         int i_width, int i_height )
341 {
342     if (i_width == 2) {
343         motion_compensation_chroma(src, i_src_stride, dst, i_dst_stride,
344                                    mvx, mvy, i_width, i_height);
345     } else {
346         const int d8x = mvx&0x07;
347         const int d8y = mvy&0x07;
348         
349         src  += (mvy >> 3) * i_src_stride + (mvx >> 3);
350         
351         x264_mc_chroma_sse(src, i_src_stride, dst, i_dst_stride,
352                               d8x, d8y, i_height, i_width);
353     }
354 }
355 #endif
356
357 void x264_mc_init( int cpu, x264_mc_functions_t *pf )
358 {
359     pf->mc_luma   = mc_luma;
360     pf->get_ref   = get_ref;
361     pf->mc_chroma = motion_compensation_chroma;
362
363     pf->avg[PIXEL_16x16]= pixel_avg_16x16;
364     pf->avg[PIXEL_16x8] = pixel_avg_16x8;
365     pf->avg[PIXEL_8x16] = pixel_avg_8x16;
366     pf->avg[PIXEL_8x8]  = pixel_avg_8x8;
367     pf->avg[PIXEL_8x4]  = pixel_avg_8x4;
368     pf->avg[PIXEL_4x8]  = pixel_avg_4x8;
369     pf->avg[PIXEL_4x4]  = pixel_avg_4x4;
370     pf->avg[PIXEL_4x2]  = pixel_avg_4x2;
371     pf->avg[PIXEL_2x4]  = pixel_avg_2x4;
372     pf->avg[PIXEL_2x2]  = pixel_avg_2x2;
373     
374     pf->avg_weight[PIXEL_16x16]= pixel_avg_weight_16x16;
375     pf->avg_weight[PIXEL_16x8] = pixel_avg_weight_16x8;
376     pf->avg_weight[PIXEL_8x16] = pixel_avg_weight_8x16;
377     pf->avg_weight[PIXEL_8x8]  = pixel_avg_weight_8x8;
378     pf->avg_weight[PIXEL_8x4]  = pixel_avg_weight_8x4;
379     pf->avg_weight[PIXEL_4x8]  = pixel_avg_weight_4x8;
380     pf->avg_weight[PIXEL_4x4]  = pixel_avg_weight_4x4;
381     pf->avg_weight[PIXEL_4x2]  = pixel_avg_weight_4x2;
382     pf->avg_weight[PIXEL_2x4]  = pixel_avg_weight_2x4;
383     pf->avg_weight[PIXEL_2x2]  = pixel_avg_weight_2x2;
384
385 #ifdef HAVE_MMXEXT
386     if( cpu&X264_CPU_MMXEXT ) {
387         x264_mc_mmxext_init( pf );
388         pf->mc_chroma = motion_compensation_chroma_sse;
389     }
390 #endif
391 #ifdef HAVE_SSE2
392     if( cpu&X264_CPU_SSE2 )
393         x264_mc_sse2_init( pf );
394 #endif
395 #ifdef ARCH_PPC
396     if( cpu&X264_CPU_ALTIVEC )
397         x264_mc_altivec_init( pf );
398 #endif
399 }
400
401 extern void x264_horizontal_filter_mmxext( uint8_t *dst, int i_dst_stride,
402                                            uint8_t *src, int i_src_stride,
403                                            int i_width, int i_height );
404 extern void x264_center_filter_mmxext( uint8_t *dst1, int i_dst1_stride,
405                                        uint8_t *dst2, int i_dst2_stride,
406                                        uint8_t *src, int i_src_stride,
407                                        int i_width, int i_height );
408
409 void x264_frame_filter( int cpu, x264_frame_t *frame )
410 {
411     const int x_inc = 16, y_inc = 16;
412     const int stride = frame->i_stride[0];
413     int x, y;
414
415     pf_mc_t int_h = mc_hh;
416     pf_mc_t int_v = mc_hv;
417     pf_mc_t int_hv = mc_hc;
418
419 #ifdef HAVE_MMXEXT
420     if ( cpu & X264_CPU_MMXEXT )
421     {
422         x264_horizontal_filter_mmxext(frame->filtered[1] - 8 * stride - 8, stride,
423             frame->plane[0] - 8 * stride - 8, stride,
424             stride - 48, frame->i_lines[0] + 16);
425         x264_center_filter_mmxext(frame->filtered[2] - 8 * stride - 8, stride,
426             frame->filtered[3] - 8 * stride - 8, stride,
427             frame->plane[0] - 8 * stride - 8, stride,
428             stride - 48, frame->i_lines[0] + 16);
429     }
430     else
431 #endif
432     {
433         for( y = -8; y < frame->i_lines[0]+8; y += y_inc )
434         {
435             uint8_t *p_in = frame->plane[0] + y * stride - 8;
436             uint8_t *p_h  = frame->filtered[1] + y * stride - 8;
437             uint8_t *p_v  = frame->filtered[2] + y * stride - 8;
438             uint8_t *p_hv = frame->filtered[3] + y * stride - 8;
439             for( x = -8; x < stride - 64 + 8; x += x_inc )
440             {
441                 int_h(  p_in, stride, p_h,  stride, x_inc, y_inc );
442                 int_v(  p_in, stride, p_v,  stride, x_inc, y_inc );
443                 int_hv( p_in, stride, p_hv, stride, x_inc, y_inc );
444
445                 p_h += x_inc;
446                 p_v += x_inc;
447                 p_hv += x_inc;
448                 p_in += x_inc;
449             }
450         }
451     }
452
453     /* generate integral image:
454      * each entry in frame->integral is the sum of all luma samples above and
455      * to the left of its location (inclusive).
456      * this allows us to calculate the DC of any rectangle by looking only
457      * at the corner entries.
458      * individual entries will overflow 16 bits, but that's ok:
459      * we only need the differences between entries, and those will be correct
460      * as long as we don't try to evaluate a rectangle bigger than 16x16.
461      * likewise, we don't really have to init the edges to 0, leaving garbage
462      * there wouldn't affect the results.*/
463
464     if( frame->integral )
465     {
466         memset( frame->integral - 32 * stride - 32, 0, stride * sizeof(uint16_t) );
467         for( y = -31; y < frame->i_lines[0] + 32; y++ )
468         {
469             uint8_t  *ref  = frame->plane[0] + y * stride - 32;
470             uint16_t *line = frame->integral + y * stride - 32;
471             uint16_t v = line[0] = 0;
472             for( x = 1; x < stride; x++ )
473                 line[x] = v += ref[x] + line[x-stride] - line[x-stride-1];
474         }
475     }
476 }
477
478 void x264_frame_init_lowres( int cpu, x264_frame_t *frame )
479 {
480     // FIXME: tapfilter?
481     const int i_stride = frame->i_stride[0];
482     const int i_stride2 = frame->i_stride_lowres;
483     const int i_width2 = i_stride2 - 64;
484     int x, y, i;
485     for( y = 0; y < frame->i_lines_lowres - 1; y++ )
486     {
487         uint8_t *src0 = &frame->plane[0][2*y*i_stride];
488         uint8_t *src1 = src0+i_stride;
489         uint8_t *src2 = src1+i_stride;
490         uint8_t *dst0 = &frame->lowres[0][y*i_stride2];
491         uint8_t *dsth = &frame->lowres[1][y*i_stride2];
492         uint8_t *dstv = &frame->lowres[2][y*i_stride2];
493         uint8_t *dstc = &frame->lowres[3][y*i_stride2];
494         for( x = 0; x < i_width2 - 1; x++ )
495         {
496             dst0[x] = (src0[2*x  ] + src0[2*x+1] + src1[2*x  ] + src1[2*x+1] + 2) >> 2;
497             dsth[x] = (src0[2*x+1] + src0[2*x+2] + src1[2*x+1] + src1[2*x+2] + 2) >> 2;
498             dstv[x] = (src1[2*x  ] + src1[2*x+1] + src2[2*x  ] + src2[2*x+1] + 2) >> 2;
499             dstc[x] = (src1[2*x+1] + src1[2*x+2] + src2[2*x+1] + src2[2*x+2] + 2) >> 2;
500         }
501         dst0[x] = (src0[2*x  ] + src0[2*x+1] + src1[2*x  ] + src1[2*x+1] + 2) >> 2;
502         dstv[x] = (src1[2*x  ] + src1[2*x+1] + src2[2*x  ] + src2[2*x+1] + 2) >> 2;
503         dsth[x] = (src0[2*x+1] + src1[2*x+1] + 1) >> 1;
504         dstc[x] = (src1[2*x+1] + src2[2*x+1] + 1) >> 1;
505     }
506     for( i = 0; i < 4; i++ )
507         memcpy( &frame->lowres[i][y*i_stride2], &frame->lowres[i][(y-1)*i_stride2], i_width2 );
508
509     for( y = 0; y < 16; y++ )
510         for( x = 0; x < 16; x++ )
511             frame->i_cost_est[x][y] = -1;
512
513     x264_frame_expand_border_lowres( frame );
514 }
515