b5d62bf9a11deb6220fc1a2e70bdfc243dce1024
[ffmpeg.git] / libavcodec / dnxhdenc.c
1 /*
2  * VC3/DNxHD encoder
3  * Copyright (c) 2007 Baptiste Coudurier <baptiste dot coudurier at smartjog dot com>
4  * Copyright (c) 2011 MirriAd Ltd
5  *
6  * VC-3 encoder funded by the British Broadcasting Corporation
7  * 10 bit support added by MirriAd Ltd, Joseph Artsimovich <joseph@mirriad.com>
8  *
9  * This file is part of FFmpeg.
10  *
11  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
13  * License as published by the Free Software Foundation; either
14  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
15  *
16  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
19  * Lesser General Public License for more details.
20  *
21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
22  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
23  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
24  */
25
26 //#define DEBUG
27 #define RC_VARIANCE 1 // use variance or ssd for fast rc
28
29 #include "libavutil/opt.h"
30 #include "avcodec.h"
31 #include "dsputil.h"
32 #include "internal.h"
33 #include "mpegvideo.h"
34 #include "dnxhdenc.h"
35 #include "internal.h"
36
37 #define VE AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM | AV_OPT_FLAG_ENCODING_PARAM
38 #define DNX10BIT_QMAT_SHIFT 18 // The largest value that will not lead to overflow for 10bit samples.
39
40 static const AVOption options[]={
41     {"nitris_compat", "encode with Avid Nitris compatibility", offsetof(DNXHDEncContext, nitris_compat), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = 0}, 0, 1, VE},
42 {NULL}
43 };
44
45 static const AVClass class = {
46     .class_name = "dnxhd",
47     .item_name  = av_default_item_name,
48     .option     = options,
49     .version    = LIBAVUTIL_VERSION_INT,
50 };
51
52 #define LAMBDA_FRAC_BITS 10
53
54 static void dnxhd_8bit_get_pixels_8x4_sym(DCTELEM *av_restrict block, const uint8_t *pixels, int line_size)
55 {
56     int i;
57     for (i = 0; i < 4; i++) {
58         block[0] = pixels[0]; block[1] = pixels[1];
59         block[2] = pixels[2]; block[3] = pixels[3];
60         block[4] = pixels[4]; block[5] = pixels[5];
61         block[6] = pixels[6]; block[7] = pixels[7];
62         pixels += line_size;
63         block += 8;
64     }
65     memcpy(block,      block -  8, sizeof(*block) * 8);
66     memcpy(block +  8, block - 16, sizeof(*block) * 8);
67     memcpy(block + 16, block - 24, sizeof(*block) * 8);
68     memcpy(block + 24, block - 32, sizeof(*block) * 8);
69 }
70
71 static av_always_inline void dnxhd_10bit_get_pixels_8x4_sym(DCTELEM *av_restrict block, const uint8_t *pixels, int line_size)
72 {
73     int i;
74     const uint16_t* pixels16 = (const uint16_t*)pixels;
75     line_size >>= 1;
76
77     for (i = 0; i < 4; i++) {
78         block[0] = pixels16[0]; block[1] = pixels16[1];
79         block[2] = pixels16[2]; block[3] = pixels16[3];
80         block[4] = pixels16[4]; block[5] = pixels16[5];
81         block[6] = pixels16[6]; block[7] = pixels16[7];
82         pixels16 += line_size;
83         block += 8;
84     }
85     memcpy(block,      block -  8, sizeof(*block) * 8);
86     memcpy(block +  8, block - 16, sizeof(*block) * 8);
87     memcpy(block + 16, block - 24, sizeof(*block) * 8);
88     memcpy(block + 24, block - 32, sizeof(*block) * 8);
89 }
90
91 static int dnxhd_10bit_dct_quantize(MpegEncContext *ctx, DCTELEM *block,
92                                     int n, int qscale, int *overflow)
93 {
94     const uint8_t *scantable= ctx->intra_scantable.scantable;
95     const int *qmat = n<4 ? ctx->q_intra_matrix[qscale] : ctx->q_chroma_intra_matrix[qscale];
96     int last_non_zero = 0;
97     int i;
98
99     ctx->dsp.fdct(block);
100
101     // Divide by 4 with rounding, to compensate scaling of DCT coefficients
102     block[0] = (block[0] + 2) >> 2;
103
104     for (i = 1; i < 64; ++i) {
105         int j = scantable[i];
106         int sign = block[j] >> 31;
107         int level = (block[j] ^ sign) - sign;
108         level = level * qmat[j] >> DNX10BIT_QMAT_SHIFT;
109         block[j] = (level ^ sign) - sign;
110         if (level)
111             last_non_zero = i;
112     }
113
114     return last_non_zero;
115 }
116
117 static int dnxhd_init_vlc(DNXHDEncContext *ctx)
118 {
119     int i, j, level, run;
120     int max_level = 1<<(ctx->cid_table->bit_depth+2);
121
122     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->vlc_codes, max_level*4*sizeof(*ctx->vlc_codes), fail);
123     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->vlc_bits,  max_level*4*sizeof(*ctx->vlc_bits) , fail);
124     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->run_codes, 63*2,                                fail);
125     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->run_bits,  63,                                  fail);
126
127     ctx->vlc_codes += max_level*2;
128     ctx->vlc_bits  += max_level*2;
129     for (level = -max_level; level < max_level; level++) {
130         for (run = 0; run < 2; run++) {
131             int index = (level<<1)|run;
132             int sign, offset = 0, alevel = level;
133
134             MASK_ABS(sign, alevel);
135             if (alevel > 64) {
136                 offset = (alevel-1)>>6;
137                 alevel -= offset<<6;
138             }
139             for (j = 0; j < 257; j++) {
140                 if (ctx->cid_table->ac_level[j] >> 1 == alevel &&
141                     (!offset || (ctx->cid_table->ac_flags[j] & 1) && offset) &&
142                     (!run    || (ctx->cid_table->ac_flags[j] & 2) && run)) {
143                     av_assert1(!ctx->vlc_codes[index]);
144                     if (alevel) {
145                         ctx->vlc_codes[index] = (ctx->cid_table->ac_codes[j]<<1)|(sign&1);
146                         ctx->vlc_bits [index] = ctx->cid_table->ac_bits[j]+1;
147                     } else {
148                         ctx->vlc_codes[index] = ctx->cid_table->ac_codes[j];
149                         ctx->vlc_bits [index] = ctx->cid_table->ac_bits [j];
150                     }
151                     break;
152                 }
153             }
154             av_assert0(!alevel || j < 257);
155             if (offset) {
156                 ctx->vlc_codes[index] = (ctx->vlc_codes[index]<<ctx->cid_table->index_bits)|offset;
157                 ctx->vlc_bits [index]+= ctx->cid_table->index_bits;
158             }
159         }
160     }
161     for (i = 0; i < 62; i++) {
162         int run = ctx->cid_table->run[i];
163         av_assert0(run < 63);
164         ctx->run_codes[run] = ctx->cid_table->run_codes[i];
165         ctx->run_bits [run] = ctx->cid_table->run_bits[i];
166     }
167     return 0;
168  fail:
169     return -1;
170 }
171
172 static int dnxhd_init_qmat(DNXHDEncContext *ctx, int lbias, int cbias)
173 {
174     // init first elem to 1 to avoid div by 0 in convert_matrix
175     uint16_t weight_matrix[64] = {1,}; // convert_matrix needs uint16_t*
176     int qscale, i;
177     const uint8_t *luma_weight_table   = ctx->cid_table->luma_weight;
178     const uint8_t *chroma_weight_table = ctx->cid_table->chroma_weight;
179
180     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_l,   (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 *     sizeof(int),      fail);
181     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_c,   (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 *     sizeof(int),      fail);
182     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_l16, (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 * 2 * sizeof(uint16_t), fail);
183     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_c16, (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 * 2 * sizeof(uint16_t), fail);
184
185     if (ctx->cid_table->bit_depth == 8) {
186         for (i = 1; i < 64; i++) {
187             int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
188             weight_matrix[j] = ctx->cid_table->luma_weight[i];
189         }
190         ff_convert_matrix(&ctx->m.dsp, ctx->qmatrix_l, ctx->qmatrix_l16, weight_matrix,
191                           ctx->m.intra_quant_bias, 1, ctx->m.avctx->qmax, 1);
192         for (i = 1; i < 64; i++) {
193             int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
194             weight_matrix[j] = ctx->cid_table->chroma_weight[i];
195         }
196         ff_convert_matrix(&ctx->m.dsp, ctx->qmatrix_c, ctx->qmatrix_c16, weight_matrix,
197                           ctx->m.intra_quant_bias, 1, ctx->m.avctx->qmax, 1);
198
199         for (qscale = 1; qscale <= ctx->m.avctx->qmax; qscale++) {
200             for (i = 0; i < 64; i++) {
201                 ctx->qmatrix_l  [qscale]   [i] <<= 2; ctx->qmatrix_c  [qscale]   [i] <<= 2;
202                 ctx->qmatrix_l16[qscale][0][i] <<= 2; ctx->qmatrix_l16[qscale][1][i] <<= 2;
203                 ctx->qmatrix_c16[qscale][0][i] <<= 2; ctx->qmatrix_c16[qscale][1][i] <<= 2;
204             }
205         }
206     } else {
207         // 10-bit
208         for (qscale = 1; qscale <= ctx->m.avctx->qmax; qscale++) {
209             for (i = 1; i < 64; i++) {
210                 int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
211
212                 // The quantization formula from the VC-3 standard is:
213                 // quantized = sign(block[i]) * floor(abs(block[i]/s) * p / (qscale * weight_table[i]))
214                 // Where p is 32 for 8-bit samples and 8 for 10-bit ones.
215                 // The s factor compensates scaling of DCT coefficients done by the DCT routines,
216                 // and therefore is not present in standard.  It's 8 for 8-bit samples and 4 for 10-bit ones.
217                 // We want values of ctx->qtmatrix_l and ctx->qtmatrix_r to be:
218                 // ((1 << DNX10BIT_QMAT_SHIFT) * (p / s)) / (qscale * weight_table[i])
219                 // For 10-bit samples, p / s == 2
220                 ctx->qmatrix_l[qscale][j] = (1 << (DNX10BIT_QMAT_SHIFT + 1)) / (qscale * luma_weight_table[i]);
221                 ctx->qmatrix_c[qscale][j] = (1 << (DNX10BIT_QMAT_SHIFT + 1)) / (qscale * chroma_weight_table[i]);
222             }
223         }
224     }
225
226     ctx->m.q_chroma_intra_matrix16 = ctx->qmatrix_c16;
227     ctx->m.q_chroma_intra_matrix   = ctx->qmatrix_c;
228     ctx->m.q_intra_matrix16        = ctx->qmatrix_l16;
229     ctx->m.q_intra_matrix          = ctx->qmatrix_l;
230
231     return 0;
232  fail:
233     return -1;
234 }
235
236 static int dnxhd_init_rc(DNXHDEncContext *ctx)
237 {
238     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_rc, 8160*ctx->m.avctx->qmax*sizeof(RCEntry), fail);
239     if (ctx->m.avctx->mb_decision != FF_MB_DECISION_RD)
240         FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_cmp, ctx->m.mb_num*sizeof(RCCMPEntry), fail);
241
242     ctx->frame_bits = (ctx->cid_table->coding_unit_size - 640 - 4 - ctx->min_padding) * 8;
243     ctx->qscale = 1;
244     ctx->lambda = 2<<LAMBDA_FRAC_BITS; // qscale 2
245     return 0;
246  fail:
247     return -1;
248 }
249
250 static int dnxhd_encode_init(AVCodecContext *avctx)
251 {
252     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
253     int i, index, bit_depth;
254
255     switch (avctx->pix_fmt) {
256     case AV_PIX_FMT_YUV422P:
257         bit_depth = 8;
258         break;
259     case AV_PIX_FMT_YUV422P10:
260         bit_depth = 10;
261         break;
262     default:
263         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "pixel format is incompatible with DNxHD\n");
264         return -1;
265     }
266
267     ctx->cid = ff_dnxhd_find_cid(avctx, bit_depth);
268     if (!ctx->cid) {
269         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "video parameters incompatible with DNxHD\n");
270         return -1;
271     }
272     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "cid %d\n", ctx->cid);
273
274     index = ff_dnxhd_get_cid_table(ctx->cid);
275     ctx->cid_table = &ff_dnxhd_cid_table[index];
276
277     ctx->m.avctx = avctx;
278     ctx->m.mb_intra = 1;
279     ctx->m.h263_aic = 1;
280
281     avctx->bits_per_raw_sample = ctx->cid_table->bit_depth;
282
283     ff_dct_common_init(&ctx->m);
284     ff_dct_encode_init(&ctx->m);
285
286     if (!ctx->m.dct_quantize)
287         ctx->m.dct_quantize = ff_dct_quantize_c;
288
289     if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
290        ctx->m.dct_quantize = dnxhd_10bit_dct_quantize;
291        ctx->get_pixels_8x4_sym = dnxhd_10bit_get_pixels_8x4_sym;
292        ctx->block_width_l2 = 4;
293     } else {
294        ctx->get_pixels_8x4_sym = dnxhd_8bit_get_pixels_8x4_sym;
295        ctx->block_width_l2 = 3;
296     }
297
298     if (ARCH_X86)
299         ff_dnxhdenc_init_x86(ctx);
300
301     ctx->m.mb_height = (avctx->height + 15) / 16;
302     ctx->m.mb_width  = (avctx->width  + 15) / 16;
303
304     if (avctx->flags & CODEC_FLAG_INTERLACED_DCT) {
305         ctx->interlaced = 1;
306         ctx->m.mb_height /= 2;
307     }
308
309     ctx->m.mb_num = ctx->m.mb_height * ctx->m.mb_width;
310
311     if (avctx->intra_quant_bias != FF_DEFAULT_QUANT_BIAS)
312         ctx->m.intra_quant_bias = avctx->intra_quant_bias;
313     if (dnxhd_init_qmat(ctx, ctx->m.intra_quant_bias, 0) < 0) // XXX tune lbias/cbias
314         return -1;
315
316     // Avid Nitris hardware decoder requires a minimum amount of padding in the coding unit payload
317     if (ctx->nitris_compat)
318         ctx->min_padding = 1600;
319
320     if (dnxhd_init_vlc(ctx) < 0)
321         return -1;
322     if (dnxhd_init_rc(ctx) < 0)
323         return -1;
324
325     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->slice_size, ctx->m.mb_height*sizeof(uint32_t), fail);
326     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->slice_offs, ctx->m.mb_height*sizeof(uint32_t), fail);
327     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_bits,    ctx->m.mb_num   *sizeof(uint16_t), fail);
328     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_qscale,  ctx->m.mb_num   *sizeof(uint8_t),  fail);
329
330     ctx->frame.key_frame = 1;
331     ctx->frame.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_I;
332     ctx->m.avctx->coded_frame = &ctx->frame;
333
334     if (avctx->thread_count > MAX_THREADS) {
335         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "too many threads\n");
336         return -1;
337     }
338
339     ctx->thread[0] = ctx;
340     for (i = 1; i < avctx->thread_count; i++) {
341         ctx->thread[i] =  av_malloc(sizeof(DNXHDEncContext));
342         memcpy(ctx->thread[i], ctx, sizeof(DNXHDEncContext));
343     }
344
345     return 0;
346  fail: //for FF_ALLOCZ_OR_GOTO
347     return -1;
348 }
349
350 static int dnxhd_write_header(AVCodecContext *avctx, uint8_t *buf)
351 {
352     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
353     const uint8_t header_prefix[5] = { 0x00,0x00,0x02,0x80,0x01 };
354
355     memset(buf, 0, 640);
356
357     memcpy(buf, header_prefix, 5);
358     buf[5] = ctx->interlaced ? ctx->cur_field+2 : 0x01;
359     buf[6] = 0x80; // crc flag off
360     buf[7] = 0xa0; // reserved
361     AV_WB16(buf + 0x18, avctx->height>>ctx->interlaced); // ALPF
362     AV_WB16(buf + 0x1a, avctx->width);  // SPL
363     AV_WB16(buf + 0x1d, avctx->height>>ctx->interlaced); // NAL
364
365     buf[0x21] = ctx->cid_table->bit_depth == 10 ? 0x58 : 0x38;
366     buf[0x22] = 0x88 + (ctx->interlaced<<2);
367     AV_WB32(buf + 0x28, ctx->cid); // CID
368     buf[0x2c] = ctx->interlaced ? 0 : 0x80;
369
370     buf[0x5f] = 0x01; // UDL
371
372     buf[0x167] = 0x02; // reserved
373     AV_WB16(buf + 0x16a, ctx->m.mb_height * 4 + 4); // MSIPS
374     buf[0x16d] = ctx->m.mb_height; // Ns
375     buf[0x16f] = 0x10; // reserved
376
377     ctx->msip = buf + 0x170;
378     return 0;
379 }
380
381 static av_always_inline void dnxhd_encode_dc(DNXHDEncContext *ctx, int diff)
382 {
383     int nbits;
384     if (diff < 0) {
385         nbits = av_log2_16bit(-2*diff);
386         diff--;
387     } else {
388         nbits = av_log2_16bit(2*diff);
389     }
390     put_bits(&ctx->m.pb, ctx->cid_table->dc_bits[nbits] + nbits,
391              (ctx->cid_table->dc_codes[nbits]<<nbits) + (diff & ((1 << nbits) - 1)));
392 }
393
394 static av_always_inline void dnxhd_encode_block(DNXHDEncContext *ctx, DCTELEM *block, int last_index, int n)
395 {
396     int last_non_zero = 0;
397     int slevel, i, j;
398
399     dnxhd_encode_dc(ctx, block[0] - ctx->m.last_dc[n]);
400     ctx->m.last_dc[n] = block[0];
401
402     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
403         j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
404         slevel = block[j];
405         if (slevel) {
406             int run_level = i - last_non_zero - 1;
407             int rlevel = (slevel<<1)|!!run_level;
408             put_bits(&ctx->m.pb, ctx->vlc_bits[rlevel], ctx->vlc_codes[rlevel]);
409             if (run_level)
410                 put_bits(&ctx->m.pb, ctx->run_bits[run_level], ctx->run_codes[run_level]);
411             last_non_zero = i;
412         }
413     }
414     put_bits(&ctx->m.pb, ctx->vlc_bits[0], ctx->vlc_codes[0]); // EOB
415 }
416
417 static av_always_inline void dnxhd_unquantize_c(DNXHDEncContext *ctx, DCTELEM *block, int n, int qscale, int last_index)
418 {
419     const uint8_t *weight_matrix;
420     int level;
421     int i;
422
423     weight_matrix = (n&2) ? ctx->cid_table->chroma_weight : ctx->cid_table->luma_weight;
424
425     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
426         int j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
427         level = block[j];
428         if (level) {
429             if (level < 0) {
430                 level = (1-2*level) * qscale * weight_matrix[i];
431                 if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
432                     if (weight_matrix[i] != 8)
433                         level += 8;
434                     level >>= 4;
435                 } else {
436                     if (weight_matrix[i] != 32)
437                         level += 32;
438                     level >>= 6;
439                 }
440                 level = -level;
441             } else {
442                 level = (2*level+1) * qscale * weight_matrix[i];
443                 if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
444                     if (weight_matrix[i] != 8)
445                         level += 8;
446                     level >>= 4;
447                 } else {
448                     if (weight_matrix[i] != 32)
449                         level += 32;
450                     level >>= 6;
451                 }
452             }
453             block[j] = level;
454         }
455     }
456 }
457
458 static av_always_inline int dnxhd_ssd_block(DCTELEM *qblock, DCTELEM *block)
459 {
460     int score = 0;
461     int i;
462     for (i = 0; i < 64; i++)
463         score += (block[i] - qblock[i]) * (block[i] - qblock[i]);
464     return score;
465 }
466
467 static av_always_inline int dnxhd_calc_ac_bits(DNXHDEncContext *ctx, DCTELEM *block, int last_index)
468 {
469     int last_non_zero = 0;
470     int bits = 0;
471     int i, j, level;
472     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
473         j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
474         level = block[j];
475         if (level) {
476             int run_level = i - last_non_zero - 1;
477             bits += ctx->vlc_bits[(level<<1)|!!run_level]+ctx->run_bits[run_level];
478             last_non_zero = i;
479         }
480     }
481     return bits;
482 }
483
484 static av_always_inline void dnxhd_get_blocks(DNXHDEncContext *ctx, int mb_x, int mb_y)
485 {
486     const int bs = ctx->block_width_l2;
487     const int bw = 1 << bs;
488     const uint8_t *ptr_y = ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y << 4) * ctx->m.linesize)   + (mb_x << bs+1);
489     const uint8_t *ptr_u = ctx->thread[0]->src[1] + ((mb_y << 4) * ctx->m.uvlinesize) + (mb_x << bs);
490     const uint8_t *ptr_v = ctx->thread[0]->src[2] + ((mb_y << 4) * ctx->m.uvlinesize) + (mb_x << bs);
491     DSPContext *dsp = &ctx->m.dsp;
492
493     dsp->get_pixels(ctx->blocks[0], ptr_y,      ctx->m.linesize);
494     dsp->get_pixels(ctx->blocks[1], ptr_y + bw, ctx->m.linesize);
495     dsp->get_pixels(ctx->blocks[2], ptr_u,      ctx->m.uvlinesize);
496     dsp->get_pixels(ctx->blocks[3], ptr_v,      ctx->m.uvlinesize);
497
498     if (mb_y+1 == ctx->m.mb_height && ctx->m.avctx->height == 1080) {
499         if (ctx->interlaced) {
500             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[4], ptr_y + ctx->dct_y_offset,      ctx->m.linesize);
501             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[5], ptr_y + ctx->dct_y_offset + bw, ctx->m.linesize);
502             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[6], ptr_u + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
503             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[7], ptr_v + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
504         } else {
505             dsp->clear_block(ctx->blocks[4]);
506             dsp->clear_block(ctx->blocks[5]);
507             dsp->clear_block(ctx->blocks[6]);
508             dsp->clear_block(ctx->blocks[7]);
509         }
510     } else {
511         dsp->get_pixels(ctx->blocks[4], ptr_y + ctx->dct_y_offset,      ctx->m.linesize);
512         dsp->get_pixels(ctx->blocks[5], ptr_y + ctx->dct_y_offset + bw, ctx->m.linesize);
513         dsp->get_pixels(ctx->blocks[6], ptr_u + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
514         dsp->get_pixels(ctx->blocks[7], ptr_v + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
515     }
516 }
517
518 static av_always_inline int dnxhd_switch_matrix(DNXHDEncContext *ctx, int i)
519 {
520     const static uint8_t component[8]={0,0,1,2,0,0,1,2};
521     return component[i];
522 }
523
524 static int dnxhd_calc_bits_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
525 {
526     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
527     int mb_y = jobnr, mb_x;
528     int qscale = ctx->qscale;
529     LOCAL_ALIGNED_16(DCTELEM, block, [64]);
530     ctx = ctx->thread[threadnr];
531
532     ctx->m.last_dc[0] =
533     ctx->m.last_dc[1] =
534     ctx->m.last_dc[2] = 1 << (ctx->cid_table->bit_depth + 2);
535
536     for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
537         unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
538         int ssd     = 0;
539         int ac_bits = 0;
540         int dc_bits = 0;
541         int i;
542
543         dnxhd_get_blocks(ctx, mb_x, mb_y);
544
545         for (i = 0; i < 8; i++) {
546             DCTELEM *src_block = ctx->blocks[i];
547             int overflow, nbits, diff, last_index;
548             int n = dnxhd_switch_matrix(ctx, i);
549
550             memcpy(block, src_block, 64*sizeof(*block));
551             last_index = ctx->m.dct_quantize(&ctx->m, block, 4&(2*i), qscale, &overflow);
552             ac_bits += dnxhd_calc_ac_bits(ctx, block, last_index);
553
554             diff = block[0] - ctx->m.last_dc[n];
555             if (diff < 0) nbits = av_log2_16bit(-2*diff);
556             else          nbits = av_log2_16bit( 2*diff);
557
558             av_assert1(nbits < ctx->cid_table->bit_depth + 4);
559             dc_bits += ctx->cid_table->dc_bits[nbits] + nbits;
560
561             ctx->m.last_dc[n] = block[0];
562
563             if (avctx->mb_decision == FF_MB_DECISION_RD || !RC_VARIANCE) {
564                 dnxhd_unquantize_c(ctx, block, i, qscale, last_index);
565                 ctx->m.dsp.idct(block);
566                 ssd += dnxhd_ssd_block(block, src_block);
567             }
568         }
569         ctx->mb_rc[qscale][mb].ssd = ssd;
570         ctx->mb_rc[qscale][mb].bits = ac_bits+dc_bits+12+8*ctx->vlc_bits[0];
571     }
572     return 0;
573 }
574
575 static int dnxhd_encode_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
576 {
577     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
578     int mb_y = jobnr, mb_x;
579     ctx = ctx->thread[threadnr];
580     init_put_bits(&ctx->m.pb, (uint8_t *)arg + 640 + ctx->slice_offs[jobnr], ctx->slice_size[jobnr]);
581
582     ctx->m.last_dc[0] =
583     ctx->m.last_dc[1] =
584     ctx->m.last_dc[2] = 1 << (ctx->cid_table->bit_depth + 2);
585     for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
586         unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
587         int qscale = ctx->mb_qscale[mb];
588         int i;
589
590         put_bits(&ctx->m.pb, 12, qscale<<1);
591
592         dnxhd_get_blocks(ctx, mb_x, mb_y);
593
594         for (i = 0; i < 8; i++) {
595             DCTELEM *block = ctx->blocks[i];
596             int overflow, n = dnxhd_switch_matrix(ctx, i);
597             int last_index = ctx->m.dct_quantize(&ctx->m, block, 4&(2*i), qscale, &overflow);
598             //START_TIMER;
599             dnxhd_encode_block(ctx, block, last_index, n);
600             //STOP_TIMER("encode_block");
601         }
602     }
603     if (put_bits_count(&ctx->m.pb)&31)
604         put_bits(&ctx->m.pb, 32-(put_bits_count(&ctx->m.pb)&31), 0);
605     flush_put_bits(&ctx->m.pb);
606     return 0;
607 }
608
609 static void dnxhd_setup_threads_slices(DNXHDEncContext *ctx)
610 {
611     int mb_y, mb_x;
612     int offset = 0;
613     for (mb_y = 0; mb_y < ctx->m.mb_height; mb_y++) {
614         int thread_size;
615         ctx->slice_offs[mb_y] = offset;
616         ctx->slice_size[mb_y] = 0;
617         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
618             unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
619             ctx->slice_size[mb_y] += ctx->mb_bits[mb];
620         }
621         ctx->slice_size[mb_y] = (ctx->slice_size[mb_y]+31)&~31;
622         ctx->slice_size[mb_y] >>= 3;
623         thread_size = ctx->slice_size[mb_y];
624         offset += thread_size;
625     }
626 }
627
628 static int dnxhd_mb_var_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
629 {
630     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
631     int mb_y = jobnr, mb_x;
632     ctx = ctx->thread[threadnr];
633     if (ctx->cid_table->bit_depth == 8) {
634         uint8_t *pix = ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y<<4) * ctx->m.linesize);
635         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; ++mb_x, pix += 16) {
636             unsigned mb  = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
637             int sum = ctx->m.dsp.pix_sum(pix, ctx->m.linesize);
638             int varc = (ctx->m.dsp.pix_norm1(pix, ctx->m.linesize) - (((unsigned)sum*sum)>>8)+128)>>8;
639             ctx->mb_cmp[mb].value = varc;
640             ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
641         }
642     } else { // 10-bit
643         int const linesize = ctx->m.linesize >> 1;
644         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; ++mb_x) {
645             uint16_t *pix = (uint16_t*)ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y << 4) * linesize) + (mb_x << 4);
646             unsigned mb  = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
647             int sum = 0;
648             int sqsum = 0;
649             int mean, sqmean;
650             int i, j;
651             // Macroblocks are 16x16 pixels, unlike DCT blocks which are 8x8.
652             for (i = 0; i < 16; ++i) {
653                 for (j = 0; j < 16; ++j) {
654                     // Turn 16-bit pixels into 10-bit ones.
655                     int const sample = (unsigned)pix[j] >> 6;
656                     sum += sample;
657                     sqsum += sample * sample;
658                     // 2^10 * 2^10 * 16 * 16 = 2^28, which is less than INT_MAX
659                 }
660                 pix += linesize;
661             }
662             mean = sum >> 8; // 16*16 == 2^8
663             sqmean = sqsum >> 8;
664             ctx->mb_cmp[mb].value = sqmean - mean * mean;
665             ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
666         }
667     }
668     return 0;
669 }
670
671 static int dnxhd_encode_rdo(AVCodecContext *avctx, DNXHDEncContext *ctx)
672 {
673     int lambda, up_step, down_step;
674     int last_lower = INT_MAX, last_higher = 0;
675     int x, y, q;
676
677     for (q = 1; q < avctx->qmax; q++) {
678         ctx->qscale = q;
679         avctx->execute2(avctx, dnxhd_calc_bits_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
680     }
681     up_step = down_step = 2<<LAMBDA_FRAC_BITS;
682     lambda = ctx->lambda;
683
684     for (;;) {
685         int bits = 0;
686         int end = 0;
687         if (lambda == last_higher) {
688             lambda++;
689             end = 1; // need to set final qscales/bits
690         }
691         for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
692             for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++) {
693                 unsigned min = UINT_MAX;
694                 int qscale = 1;
695                 int mb = y*ctx->m.mb_width+x;
696                 for (q = 1; q < avctx->qmax; q++) {
697                     unsigned score = ctx->mb_rc[q][mb].bits*lambda+
698                         ((unsigned)ctx->mb_rc[q][mb].ssd<<LAMBDA_FRAC_BITS);
699                     if (score < min) {
700                         min = score;
701                         qscale = q;
702                     }
703                 }
704                 bits += ctx->mb_rc[qscale][mb].bits;
705                 ctx->mb_qscale[mb] = qscale;
706                 ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[qscale][mb].bits;
707             }
708             bits = (bits+31)&~31; // padding
709             if (bits > ctx->frame_bits)
710                 break;
711         }
712         //av_dlog(ctx->m.avctx, "lambda %d, up %u, down %u, bits %d, frame %d\n",
713         //        lambda, last_higher, last_lower, bits, ctx->frame_bits);
714         if (end) {
715             if (bits > ctx->frame_bits)
716                 return -1;
717             break;
718         }
719         if (bits < ctx->frame_bits) {
720             last_lower = FFMIN(lambda, last_lower);
721             if (last_higher != 0)
722                 lambda = (lambda+last_higher)>>1;
723             else
724                 lambda -= down_step;
725             down_step = FFMIN((int64_t)down_step*5, INT_MAX);
726             up_step = 1<<LAMBDA_FRAC_BITS;
727             lambda = FFMAX(1, lambda);
728             if (lambda == last_lower)
729                 break;
730         } else {
731             last_higher = FFMAX(lambda, last_higher);
732             if (last_lower != INT_MAX)
733                 lambda = (lambda+last_lower)>>1;
734             else if ((int64_t)lambda + up_step > INT_MAX)
735                 return -1;
736             else
737                 lambda += up_step;
738             up_step = FFMIN((int64_t)up_step*5, INT_MAX);
739             down_step = 1<<LAMBDA_FRAC_BITS;
740         }
741     }
742     //av_dlog(ctx->m.avctx, "out lambda %d\n", lambda);
743     ctx->lambda = lambda;
744     return 0;
745 }
746
747 static int dnxhd_find_qscale(DNXHDEncContext *ctx)
748 {
749     int bits = 0;
750     int up_step = 1;
751     int down_step = 1;
752     int last_higher = 0;
753     int last_lower = INT_MAX;
754     int qscale;
755     int x, y;
756
757     qscale = ctx->qscale;
758     for (;;) {
759         bits = 0;
760         ctx->qscale = qscale;
761         // XXX avoid recalculating bits
762         ctx->m.avctx->execute2(ctx->m.avctx, dnxhd_calc_bits_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
763         for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
764             for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++)
765                 bits += ctx->mb_rc[qscale][y*ctx->m.mb_width+x].bits;
766             bits = (bits+31)&~31; // padding
767             if (bits > ctx->frame_bits)
768                 break;
769         }
770         //av_dlog(ctx->m.avctx, "%d, qscale %d, bits %d, frame %d, higher %d, lower %d\n",
771         //        ctx->m.avctx->frame_number, qscale, bits, ctx->frame_bits, last_higher, last_lower);
772         if (bits < ctx->frame_bits) {
773             if (qscale == 1)
774                 return 1;
775             if (last_higher == qscale - 1) {
776                 qscale = last_higher;
777                 break;
778             }
779             last_lower = FFMIN(qscale, last_lower);
780             if (last_higher != 0)
781                 qscale = (qscale+last_higher)>>1;
782             else
783                 qscale -= down_step++;
784             if (qscale < 1)
785                 qscale = 1;
786             up_step = 1;
787         } else {
788             if (last_lower == qscale + 1)
789                 break;
790             last_higher = FFMAX(qscale, last_higher);
791             if (last_lower != INT_MAX)
792                 qscale = (qscale+last_lower)>>1;
793             else
794                 qscale += up_step++;
795             down_step = 1;
796             if (qscale >= ctx->m.avctx->qmax)
797                 return -1;
798         }
799     }
800     //av_dlog(ctx->m.avctx, "out qscale %d\n", qscale);
801     ctx->qscale = qscale;
802     return 0;
803 }
804
805 #define BUCKET_BITS 8
806 #define RADIX_PASSES 4
807 #define NBUCKETS (1 << BUCKET_BITS)
808
809 static inline int get_bucket(int value, int shift)
810 {
811     value >>= shift;
812     value &= NBUCKETS - 1;
813     return NBUCKETS - 1 - value;
814 }
815
816 static void radix_count(const RCCMPEntry *data, int size, int buckets[RADIX_PASSES][NBUCKETS])
817 {
818     int i, j;
819     memset(buckets, 0, sizeof(buckets[0][0]) * RADIX_PASSES * NBUCKETS);
820     for (i = 0; i < size; i++) {
821         int v = data[i].value;
822         for (j = 0; j < RADIX_PASSES; j++) {
823             buckets[j][get_bucket(v, 0)]++;
824             v >>= BUCKET_BITS;
825         }
826         av_assert1(!v);
827     }
828     for (j = 0; j < RADIX_PASSES; j++) {
829         int offset = size;
830         for (i = NBUCKETS - 1; i >= 0; i--)
831             buckets[j][i] = offset -= buckets[j][i];
832         av_assert1(!buckets[j][0]);
833     }
834 }
835
836 static void radix_sort_pass(RCCMPEntry *dst, const RCCMPEntry *data, int size, int buckets[NBUCKETS], int pass)
837 {
838     int shift = pass * BUCKET_BITS;
839     int i;
840     for (i = 0; i < size; i++) {
841         int v = get_bucket(data[i].value, shift);
842         int pos = buckets[v]++;
843         dst[pos] = data[i];
844     }
845 }
846
847 static void radix_sort(RCCMPEntry *data, int size)
848 {
849     int buckets[RADIX_PASSES][NBUCKETS];
850     RCCMPEntry *tmp = av_malloc(sizeof(*tmp) * size);
851     radix_count(data, size, buckets);
852     radix_sort_pass(tmp, data, size, buckets[0], 0);
853     radix_sort_pass(data, tmp, size, buckets[1], 1);
854     if (buckets[2][NBUCKETS - 1] || buckets[3][NBUCKETS - 1]) {
855         radix_sort_pass(tmp, data, size, buckets[2], 2);
856         radix_sort_pass(data, tmp, size, buckets[3], 3);
857     }
858     av_free(tmp);
859 }
860
861 static int dnxhd_encode_fast(AVCodecContext *avctx, DNXHDEncContext *ctx)
862 {
863     int max_bits = 0;
864     int ret, x, y;
865     if ((ret = dnxhd_find_qscale(ctx)) < 0)
866         return -1;
867     for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
868         for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++) {
869             int mb = y*ctx->m.mb_width+x;
870             int delta_bits;
871             ctx->mb_qscale[mb] = ctx->qscale;
872             ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits;
873             max_bits += ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits;
874             if (!RC_VARIANCE) {
875                 delta_bits = ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits-ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
876                 ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
877                 ctx->mb_cmp[mb].value = delta_bits ?
878                     ((ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].ssd-ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].ssd)*100)/delta_bits
879                     : INT_MIN; //avoid increasing qscale
880             }
881         }
882         max_bits += 31; //worst padding
883     }
884     if (!ret) {
885         if (RC_VARIANCE)
886             avctx->execute2(avctx, dnxhd_mb_var_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
887         radix_sort(ctx->mb_cmp, ctx->m.mb_num);
888         for (x = 0; x < ctx->m.mb_num && max_bits > ctx->frame_bits; x++) {
889             int mb = ctx->mb_cmp[x].mb;
890             max_bits -= ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits - ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
891             ctx->mb_qscale[mb] = ctx->qscale+1;
892             ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
893         }
894     }
895     return 0;
896 }
897
898 static void dnxhd_load_picture(DNXHDEncContext *ctx, const AVFrame *frame)
899 {
900     int i;
901
902     for (i = 0; i < 3; i++) {
903         ctx->frame.data[i]     = frame->data[i];
904         ctx->frame.linesize[i] = frame->linesize[i];
905     }
906
907     for (i = 0; i < ctx->m.avctx->thread_count; i++) {
908         ctx->thread[i]->m.linesize    = ctx->frame.linesize[0]<<ctx->interlaced;
909         ctx->thread[i]->m.uvlinesize  = ctx->frame.linesize[1]<<ctx->interlaced;
910         ctx->thread[i]->dct_y_offset  = ctx->m.linesize  *8;
911         ctx->thread[i]->dct_uv_offset = ctx->m.uvlinesize*8;
912     }
913
914     ctx->frame.interlaced_frame = frame->interlaced_frame;
915     ctx->cur_field = frame->interlaced_frame && !frame->top_field_first;
916 }
917
918 static int dnxhd_encode_picture(AVCodecContext *avctx, AVPacket *pkt,
919                                 const AVFrame *frame, int *got_packet)
920 {
921     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
922     int first_field = 1;
923     int offset, i, ret;
924     uint8_t *buf;
925
926     if ((ret = ff_alloc_packet2(avctx, pkt, ctx->cid_table->frame_size)) < 0)
927         return ret;
928     buf = pkt->data;
929
930     dnxhd_load_picture(ctx, frame);
931
932  encode_coding_unit:
933     for (i = 0; i < 3; i++) {
934         ctx->src[i] = ctx->frame.data[i];
935         if (ctx->interlaced && ctx->cur_field)
936             ctx->src[i] += ctx->frame.linesize[i];
937     }
938
939     dnxhd_write_header(avctx, buf);
940
941     if (avctx->mb_decision == FF_MB_DECISION_RD)
942         ret = dnxhd_encode_rdo(avctx, ctx);
943     else
944         ret = dnxhd_encode_fast(avctx, ctx);
945     if (ret < 0) {
946         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR,
947                "picture could not fit ratecontrol constraints, increase qmax\n");
948         return -1;
949     }
950
951     dnxhd_setup_threads_slices(ctx);
952
953     offset = 0;
954     for (i = 0; i < ctx->m.mb_height; i++) {
955         AV_WB32(ctx->msip + i * 4, offset);
956         offset += ctx->slice_size[i];
957         av_assert1(!(ctx->slice_size[i] & 3));
958     }
959
960     avctx->execute2(avctx, dnxhd_encode_thread, buf, NULL, ctx->m.mb_height);
961
962     av_assert1(640 + offset + 4 <= ctx->cid_table->coding_unit_size);
963     memset(buf + 640 + offset, 0, ctx->cid_table->coding_unit_size - 4 - offset - 640);
964
965     AV_WB32(buf + ctx->cid_table->coding_unit_size - 4, 0x600DC0DE); // EOF
966
967     if (ctx->interlaced && first_field) {
968         first_field     = 0;
969         ctx->cur_field ^= 1;
970         buf      += ctx->cid_table->coding_unit_size;
971         goto encode_coding_unit;
972     }
973
974     ctx->frame.quality = ctx->qscale*FF_QP2LAMBDA;
975
976     pkt->flags |= AV_PKT_FLAG_KEY;
977     *got_packet = 1;
978     return 0;
979 }
980
981 static int dnxhd_encode_end(AVCodecContext *avctx)
982 {
983     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
984     int max_level = 1<<(ctx->cid_table->bit_depth+2);
985     int i;
986
987     av_free(ctx->vlc_codes-max_level*2);
988     av_free(ctx->vlc_bits -max_level*2);
989     av_freep(&ctx->run_codes);
990     av_freep(&ctx->run_bits);
991
992     av_freep(&ctx->mb_bits);
993     av_freep(&ctx->mb_qscale);
994     av_freep(&ctx->mb_rc);
995     av_freep(&ctx->mb_cmp);
996     av_freep(&ctx->slice_size);
997     av_freep(&ctx->slice_offs);
998
999     av_freep(&ctx->qmatrix_c);
1000     av_freep(&ctx->qmatrix_l);
1001     av_freep(&ctx->qmatrix_c16);
1002     av_freep(&ctx->qmatrix_l16);
1003
1004     for (i = 1; i < avctx->thread_count; i++)
1005         av_freep(&ctx->thread[i]);
1006
1007     return 0;
1008 }
1009
1010 static const AVCodecDefault dnxhd_defaults[] = {
1011     { "qmax", "1024" }, /* Maximum quantization scale factor allowed for VC-3 */
1012     { NULL },
1013 };
1014
1015 AVCodec ff_dnxhd_encoder = {
1016     .name           = "dnxhd",
1017     .type           = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
1018     .id             = AV_CODEC_ID_DNXHD,
1019     .priv_data_size = sizeof(DNXHDEncContext),
1020     .init           = dnxhd_encode_init,
1021     .encode2        = dnxhd_encode_picture,
1022     .close          = dnxhd_encode_end,
1023     .capabilities   = CODEC_CAP_SLICE_THREADS,
1024     .pix_fmts       = (const enum AVPixelFormat[]){ AV_PIX_FMT_YUV422P,
1025                                                   AV_PIX_FMT_YUV422P10,
1026                                                   AV_PIX_FMT_NONE },
1027     .long_name      = NULL_IF_CONFIG_SMALL("VC3/DNxHD"),
1028     .priv_class     = &class,
1029     .defaults       = dnxhd_defaults,
1030 };