dnxhdenc: use the AVFrame API properly.
[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 Libav.
10  *
11  * Libav 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  * Libav 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 Libav; if not, write to the Free Software
23  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
24  */
25
26 #define RC_VARIANCE 1 // use variance or ssd for fast rc
27
28 #include "libavutil/attributes.h"
29 #include "libavutil/internal.h"
30 #include "libavutil/opt.h"
31 #include "avcodec.h"
32 #include "dsputil.h"
33 #include "internal.h"
34 #include "mpegvideo.h"
35 #include "dnxhdenc.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 static const AVClass class = { "dnxhd", av_default_item_name, options, LIBAVUTIL_VERSION_INT };
45
46 #define LAMBDA_FRAC_BITS 10
47
48 static void dnxhd_8bit_get_pixels_8x4_sym(int16_t *restrict block, const uint8_t *pixels, int line_size)
49 {
50     int i;
51     for (i = 0; i < 4; i++) {
52         block[0] = pixels[0]; block[1] = pixels[1];
53         block[2] = pixels[2]; block[3] = pixels[3];
54         block[4] = pixels[4]; block[5] = pixels[5];
55         block[6] = pixels[6]; block[7] = pixels[7];
56         pixels += line_size;
57         block += 8;
58     }
59     memcpy(block,      block -  8, sizeof(*block) * 8);
60     memcpy(block +  8, block - 16, sizeof(*block) * 8);
61     memcpy(block + 16, block - 24, sizeof(*block) * 8);
62     memcpy(block + 24, block - 32, sizeof(*block) * 8);
63 }
64
65 static av_always_inline void dnxhd_10bit_get_pixels_8x4_sym(int16_t *restrict block, const uint8_t *pixels, int line_size)
66 {
67     int i;
68
69     block += 32;
70
71     for (i = 0; i < 4; i++) {
72         memcpy(block + i     * 8, pixels + i * line_size, 8 * sizeof(*block));
73         memcpy(block - (i+1) * 8, pixels + i * line_size, 8 * sizeof(*block));
74     }
75 }
76
77 static int dnxhd_10bit_dct_quantize(MpegEncContext *ctx, int16_t *block,
78                                     int n, int qscale, int *overflow)
79 {
80     const uint8_t *scantable= ctx->intra_scantable.scantable;
81     const int *qmat = ctx->q_intra_matrix[qscale];
82     int last_non_zero = 0;
83     int i;
84
85     ctx->dsp.fdct(block);
86
87     // Divide by 4 with rounding, to compensate scaling of DCT coefficients
88     block[0] = (block[0] + 2) >> 2;
89
90     for (i = 1; i < 64; ++i) {
91         int j = scantable[i];
92         int sign = block[j] >> 31;
93         int level = (block[j] ^ sign) - sign;
94         level = level * qmat[j] >> DNX10BIT_QMAT_SHIFT;
95         block[j] = (level ^ sign) - sign;
96         if (level)
97             last_non_zero = i;
98     }
99
100     return last_non_zero;
101 }
102
103 static av_cold int dnxhd_init_vlc(DNXHDEncContext *ctx)
104 {
105     int i, j, level, run;
106     int max_level = 1<<(ctx->cid_table->bit_depth+2);
107
108     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->vlc_codes, max_level*4*sizeof(*ctx->vlc_codes), fail);
109     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->vlc_bits,  max_level*4*sizeof(*ctx->vlc_bits) , fail);
110     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->run_codes, 63*2,                                fail);
111     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->run_bits,  63,                                  fail);
112
113     ctx->vlc_codes += max_level*2;
114     ctx->vlc_bits  += max_level*2;
115     for (level = -max_level; level < max_level; level++) {
116         for (run = 0; run < 2; run++) {
117             int index = (level<<1)|run;
118             int sign, offset = 0, alevel = level;
119
120             MASK_ABS(sign, alevel);
121             if (alevel > 64) {
122                 offset = (alevel-1)>>6;
123                 alevel -= offset<<6;
124             }
125             for (j = 0; j < 257; j++) {
126                 if (ctx->cid_table->ac_level[j] == alevel &&
127                     (!offset || (ctx->cid_table->ac_index_flag[j] && offset)) &&
128                     (!run    || (ctx->cid_table->ac_run_flag  [j] && run))) {
129                     assert(!ctx->vlc_codes[index]);
130                     if (alevel) {
131                         ctx->vlc_codes[index] = (ctx->cid_table->ac_codes[j]<<1)|(sign&1);
132                         ctx->vlc_bits [index] = ctx->cid_table->ac_bits[j]+1;
133                     } else {
134                         ctx->vlc_codes[index] = ctx->cid_table->ac_codes[j];
135                         ctx->vlc_bits [index] = ctx->cid_table->ac_bits [j];
136                     }
137                     break;
138                 }
139             }
140             assert(!alevel || j < 257);
141             if (offset) {
142                 ctx->vlc_codes[index] = (ctx->vlc_codes[index]<<ctx->cid_table->index_bits)|offset;
143                 ctx->vlc_bits [index]+= ctx->cid_table->index_bits;
144             }
145         }
146     }
147     for (i = 0; i < 62; i++) {
148         int run = ctx->cid_table->run[i];
149         assert(run < 63);
150         ctx->run_codes[run] = ctx->cid_table->run_codes[i];
151         ctx->run_bits [run] = ctx->cid_table->run_bits[i];
152     }
153     return 0;
154  fail:
155     return -1;
156 }
157
158 static av_cold int dnxhd_init_qmat(DNXHDEncContext *ctx, int lbias, int cbias)
159 {
160     // init first elem to 1 to avoid div by 0 in convert_matrix
161     uint16_t weight_matrix[64] = {1,}; // convert_matrix needs uint16_t*
162     int qscale, i;
163     const uint8_t *luma_weight_table   = ctx->cid_table->luma_weight;
164     const uint8_t *chroma_weight_table = ctx->cid_table->chroma_weight;
165
166     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_l,   (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 *     sizeof(int),      fail);
167     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_c,   (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 *     sizeof(int),      fail);
168     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_l16, (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 * 2 * sizeof(uint16_t), fail);
169     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->qmatrix_c16, (ctx->m.avctx->qmax+1) * 64 * 2 * sizeof(uint16_t), fail);
170
171     if (ctx->cid_table->bit_depth == 8) {
172         for (i = 1; i < 64; i++) {
173             int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
174             weight_matrix[j] = ctx->cid_table->luma_weight[i];
175         }
176         ff_convert_matrix(&ctx->m.dsp, ctx->qmatrix_l, ctx->qmatrix_l16, weight_matrix,
177                           ctx->m.intra_quant_bias, 1, ctx->m.avctx->qmax, 1);
178         for (i = 1; i < 64; i++) {
179             int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
180             weight_matrix[j] = ctx->cid_table->chroma_weight[i];
181         }
182         ff_convert_matrix(&ctx->m.dsp, ctx->qmatrix_c, ctx->qmatrix_c16, weight_matrix,
183                           ctx->m.intra_quant_bias, 1, ctx->m.avctx->qmax, 1);
184
185         for (qscale = 1; qscale <= ctx->m.avctx->qmax; qscale++) {
186             for (i = 0; i < 64; i++) {
187                 ctx->qmatrix_l  [qscale]   [i] <<= 2; ctx->qmatrix_c  [qscale]   [i] <<= 2;
188                 ctx->qmatrix_l16[qscale][0][i] <<= 2; ctx->qmatrix_l16[qscale][1][i] <<= 2;
189                 ctx->qmatrix_c16[qscale][0][i] <<= 2; ctx->qmatrix_c16[qscale][1][i] <<= 2;
190             }
191         }
192     } else {
193         // 10-bit
194         for (qscale = 1; qscale <= ctx->m.avctx->qmax; qscale++) {
195             for (i = 1; i < 64; i++) {
196                 int j = ctx->m.dsp.idct_permutation[ff_zigzag_direct[i]];
197
198                 // The quantization formula from the VC-3 standard is:
199                 // quantized = sign(block[i]) * floor(abs(block[i]/s) * p / (qscale * weight_table[i]))
200                 // Where p is 32 for 8-bit samples and 8 for 10-bit ones.
201                 // The s factor compensates scaling of DCT coefficients done by the DCT routines,
202                 // and therefore is not present in standard.  It's 8 for 8-bit samples and 4 for 10-bit ones.
203                 // We want values of ctx->qtmatrix_l and ctx->qtmatrix_r to be:
204                 // ((1 << DNX10BIT_QMAT_SHIFT) * (p / s)) / (qscale * weight_table[i])
205                 // For 10-bit samples, p / s == 2
206                 ctx->qmatrix_l[qscale][j] = (1 << (DNX10BIT_QMAT_SHIFT + 1)) / (qscale * luma_weight_table[i]);
207                 ctx->qmatrix_c[qscale][j] = (1 << (DNX10BIT_QMAT_SHIFT + 1)) / (qscale * chroma_weight_table[i]);
208             }
209         }
210     }
211
212     return 0;
213  fail:
214     return -1;
215 }
216
217 static av_cold int dnxhd_init_rc(DNXHDEncContext *ctx)
218 {
219     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_rc, 8160*ctx->m.avctx->qmax*sizeof(RCEntry), fail);
220     if (ctx->m.avctx->mb_decision != FF_MB_DECISION_RD)
221         FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_cmp, ctx->m.mb_num*sizeof(RCCMPEntry), fail);
222
223     ctx->frame_bits = (ctx->cid_table->coding_unit_size - 640 - 4 - ctx->min_padding) * 8;
224     ctx->qscale = 1;
225     ctx->lambda = 2<<LAMBDA_FRAC_BITS; // qscale 2
226     return 0;
227  fail:
228     return -1;
229 }
230
231 static av_cold int dnxhd_encode_init(AVCodecContext *avctx)
232 {
233     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
234     int i, index, bit_depth;
235
236     switch (avctx->pix_fmt) {
237     case AV_PIX_FMT_YUV422P:
238         bit_depth = 8;
239         break;
240     case AV_PIX_FMT_YUV422P10:
241         bit_depth = 10;
242         break;
243     default:
244         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "pixel format is incompatible with DNxHD\n");
245         return -1;
246     }
247
248     ctx->cid = ff_dnxhd_find_cid(avctx, bit_depth);
249     if (!ctx->cid) {
250         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "video parameters incompatible with DNxHD\n");
251         return -1;
252     }
253     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "cid %d\n", ctx->cid);
254
255     index = ff_dnxhd_get_cid_table(ctx->cid);
256     ctx->cid_table = &ff_dnxhd_cid_table[index];
257
258     ctx->m.avctx = avctx;
259     ctx->m.mb_intra = 1;
260     ctx->m.h263_aic = 1;
261
262     avctx->bits_per_raw_sample = ctx->cid_table->bit_depth;
263
264     ff_dsputil_init(&ctx->m.dsp, avctx);
265     ff_dct_common_init(&ctx->m);
266     if (!ctx->m.dct_quantize)
267         ctx->m.dct_quantize = ff_dct_quantize_c;
268
269     if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
270        ctx->m.dct_quantize = dnxhd_10bit_dct_quantize;
271        ctx->get_pixels_8x4_sym = dnxhd_10bit_get_pixels_8x4_sym;
272        ctx->block_width_l2 = 4;
273     } else {
274        ctx->get_pixels_8x4_sym = dnxhd_8bit_get_pixels_8x4_sym;
275        ctx->block_width_l2 = 3;
276     }
277
278     if (ARCH_X86)
279         ff_dnxhdenc_init_x86(ctx);
280
281     ctx->m.mb_height = (avctx->height + 15) / 16;
282     ctx->m.mb_width  = (avctx->width  + 15) / 16;
283
284     if (avctx->flags & CODEC_FLAG_INTERLACED_DCT) {
285         ctx->interlaced = 1;
286         ctx->m.mb_height /= 2;
287     }
288
289     ctx->m.mb_num = ctx->m.mb_height * ctx->m.mb_width;
290
291     if (avctx->intra_quant_bias != FF_DEFAULT_QUANT_BIAS)
292         ctx->m.intra_quant_bias = avctx->intra_quant_bias;
293     if (dnxhd_init_qmat(ctx, ctx->m.intra_quant_bias, 0) < 0) // XXX tune lbias/cbias
294         return -1;
295
296     // Avid Nitris hardware decoder requires a minimum amount of padding in the coding unit payload
297     if (ctx->nitris_compat)
298         ctx->min_padding = 1600;
299
300     if (dnxhd_init_vlc(ctx) < 0)
301         return -1;
302     if (dnxhd_init_rc(ctx) < 0)
303         return -1;
304
305     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->slice_size, ctx->m.mb_height*sizeof(uint32_t), fail);
306     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->slice_offs, ctx->m.mb_height*sizeof(uint32_t), fail);
307     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_bits,    ctx->m.mb_num   *sizeof(uint16_t), fail);
308     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_qscale,  ctx->m.mb_num   *sizeof(uint8_t),  fail);
309
310     avctx->coded_frame = av_frame_alloc();
311     if (!avctx->coded_frame)
312         return AVERROR(ENOMEM);
313
314     avctx->coded_frame->key_frame = 1;
315     avctx->coded_frame->pict_type = AV_PICTURE_TYPE_I;
316
317     if (avctx->thread_count > MAX_THREADS) {
318         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "too many threads\n");
319         return -1;
320     }
321
322     ctx->thread[0] = ctx;
323     for (i = 1; i < avctx->thread_count; i++) {
324         ctx->thread[i] =  av_malloc(sizeof(DNXHDEncContext));
325         memcpy(ctx->thread[i], ctx, sizeof(DNXHDEncContext));
326     }
327
328     return 0;
329  fail: //for FF_ALLOCZ_OR_GOTO
330     return -1;
331 }
332
333 static int dnxhd_write_header(AVCodecContext *avctx, uint8_t *buf)
334 {
335     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
336     const uint8_t header_prefix[5] = { 0x00,0x00,0x02,0x80,0x01 };
337
338     memset(buf, 0, 640);
339
340     memcpy(buf, header_prefix, 5);
341     buf[5] = ctx->interlaced ? ctx->cur_field+2 : 0x01;
342     buf[6] = 0x80; // crc flag off
343     buf[7] = 0xa0; // reserved
344     AV_WB16(buf + 0x18, avctx->height>>ctx->interlaced); // ALPF
345     AV_WB16(buf + 0x1a, avctx->width);  // SPL
346     AV_WB16(buf + 0x1d, avctx->height>>ctx->interlaced); // NAL
347
348     buf[0x21] = ctx->cid_table->bit_depth == 10 ? 0x58 : 0x38;
349     buf[0x22] = 0x88 + (ctx->interlaced<<2);
350     AV_WB32(buf + 0x28, ctx->cid); // CID
351     buf[0x2c] = ctx->interlaced ? 0 : 0x80;
352
353     buf[0x5f] = 0x01; // UDL
354
355     buf[0x167] = 0x02; // reserved
356     AV_WB16(buf + 0x16a, ctx->m.mb_height * 4 + 4); // MSIPS
357     buf[0x16d] = ctx->m.mb_height; // Ns
358     buf[0x16f] = 0x10; // reserved
359
360     ctx->msip = buf + 0x170;
361     return 0;
362 }
363
364 static av_always_inline void dnxhd_encode_dc(DNXHDEncContext *ctx, int diff)
365 {
366     int nbits;
367     if (diff < 0) {
368         nbits = av_log2_16bit(-2*diff);
369         diff--;
370     } else {
371         nbits = av_log2_16bit(2*diff);
372     }
373     put_bits(&ctx->m.pb, ctx->cid_table->dc_bits[nbits] + nbits,
374              (ctx->cid_table->dc_codes[nbits]<<nbits) + (diff & ((1 << nbits) - 1)));
375 }
376
377 static av_always_inline void dnxhd_encode_block(DNXHDEncContext *ctx, int16_t *block, int last_index, int n)
378 {
379     int last_non_zero = 0;
380     int slevel, i, j;
381
382     dnxhd_encode_dc(ctx, block[0] - ctx->m.last_dc[n]);
383     ctx->m.last_dc[n] = block[0];
384
385     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
386         j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
387         slevel = block[j];
388         if (slevel) {
389             int run_level = i - last_non_zero - 1;
390             int rlevel = (slevel<<1)|!!run_level;
391             put_bits(&ctx->m.pb, ctx->vlc_bits[rlevel], ctx->vlc_codes[rlevel]);
392             if (run_level)
393                 put_bits(&ctx->m.pb, ctx->run_bits[run_level], ctx->run_codes[run_level]);
394             last_non_zero = i;
395         }
396     }
397     put_bits(&ctx->m.pb, ctx->vlc_bits[0], ctx->vlc_codes[0]); // EOB
398 }
399
400 static av_always_inline void dnxhd_unquantize_c(DNXHDEncContext *ctx, int16_t *block, int n, int qscale, int last_index)
401 {
402     const uint8_t *weight_matrix;
403     int level;
404     int i;
405
406     weight_matrix = (n&2) ? ctx->cid_table->chroma_weight : ctx->cid_table->luma_weight;
407
408     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
409         int j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
410         level = block[j];
411         if (level) {
412             if (level < 0) {
413                 level = (1-2*level) * qscale * weight_matrix[i];
414                 if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
415                     if (weight_matrix[i] != 8)
416                         level += 8;
417                     level >>= 4;
418                 } else {
419                     if (weight_matrix[i] != 32)
420                         level += 32;
421                     level >>= 6;
422                 }
423                 level = -level;
424             } else {
425                 level = (2*level+1) * qscale * weight_matrix[i];
426                 if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
427                     if (weight_matrix[i] != 8)
428                         level += 8;
429                     level >>= 4;
430                 } else {
431                     if (weight_matrix[i] != 32)
432                         level += 32;
433                     level >>= 6;
434                 }
435             }
436             block[j] = level;
437         }
438     }
439 }
440
441 static av_always_inline int dnxhd_ssd_block(int16_t *qblock, int16_t *block)
442 {
443     int score = 0;
444     int i;
445     for (i = 0; i < 64; i++)
446         score += (block[i] - qblock[i]) * (block[i] - qblock[i]);
447     return score;
448 }
449
450 static av_always_inline int dnxhd_calc_ac_bits(DNXHDEncContext *ctx, int16_t *block, int last_index)
451 {
452     int last_non_zero = 0;
453     int bits = 0;
454     int i, j, level;
455     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
456         j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
457         level = block[j];
458         if (level) {
459             int run_level = i - last_non_zero - 1;
460             bits += ctx->vlc_bits[(level<<1)|!!run_level]+ctx->run_bits[run_level];
461             last_non_zero = i;
462         }
463     }
464     return bits;
465 }
466
467 static av_always_inline void dnxhd_get_blocks(DNXHDEncContext *ctx, int mb_x, int mb_y)
468 {
469     const int bs = ctx->block_width_l2;
470     const int bw = 1 << bs;
471     const uint8_t *ptr_y = ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y << 4) * ctx->m.linesize)   + (mb_x << bs+1);
472     const uint8_t *ptr_u = ctx->thread[0]->src[1] + ((mb_y << 4) * ctx->m.uvlinesize) + (mb_x << bs);
473     const uint8_t *ptr_v = ctx->thread[0]->src[2] + ((mb_y << 4) * ctx->m.uvlinesize) + (mb_x << bs);
474     DSPContext *dsp = &ctx->m.dsp;
475
476     dsp->get_pixels(ctx->blocks[0], ptr_y,      ctx->m.linesize);
477     dsp->get_pixels(ctx->blocks[1], ptr_y + bw, ctx->m.linesize);
478     dsp->get_pixels(ctx->blocks[2], ptr_u,      ctx->m.uvlinesize);
479     dsp->get_pixels(ctx->blocks[3], ptr_v,      ctx->m.uvlinesize);
480
481     if (mb_y+1 == ctx->m.mb_height && ctx->m.avctx->height == 1080) {
482         if (ctx->interlaced) {
483             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[4], ptr_y + ctx->dct_y_offset,      ctx->m.linesize);
484             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[5], ptr_y + ctx->dct_y_offset + bw, ctx->m.linesize);
485             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[6], ptr_u + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
486             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[7], ptr_v + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
487         } else {
488             dsp->clear_block(ctx->blocks[4]);
489             dsp->clear_block(ctx->blocks[5]);
490             dsp->clear_block(ctx->blocks[6]);
491             dsp->clear_block(ctx->blocks[7]);
492         }
493     } else {
494         dsp->get_pixels(ctx->blocks[4], ptr_y + ctx->dct_y_offset,      ctx->m.linesize);
495         dsp->get_pixels(ctx->blocks[5], ptr_y + ctx->dct_y_offset + bw, ctx->m.linesize);
496         dsp->get_pixels(ctx->blocks[6], ptr_u + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
497         dsp->get_pixels(ctx->blocks[7], ptr_v + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
498     }
499 }
500
501 static av_always_inline int dnxhd_switch_matrix(DNXHDEncContext *ctx, int i)
502 {
503     if (i&2) {
504         ctx->m.q_intra_matrix16 = ctx->qmatrix_c16;
505         ctx->m.q_intra_matrix   = ctx->qmatrix_c;
506         return 1 + (i&1);
507     } else {
508         ctx->m.q_intra_matrix16 = ctx->qmatrix_l16;
509         ctx->m.q_intra_matrix   = ctx->qmatrix_l;
510         return 0;
511     }
512 }
513
514 static int dnxhd_calc_bits_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
515 {
516     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
517     int mb_y = jobnr, mb_x;
518     int qscale = ctx->qscale;
519     LOCAL_ALIGNED_16(int16_t, block, [64]);
520     ctx = ctx->thread[threadnr];
521
522     ctx->m.last_dc[0] =
523     ctx->m.last_dc[1] =
524     ctx->m.last_dc[2] = 1 << (ctx->cid_table->bit_depth + 2);
525
526     for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
527         unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
528         int ssd     = 0;
529         int ac_bits = 0;
530         int dc_bits = 0;
531         int i;
532
533         dnxhd_get_blocks(ctx, mb_x, mb_y);
534
535         for (i = 0; i < 8; i++) {
536             int16_t *src_block = ctx->blocks[i];
537             int overflow, nbits, diff, last_index;
538             int n = dnxhd_switch_matrix(ctx, i);
539
540             memcpy(block, src_block, 64*sizeof(*block));
541             last_index = ctx->m.dct_quantize(&ctx->m, block, i, qscale, &overflow);
542             ac_bits += dnxhd_calc_ac_bits(ctx, block, last_index);
543
544             diff = block[0] - ctx->m.last_dc[n];
545             if (diff < 0) nbits = av_log2_16bit(-2*diff);
546             else          nbits = av_log2_16bit( 2*diff);
547
548             assert(nbits < ctx->cid_table->bit_depth + 4);
549             dc_bits += ctx->cid_table->dc_bits[nbits] + nbits;
550
551             ctx->m.last_dc[n] = block[0];
552
553             if (avctx->mb_decision == FF_MB_DECISION_RD || !RC_VARIANCE) {
554                 dnxhd_unquantize_c(ctx, block, i, qscale, last_index);
555                 ctx->m.dsp.idct(block);
556                 ssd += dnxhd_ssd_block(block, src_block);
557             }
558         }
559         ctx->mb_rc[qscale][mb].ssd = ssd;
560         ctx->mb_rc[qscale][mb].bits = ac_bits+dc_bits+12+8*ctx->vlc_bits[0];
561     }
562     return 0;
563 }
564
565 static int dnxhd_encode_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
566 {
567     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
568     int mb_y = jobnr, mb_x;
569     ctx = ctx->thread[threadnr];
570     init_put_bits(&ctx->m.pb, (uint8_t *)arg + 640 + ctx->slice_offs[jobnr], ctx->slice_size[jobnr]);
571
572     ctx->m.last_dc[0] =
573     ctx->m.last_dc[1] =
574     ctx->m.last_dc[2] = 1 << (ctx->cid_table->bit_depth + 2);
575     for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
576         unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
577         int qscale = ctx->mb_qscale[mb];
578         int i;
579
580         put_bits(&ctx->m.pb, 12, qscale<<1);
581
582         dnxhd_get_blocks(ctx, mb_x, mb_y);
583
584         for (i = 0; i < 8; i++) {
585             int16_t *block = ctx->blocks[i];
586             int overflow, n = dnxhd_switch_matrix(ctx, i);
587             int last_index = ctx->m.dct_quantize(&ctx->m, block, i,
588                                                  qscale, &overflow);
589             //START_TIMER;
590             dnxhd_encode_block(ctx, block, last_index, n);
591             //STOP_TIMER("encode_block");
592         }
593     }
594     if (put_bits_count(&ctx->m.pb)&31)
595         put_bits(&ctx->m.pb, 32-(put_bits_count(&ctx->m.pb)&31), 0);
596     flush_put_bits(&ctx->m.pb);
597     return 0;
598 }
599
600 static void dnxhd_setup_threads_slices(DNXHDEncContext *ctx)
601 {
602     int mb_y, mb_x;
603     int offset = 0;
604     for (mb_y = 0; mb_y < ctx->m.mb_height; mb_y++) {
605         int thread_size;
606         ctx->slice_offs[mb_y] = offset;
607         ctx->slice_size[mb_y] = 0;
608         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
609             unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
610             ctx->slice_size[mb_y] += ctx->mb_bits[mb];
611         }
612         ctx->slice_size[mb_y] = (ctx->slice_size[mb_y]+31)&~31;
613         ctx->slice_size[mb_y] >>= 3;
614         thread_size = ctx->slice_size[mb_y];
615         offset += thread_size;
616     }
617 }
618
619 static int dnxhd_mb_var_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
620 {
621     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
622     int mb_y = jobnr, mb_x, x, y;
623     int partial_last_row = (mb_y == ctx->m.mb_height - 1) &&
624                            ((avctx->height >> ctx->interlaced) & 0xF);
625
626     ctx = ctx->thread[threadnr];
627     if (ctx->cid_table->bit_depth == 8) {
628         uint8_t *pix = ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y<<4) * ctx->m.linesize);
629         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; ++mb_x, pix += 16) {
630             unsigned mb  = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
631             int sum;
632             int varc;
633
634             if (!partial_last_row && mb_x * 16 <= avctx->width - 16) {
635                 sum  = ctx->m.dsp.pix_sum(pix, ctx->m.linesize);
636                 varc = ctx->m.dsp.pix_norm1(pix, ctx->m.linesize);
637             } else {
638                 int bw = FFMIN(avctx->width - 16 * mb_x, 16);
639                 int bh = FFMIN((avctx->height >> ctx->interlaced) - 16 * mb_y, 16);
640                 sum = varc = 0;
641                 for (y = 0; y < bh; y++) {
642                     for (x = 0; x < bw; x++) {
643                         uint8_t val = pix[x + y * ctx->m.linesize];
644                         sum  += val;
645                         varc += val * val;
646                     }
647                 }
648             }
649             varc = (varc - (((unsigned)sum * sum) >> 8) + 128) >> 8;
650
651             ctx->mb_cmp[mb].value = varc;
652             ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
653         }
654     } else { // 10-bit
655         int const linesize = ctx->m.linesize >> 1;
656         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; ++mb_x) {
657             uint16_t *pix = (uint16_t*)ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y << 4) * linesize) + (mb_x << 4);
658             unsigned mb  = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
659             int sum = 0;
660             int sqsum = 0;
661             int mean, sqmean;
662             int i, j;
663             // Macroblocks are 16x16 pixels, unlike DCT blocks which are 8x8.
664             for (i = 0; i < 16; ++i) {
665                 for (j = 0; j < 16; ++j) {
666                     // Turn 16-bit pixels into 10-bit ones.
667                     int const sample = (unsigned)pix[j] >> 6;
668                     sum += sample;
669                     sqsum += sample * sample;
670                     // 2^10 * 2^10 * 16 * 16 = 2^28, which is less than INT_MAX
671                 }
672                 pix += linesize;
673             }
674             mean = sum >> 8; // 16*16 == 2^8
675             sqmean = sqsum >> 8;
676             ctx->mb_cmp[mb].value = sqmean - mean * mean;
677             ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
678         }
679     }
680     return 0;
681 }
682
683 static int dnxhd_encode_rdo(AVCodecContext *avctx, DNXHDEncContext *ctx)
684 {
685     int lambda, up_step, down_step;
686     int last_lower = INT_MAX, last_higher = 0;
687     int x, y, q;
688
689     for (q = 1; q < avctx->qmax; q++) {
690         ctx->qscale = q;
691         avctx->execute2(avctx, dnxhd_calc_bits_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
692     }
693     up_step = down_step = 2<<LAMBDA_FRAC_BITS;
694     lambda = ctx->lambda;
695
696     for (;;) {
697         int bits = 0;
698         int end = 0;
699         if (lambda == last_higher) {
700             lambda++;
701             end = 1; // need to set final qscales/bits
702         }
703         for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
704             for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++) {
705                 unsigned min = UINT_MAX;
706                 int qscale = 1;
707                 int mb = y*ctx->m.mb_width+x;
708                 for (q = 1; q < avctx->qmax; q++) {
709                     unsigned score = ctx->mb_rc[q][mb].bits*lambda+
710                         ((unsigned)ctx->mb_rc[q][mb].ssd<<LAMBDA_FRAC_BITS);
711                     if (score < min) {
712                         min = score;
713                         qscale = q;
714                     }
715                 }
716                 bits += ctx->mb_rc[qscale][mb].bits;
717                 ctx->mb_qscale[mb] = qscale;
718                 ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[qscale][mb].bits;
719             }
720             bits = (bits+31)&~31; // padding
721             if (bits > ctx->frame_bits)
722                 break;
723         }
724         //av_dlog(ctx->m.avctx, "lambda %d, up %u, down %u, bits %d, frame %d\n",
725         //        lambda, last_higher, last_lower, bits, ctx->frame_bits);
726         if (end) {
727             if (bits > ctx->frame_bits)
728                 return -1;
729             break;
730         }
731         if (bits < ctx->frame_bits) {
732             last_lower = FFMIN(lambda, last_lower);
733             if (last_higher != 0)
734                 lambda = (lambda+last_higher)>>1;
735             else
736                 lambda -= down_step;
737             down_step = FFMIN((int64_t)down_step*5, INT_MAX);
738             up_step = 1<<LAMBDA_FRAC_BITS;
739             lambda = FFMAX(1, lambda);
740             if (lambda == last_lower)
741                 break;
742         } else {
743             last_higher = FFMAX(lambda, last_higher);
744             if (last_lower != INT_MAX)
745                 lambda = (lambda+last_lower)>>1;
746             else if ((int64_t)lambda + up_step > INT_MAX)
747                 return -1;
748             else
749                 lambda += up_step;
750             up_step = FFMIN((int64_t)up_step*5, INT_MAX);
751             down_step = 1<<LAMBDA_FRAC_BITS;
752         }
753     }
754     //av_dlog(ctx->m.avctx, "out lambda %d\n", lambda);
755     ctx->lambda = lambda;
756     return 0;
757 }
758
759 static int dnxhd_find_qscale(DNXHDEncContext *ctx)
760 {
761     int bits = 0;
762     int up_step = 1;
763     int down_step = 1;
764     int last_higher = 0;
765     int last_lower = INT_MAX;
766     int qscale;
767     int x, y;
768
769     qscale = ctx->qscale;
770     for (;;) {
771         bits = 0;
772         ctx->qscale = qscale;
773         // XXX avoid recalculating bits
774         ctx->m.avctx->execute2(ctx->m.avctx, dnxhd_calc_bits_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
775         for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
776             for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++)
777                 bits += ctx->mb_rc[qscale][y*ctx->m.mb_width+x].bits;
778             bits = (bits+31)&~31; // padding
779             if (bits > ctx->frame_bits)
780                 break;
781         }
782         //av_dlog(ctx->m.avctx, "%d, qscale %d, bits %d, frame %d, higher %d, lower %d\n",
783         //        ctx->m.avctx->frame_number, qscale, bits, ctx->frame_bits, last_higher, last_lower);
784         if (bits < ctx->frame_bits) {
785             if (qscale == 1)
786                 return 1;
787             if (last_higher == qscale - 1) {
788                 qscale = last_higher;
789                 break;
790             }
791             last_lower = FFMIN(qscale, last_lower);
792             if (last_higher != 0)
793                 qscale = (qscale+last_higher)>>1;
794             else
795                 qscale -= down_step++;
796             if (qscale < 1)
797                 qscale = 1;
798             up_step = 1;
799         } else {
800             if (last_lower == qscale + 1)
801                 break;
802             last_higher = FFMAX(qscale, last_higher);
803             if (last_lower != INT_MAX)
804                 qscale = (qscale+last_lower)>>1;
805             else
806                 qscale += up_step++;
807             down_step = 1;
808             if (qscale >= ctx->m.avctx->qmax)
809                 return -1;
810         }
811     }
812     //av_dlog(ctx->m.avctx, "out qscale %d\n", qscale);
813     ctx->qscale = qscale;
814     return 0;
815 }
816
817 #define BUCKET_BITS 8
818 #define RADIX_PASSES 4
819 #define NBUCKETS (1 << BUCKET_BITS)
820
821 static inline int get_bucket(int value, int shift)
822 {
823     value >>= shift;
824     value &= NBUCKETS - 1;
825     return NBUCKETS - 1 - value;
826 }
827
828 static void radix_count(const RCCMPEntry *data, int size, int buckets[RADIX_PASSES][NBUCKETS])
829 {
830     int i, j;
831     memset(buckets, 0, sizeof(buckets[0][0]) * RADIX_PASSES * NBUCKETS);
832     for (i = 0; i < size; i++) {
833         int v = data[i].value;
834         for (j = 0; j < RADIX_PASSES; j++) {
835             buckets[j][get_bucket(v, 0)]++;
836             v >>= BUCKET_BITS;
837         }
838         assert(!v);
839     }
840     for (j = 0; j < RADIX_PASSES; j++) {
841         int offset = size;
842         for (i = NBUCKETS - 1; i >= 0; i--)
843             buckets[j][i] = offset -= buckets[j][i];
844         assert(!buckets[j][0]);
845     }
846 }
847
848 static void radix_sort_pass(RCCMPEntry *dst, const RCCMPEntry *data, int size, int buckets[NBUCKETS], int pass)
849 {
850     int shift = pass * BUCKET_BITS;
851     int i;
852     for (i = 0; i < size; i++) {
853         int v = get_bucket(data[i].value, shift);
854         int pos = buckets[v]++;
855         dst[pos] = data[i];
856     }
857 }
858
859 static void radix_sort(RCCMPEntry *data, int size)
860 {
861     int buckets[RADIX_PASSES][NBUCKETS];
862     RCCMPEntry *tmp = av_malloc(sizeof(*tmp) * size);
863     radix_count(data, size, buckets);
864     radix_sort_pass(tmp, data, size, buckets[0], 0);
865     radix_sort_pass(data, tmp, size, buckets[1], 1);
866     if (buckets[2][NBUCKETS - 1] || buckets[3][NBUCKETS - 1]) {
867         radix_sort_pass(tmp, data, size, buckets[2], 2);
868         radix_sort_pass(data, tmp, size, buckets[3], 3);
869     }
870     av_free(tmp);
871 }
872
873 static int dnxhd_encode_fast(AVCodecContext *avctx, DNXHDEncContext *ctx)
874 {
875     int max_bits = 0;
876     int ret, x, y;
877     if ((ret = dnxhd_find_qscale(ctx)) < 0)
878         return -1;
879     for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
880         for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++) {
881             int mb = y*ctx->m.mb_width+x;
882             int delta_bits;
883             ctx->mb_qscale[mb] = ctx->qscale;
884             ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits;
885             max_bits += ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits;
886             if (!RC_VARIANCE) {
887                 delta_bits = ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits-ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
888                 ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
889                 ctx->mb_cmp[mb].value = delta_bits ?
890                     ((ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].ssd-ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].ssd)*100)/delta_bits
891                     : INT_MIN; //avoid increasing qscale
892             }
893         }
894         max_bits += 31; //worst padding
895     }
896     if (!ret) {
897         if (RC_VARIANCE)
898             avctx->execute2(avctx, dnxhd_mb_var_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
899         radix_sort(ctx->mb_cmp, ctx->m.mb_num);
900         for (x = 0; x < ctx->m.mb_num && max_bits > ctx->frame_bits; x++) {
901             int mb = ctx->mb_cmp[x].mb;
902             max_bits -= ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits - ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
903             ctx->mb_qscale[mb] = ctx->qscale+1;
904             ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
905         }
906     }
907     return 0;
908 }
909
910 static void dnxhd_load_picture(DNXHDEncContext *ctx, const AVFrame *frame)
911 {
912     int i;
913
914     for (i = 0; i < ctx->m.avctx->thread_count; i++) {
915         ctx->thread[i]->m.linesize    = frame->linesize[0] << ctx->interlaced;
916         ctx->thread[i]->m.uvlinesize  = frame->linesize[1] << ctx->interlaced;
917         ctx->thread[i]->dct_y_offset  = ctx->m.linesize  *8;
918         ctx->thread[i]->dct_uv_offset = ctx->m.uvlinesize*8;
919     }
920
921     ctx->m.avctx->coded_frame->interlaced_frame = frame->interlaced_frame;
922     ctx->cur_field = frame->interlaced_frame && !frame->top_field_first;
923 }
924
925 static int dnxhd_encode_picture(AVCodecContext *avctx, AVPacket *pkt,
926                                 const AVFrame *frame, int *got_packet)
927 {
928     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
929     int first_field = 1;
930     int offset, i, ret;
931     uint8_t *buf;
932
933     if ((ret = ff_alloc_packet(pkt, ctx->cid_table->frame_size)) < 0) {
934         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "output buffer is too small to compress picture\n");
935         return ret;
936     }
937     buf = pkt->data;
938
939     dnxhd_load_picture(ctx, frame);
940
941  encode_coding_unit:
942     for (i = 0; i < 3; i++) {
943         ctx->src[i] = frame->data[i];
944         if (ctx->interlaced && ctx->cur_field)
945             ctx->src[i] += frame->linesize[i];
946     }
947
948     dnxhd_write_header(avctx, buf);
949
950     if (avctx->mb_decision == FF_MB_DECISION_RD)
951         ret = dnxhd_encode_rdo(avctx, ctx);
952     else
953         ret = dnxhd_encode_fast(avctx, ctx);
954     if (ret < 0) {
955         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR,
956                "picture could not fit ratecontrol constraints, increase qmax\n");
957         return -1;
958     }
959
960     dnxhd_setup_threads_slices(ctx);
961
962     offset = 0;
963     for (i = 0; i < ctx->m.mb_height; i++) {
964         AV_WB32(ctx->msip + i * 4, offset);
965         offset += ctx->slice_size[i];
966         assert(!(ctx->slice_size[i] & 3));
967     }
968
969     avctx->execute2(avctx, dnxhd_encode_thread, buf, NULL, ctx->m.mb_height);
970
971     assert(640 + offset + 4 <= ctx->cid_table->coding_unit_size);
972     memset(buf + 640 + offset, 0, ctx->cid_table->coding_unit_size - 4 - offset - 640);
973
974     AV_WB32(buf + ctx->cid_table->coding_unit_size - 4, 0x600DC0DE); // EOF
975
976     if (ctx->interlaced && first_field) {
977         first_field     = 0;
978         ctx->cur_field ^= 1;
979         buf      += ctx->cid_table->coding_unit_size;
980         goto encode_coding_unit;
981     }
982
983     avctx->coded_frame->quality = ctx->qscale * FF_QP2LAMBDA;
984
985     pkt->flags |= AV_PKT_FLAG_KEY;
986     *got_packet = 1;
987     return 0;
988 }
989
990 static av_cold int dnxhd_encode_end(AVCodecContext *avctx)
991 {
992     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
993     int max_level = 1<<(ctx->cid_table->bit_depth+2);
994     int i;
995
996     av_free(ctx->vlc_codes-max_level*2);
997     av_free(ctx->vlc_bits -max_level*2);
998     av_freep(&ctx->run_codes);
999     av_freep(&ctx->run_bits);
1000
1001     av_freep(&ctx->mb_bits);
1002     av_freep(&ctx->mb_qscale);
1003     av_freep(&ctx->mb_rc);
1004     av_freep(&ctx->mb_cmp);
1005     av_freep(&ctx->slice_size);
1006     av_freep(&ctx->slice_offs);
1007
1008     av_freep(&ctx->qmatrix_c);
1009     av_freep(&ctx->qmatrix_l);
1010     av_freep(&ctx->qmatrix_c16);
1011     av_freep(&ctx->qmatrix_l16);
1012
1013     for (i = 1; i < avctx->thread_count; i++)
1014         av_freep(&ctx->thread[i]);
1015
1016     av_frame_free(&avctx->coded_frame);
1017
1018     return 0;
1019 }
1020
1021 AVCodec ff_dnxhd_encoder = {
1022     .name           = "dnxhd",
1023     .long_name      = NULL_IF_CONFIG_SMALL("VC3/DNxHD"),
1024     .type           = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
1025     .id             = AV_CODEC_ID_DNXHD,
1026     .priv_data_size = sizeof(DNXHDEncContext),
1027     .init           = dnxhd_encode_init,
1028     .encode2        = dnxhd_encode_picture,
1029     .close          = dnxhd_encode_end,
1030     .capabilities   = CODEC_CAP_SLICE_THREADS,
1031     .pix_fmts       = (const enum AVPixelFormat[]){ AV_PIX_FMT_YUV422P,
1032                                                   AV_PIX_FMT_YUV422P10,
1033                                                   AV_PIX_FMT_NONE },
1034     .priv_class     = &class,
1035 };