Merge commit '57e7b3a89f5a0879ad039e8f04273b48649799a8'
[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 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
45 static const AVClass dnxhd_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(int16_t *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(int16_t *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, int16_t *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 av_cold 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 av_cold 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 av_cold 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 av_cold 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. Valid DNxHD profiles:\n");
270         ff_dnxhd_print_profiles(avctx, AV_LOG_ERROR);
271         return -1;
272     }
273     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "cid %d\n", ctx->cid);
274
275     index = ff_dnxhd_get_cid_table(ctx->cid);
276     av_assert0(index >= 0);
277     ctx->cid_table = &ff_dnxhd_cid_table[index];
278
279     ctx->m.avctx = avctx;
280     ctx->m.mb_intra = 1;
281     ctx->m.h263_aic = 1;
282
283     avctx->bits_per_raw_sample = ctx->cid_table->bit_depth;
284
285     ff_dct_common_init(&ctx->m);
286     ff_dct_encode_init(&ctx->m);
287
288     if (!ctx->m.dct_quantize)
289         ctx->m.dct_quantize = ff_dct_quantize_c;
290
291     if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
292        ctx->m.dct_quantize = dnxhd_10bit_dct_quantize;
293        ctx->get_pixels_8x4_sym = dnxhd_10bit_get_pixels_8x4_sym;
294        ctx->block_width_l2 = 4;
295     } else {
296        ctx->get_pixels_8x4_sym = dnxhd_8bit_get_pixels_8x4_sym;
297        ctx->block_width_l2 = 3;
298     }
299
300     if (ARCH_X86)
301         ff_dnxhdenc_init_x86(ctx);
302
303     ctx->m.mb_height = (avctx->height + 15) / 16;
304     ctx->m.mb_width  = (avctx->width  + 15) / 16;
305
306     if (avctx->flags & CODEC_FLAG_INTERLACED_DCT) {
307         ctx->interlaced = 1;
308         ctx->m.mb_height /= 2;
309     }
310
311     ctx->m.mb_num = ctx->m.mb_height * ctx->m.mb_width;
312
313     if (avctx->intra_quant_bias != FF_DEFAULT_QUANT_BIAS)
314         ctx->m.intra_quant_bias = avctx->intra_quant_bias;
315     if (dnxhd_init_qmat(ctx, ctx->m.intra_quant_bias, 0) < 0) // XXX tune lbias/cbias
316         return -1;
317
318     // Avid Nitris hardware decoder requires a minimum amount of padding in the coding unit payload
319     if (ctx->nitris_compat)
320         ctx->min_padding = 1600;
321
322     if (dnxhd_init_vlc(ctx) < 0)
323         return -1;
324     if (dnxhd_init_rc(ctx) < 0)
325         return -1;
326
327     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->slice_size, ctx->m.mb_height*sizeof(uint32_t), fail);
328     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->slice_offs, ctx->m.mb_height*sizeof(uint32_t), fail);
329     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_bits,    ctx->m.mb_num   *sizeof(uint16_t), fail);
330     FF_ALLOCZ_OR_GOTO(ctx->m.avctx, ctx->mb_qscale,  ctx->m.mb_num   *sizeof(uint8_t),  fail);
331
332     avctx->coded_frame = av_frame_alloc();
333     if (!avctx->coded_frame)
334         return AVERROR(ENOMEM);
335
336     avctx->coded_frame->key_frame = 1;
337     avctx->coded_frame->pict_type = AV_PICTURE_TYPE_I;
338
339     if (avctx->thread_count > MAX_THREADS) {
340         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "too many threads\n");
341         return -1;
342     }
343
344     ctx->thread[0] = ctx;
345     for (i = 1; i < avctx->thread_count; i++) {
346         ctx->thread[i] =  av_malloc(sizeof(DNXHDEncContext));
347         memcpy(ctx->thread[i], ctx, sizeof(DNXHDEncContext));
348     }
349
350     return 0;
351  fail: //for FF_ALLOCZ_OR_GOTO
352     return -1;
353 }
354
355 static int dnxhd_write_header(AVCodecContext *avctx, uint8_t *buf)
356 {
357     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
358     static const uint8_t header_prefix[5] = { 0x00,0x00,0x02,0x80,0x01 };
359
360     memset(buf, 0, 640);
361
362     memcpy(buf, header_prefix, 5);
363     buf[5] = ctx->interlaced ? ctx->cur_field+2 : 0x01;
364     buf[6] = 0x80; // crc flag off
365     buf[7] = 0xa0; // reserved
366     AV_WB16(buf + 0x18, avctx->height>>ctx->interlaced); // ALPF
367     AV_WB16(buf + 0x1a, avctx->width);  // SPL
368     AV_WB16(buf + 0x1d, avctx->height>>ctx->interlaced); // NAL
369
370     buf[0x21] = ctx->cid_table->bit_depth == 10 ? 0x58 : 0x38;
371     buf[0x22] = 0x88 + (ctx->interlaced<<2);
372     AV_WB32(buf + 0x28, ctx->cid); // CID
373     buf[0x2c] = ctx->interlaced ? 0 : 0x80;
374
375     buf[0x5f] = 0x01; // UDL
376
377     buf[0x167] = 0x02; // reserved
378     AV_WB16(buf + 0x16a, ctx->m.mb_height * 4 + 4); // MSIPS
379     buf[0x16d] = ctx->m.mb_height; // Ns
380     buf[0x16f] = 0x10; // reserved
381
382     ctx->msip = buf + 0x170;
383     return 0;
384 }
385
386 static av_always_inline void dnxhd_encode_dc(DNXHDEncContext *ctx, int diff)
387 {
388     int nbits;
389     if (diff < 0) {
390         nbits = av_log2_16bit(-2*diff);
391         diff--;
392     } else {
393         nbits = av_log2_16bit(2*diff);
394     }
395     put_bits(&ctx->m.pb, ctx->cid_table->dc_bits[nbits] + nbits,
396              (ctx->cid_table->dc_codes[nbits]<<nbits) + (diff & ((1 << nbits) - 1)));
397 }
398
399 static av_always_inline void dnxhd_encode_block(DNXHDEncContext *ctx, int16_t *block, int last_index, int n)
400 {
401     int last_non_zero = 0;
402     int slevel, i, j;
403
404     dnxhd_encode_dc(ctx, block[0] - ctx->m.last_dc[n]);
405     ctx->m.last_dc[n] = block[0];
406
407     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
408         j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
409         slevel = block[j];
410         if (slevel) {
411             int run_level = i - last_non_zero - 1;
412             int rlevel = (slevel<<1)|!!run_level;
413             put_bits(&ctx->m.pb, ctx->vlc_bits[rlevel], ctx->vlc_codes[rlevel]);
414             if (run_level)
415                 put_bits(&ctx->m.pb, ctx->run_bits[run_level], ctx->run_codes[run_level]);
416             last_non_zero = i;
417         }
418     }
419     put_bits(&ctx->m.pb, ctx->vlc_bits[0], ctx->vlc_codes[0]); // EOB
420 }
421
422 static av_always_inline void dnxhd_unquantize_c(DNXHDEncContext *ctx, int16_t *block, int n, int qscale, int last_index)
423 {
424     const uint8_t *weight_matrix;
425     int level;
426     int i;
427
428     weight_matrix = (n&2) ? ctx->cid_table->chroma_weight : ctx->cid_table->luma_weight;
429
430     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
431         int j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
432         level = block[j];
433         if (level) {
434             if (level < 0) {
435                 level = (1-2*level) * qscale * weight_matrix[i];
436                 if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
437                     if (weight_matrix[i] != 8)
438                         level += 8;
439                     level >>= 4;
440                 } else {
441                     if (weight_matrix[i] != 32)
442                         level += 32;
443                     level >>= 6;
444                 }
445                 level = -level;
446             } else {
447                 level = (2*level+1) * qscale * weight_matrix[i];
448                 if (ctx->cid_table->bit_depth == 10) {
449                     if (weight_matrix[i] != 8)
450                         level += 8;
451                     level >>= 4;
452                 } else {
453                     if (weight_matrix[i] != 32)
454                         level += 32;
455                     level >>= 6;
456                 }
457             }
458             block[j] = level;
459         }
460     }
461 }
462
463 static av_always_inline int dnxhd_ssd_block(int16_t *qblock, int16_t *block)
464 {
465     int score = 0;
466     int i;
467     for (i = 0; i < 64; i++)
468         score += (block[i] - qblock[i]) * (block[i] - qblock[i]);
469     return score;
470 }
471
472 static av_always_inline int dnxhd_calc_ac_bits(DNXHDEncContext *ctx, int16_t *block, int last_index)
473 {
474     int last_non_zero = 0;
475     int bits = 0;
476     int i, j, level;
477     for (i = 1; i <= last_index; i++) {
478         j = ctx->m.intra_scantable.permutated[i];
479         level = block[j];
480         if (level) {
481             int run_level = i - last_non_zero - 1;
482             bits += ctx->vlc_bits[(level<<1)|!!run_level]+ctx->run_bits[run_level];
483             last_non_zero = i;
484         }
485     }
486     return bits;
487 }
488
489 static av_always_inline void dnxhd_get_blocks(DNXHDEncContext *ctx, int mb_x, int mb_y)
490 {
491     const int bs = ctx->block_width_l2;
492     const int bw = 1 << bs;
493     const uint8_t *ptr_y = ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y << 4) * ctx->m.linesize)   + (mb_x << bs+1);
494     const uint8_t *ptr_u = ctx->thread[0]->src[1] + ((mb_y << 4) * ctx->m.uvlinesize) + (mb_x << bs);
495     const uint8_t *ptr_v = ctx->thread[0]->src[2] + ((mb_y << 4) * ctx->m.uvlinesize) + (mb_x << bs);
496     DSPContext *dsp = &ctx->m.dsp;
497
498     dsp->get_pixels(ctx->blocks[0], ptr_y,      ctx->m.linesize);
499     dsp->get_pixels(ctx->blocks[1], ptr_y + bw, ctx->m.linesize);
500     dsp->get_pixels(ctx->blocks[2], ptr_u,      ctx->m.uvlinesize);
501     dsp->get_pixels(ctx->blocks[3], ptr_v,      ctx->m.uvlinesize);
502
503     if (mb_y+1 == ctx->m.mb_height && ctx->m.avctx->height == 1080) {
504         if (ctx->interlaced) {
505             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[4], ptr_y + ctx->dct_y_offset,      ctx->m.linesize);
506             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[5], ptr_y + ctx->dct_y_offset + bw, ctx->m.linesize);
507             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[6], ptr_u + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
508             ctx->get_pixels_8x4_sym(ctx->blocks[7], ptr_v + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
509         } else {
510             dsp->clear_block(ctx->blocks[4]);
511             dsp->clear_block(ctx->blocks[5]);
512             dsp->clear_block(ctx->blocks[6]);
513             dsp->clear_block(ctx->blocks[7]);
514         }
515     } else {
516         dsp->get_pixels(ctx->blocks[4], ptr_y + ctx->dct_y_offset,      ctx->m.linesize);
517         dsp->get_pixels(ctx->blocks[5], ptr_y + ctx->dct_y_offset + bw, ctx->m.linesize);
518         dsp->get_pixels(ctx->blocks[6], ptr_u + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
519         dsp->get_pixels(ctx->blocks[7], ptr_v + ctx->dct_uv_offset,     ctx->m.uvlinesize);
520     }
521 }
522
523 static av_always_inline int dnxhd_switch_matrix(DNXHDEncContext *ctx, int i)
524 {
525     const static uint8_t component[8]={0,0,1,2,0,0,1,2};
526     return component[i];
527 }
528
529 static int dnxhd_calc_bits_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
530 {
531     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
532     int mb_y = jobnr, mb_x;
533     int qscale = ctx->qscale;
534     LOCAL_ALIGNED_16(int16_t, block, [64]);
535     ctx = ctx->thread[threadnr];
536
537     ctx->m.last_dc[0] =
538     ctx->m.last_dc[1] =
539     ctx->m.last_dc[2] = 1 << (ctx->cid_table->bit_depth + 2);
540
541     for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
542         unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
543         int ssd     = 0;
544         int ac_bits = 0;
545         int dc_bits = 0;
546         int i;
547
548         dnxhd_get_blocks(ctx, mb_x, mb_y);
549
550         for (i = 0; i < 8; i++) {
551             int16_t *src_block = ctx->blocks[i];
552             int overflow, nbits, diff, last_index;
553             int n = dnxhd_switch_matrix(ctx, i);
554
555             memcpy(block, src_block, 64*sizeof(*block));
556             last_index = ctx->m.dct_quantize(&ctx->m, block, 4&(2*i), qscale, &overflow);
557             ac_bits += dnxhd_calc_ac_bits(ctx, block, last_index);
558
559             diff = block[0] - ctx->m.last_dc[n];
560             if (diff < 0) nbits = av_log2_16bit(-2*diff);
561             else          nbits = av_log2_16bit( 2*diff);
562
563             av_assert1(nbits < ctx->cid_table->bit_depth + 4);
564             dc_bits += ctx->cid_table->dc_bits[nbits] + nbits;
565
566             ctx->m.last_dc[n] = block[0];
567
568             if (avctx->mb_decision == FF_MB_DECISION_RD || !RC_VARIANCE) {
569                 dnxhd_unquantize_c(ctx, block, i, qscale, last_index);
570                 ctx->m.dsp.idct(block);
571                 ssd += dnxhd_ssd_block(block, src_block);
572             }
573         }
574         ctx->mb_rc[qscale][mb].ssd = ssd;
575         ctx->mb_rc[qscale][mb].bits = ac_bits+dc_bits+12+8*ctx->vlc_bits[0];
576     }
577     return 0;
578 }
579
580 static int dnxhd_encode_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
581 {
582     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
583     int mb_y = jobnr, mb_x;
584     ctx = ctx->thread[threadnr];
585     init_put_bits(&ctx->m.pb, (uint8_t *)arg + 640 + ctx->slice_offs[jobnr], ctx->slice_size[jobnr]);
586
587     ctx->m.last_dc[0] =
588     ctx->m.last_dc[1] =
589     ctx->m.last_dc[2] = 1 << (ctx->cid_table->bit_depth + 2);
590     for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
591         unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
592         int qscale = ctx->mb_qscale[mb];
593         int i;
594
595         put_bits(&ctx->m.pb, 12, qscale<<1);
596
597         dnxhd_get_blocks(ctx, mb_x, mb_y);
598
599         for (i = 0; i < 8; i++) {
600             int16_t *block = ctx->blocks[i];
601             int overflow, n = dnxhd_switch_matrix(ctx, i);
602             int last_index = ctx->m.dct_quantize(&ctx->m, block, 4&(2*i), qscale, &overflow);
603             //START_TIMER;
604             dnxhd_encode_block(ctx, block, last_index, n);
605             //STOP_TIMER("encode_block");
606         }
607     }
608     if (put_bits_count(&ctx->m.pb)&31)
609         put_bits(&ctx->m.pb, 32-(put_bits_count(&ctx->m.pb)&31), 0);
610     flush_put_bits(&ctx->m.pb);
611     return 0;
612 }
613
614 static void dnxhd_setup_threads_slices(DNXHDEncContext *ctx)
615 {
616     int mb_y, mb_x;
617     int offset = 0;
618     for (mb_y = 0; mb_y < ctx->m.mb_height; mb_y++) {
619         int thread_size;
620         ctx->slice_offs[mb_y] = offset;
621         ctx->slice_size[mb_y] = 0;
622         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; mb_x++) {
623             unsigned mb = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
624             ctx->slice_size[mb_y] += ctx->mb_bits[mb];
625         }
626         ctx->slice_size[mb_y] = (ctx->slice_size[mb_y]+31)&~31;
627         ctx->slice_size[mb_y] >>= 3;
628         thread_size = ctx->slice_size[mb_y];
629         offset += thread_size;
630     }
631 }
632
633 static int dnxhd_mb_var_thread(AVCodecContext *avctx, void *arg, int jobnr, int threadnr)
634 {
635     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
636     int mb_y = jobnr, mb_x, x, y;
637     int partial_last_row = (mb_y == ctx->m.mb_height - 1) &&
638                            ((avctx->height >> ctx->interlaced) & 0xF);
639
640     ctx = ctx->thread[threadnr];
641     if (ctx->cid_table->bit_depth == 8) {
642         uint8_t *pix = ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y<<4) * ctx->m.linesize);
643         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; ++mb_x, pix += 16) {
644             unsigned mb  = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
645             int sum;
646             int varc;
647
648             if (!partial_last_row && mb_x * 16 <= avctx->width - 16) {
649                 sum  = ctx->m.dsp.pix_sum(pix, ctx->m.linesize);
650                 varc = ctx->m.dsp.pix_norm1(pix, ctx->m.linesize);
651             } else {
652                 int bw = FFMIN(avctx->width - 16 * mb_x, 16);
653                 int bh = FFMIN((avctx->height >> ctx->interlaced) - 16 * mb_y, 16);
654                 sum = varc = 0;
655                 for (y = 0; y < bh; y++) {
656                     for (x = 0; x < bw; x++) {
657                         uint8_t val = pix[x + y * ctx->m.linesize];
658                         sum  += val;
659                         varc += val * val;
660                     }
661                 }
662             }
663             varc = (varc - (((unsigned)sum * sum) >> 8) + 128) >> 8;
664
665             ctx->mb_cmp[mb].value = varc;
666             ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
667         }
668     } else { // 10-bit
669         int const linesize = ctx->m.linesize >> 1;
670         for (mb_x = 0; mb_x < ctx->m.mb_width; ++mb_x) {
671             uint16_t *pix = (uint16_t*)ctx->thread[0]->src[0] + ((mb_y << 4) * linesize) + (mb_x << 4);
672             unsigned mb  = mb_y * ctx->m.mb_width + mb_x;
673             int sum = 0;
674             int sqsum = 0;
675             int mean, sqmean;
676             int i, j;
677             // Macroblocks are 16x16 pixels, unlike DCT blocks which are 8x8.
678             for (i = 0; i < 16; ++i) {
679                 for (j = 0; j < 16; ++j) {
680                     // Turn 16-bit pixels into 10-bit ones.
681                     int const sample = (unsigned)pix[j] >> 6;
682                     sum += sample;
683                     sqsum += sample * sample;
684                     // 2^10 * 2^10 * 16 * 16 = 2^28, which is less than INT_MAX
685                 }
686                 pix += linesize;
687             }
688             mean = sum >> 8; // 16*16 == 2^8
689             sqmean = sqsum >> 8;
690             ctx->mb_cmp[mb].value = sqmean - mean * mean;
691             ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
692         }
693     }
694     return 0;
695 }
696
697 static int dnxhd_encode_rdo(AVCodecContext *avctx, DNXHDEncContext *ctx)
698 {
699     int lambda, up_step, down_step;
700     int last_lower = INT_MAX, last_higher = 0;
701     int x, y, q;
702
703     for (q = 1; q < avctx->qmax; q++) {
704         ctx->qscale = q;
705         avctx->execute2(avctx, dnxhd_calc_bits_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
706     }
707     up_step = down_step = 2<<LAMBDA_FRAC_BITS;
708     lambda = ctx->lambda;
709
710     for (;;) {
711         int bits = 0;
712         int end = 0;
713         if (lambda == last_higher) {
714             lambda++;
715             end = 1; // need to set final qscales/bits
716         }
717         for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
718             for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++) {
719                 unsigned min = UINT_MAX;
720                 int qscale = 1;
721                 int mb = y*ctx->m.mb_width+x;
722                 for (q = 1; q < avctx->qmax; q++) {
723                     unsigned score = ctx->mb_rc[q][mb].bits*lambda+
724                         ((unsigned)ctx->mb_rc[q][mb].ssd<<LAMBDA_FRAC_BITS);
725                     if (score < min) {
726                         min = score;
727                         qscale = q;
728                     }
729                 }
730                 bits += ctx->mb_rc[qscale][mb].bits;
731                 ctx->mb_qscale[mb] = qscale;
732                 ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[qscale][mb].bits;
733             }
734             bits = (bits+31)&~31; // padding
735             if (bits > ctx->frame_bits)
736                 break;
737         }
738         //av_dlog(ctx->m.avctx, "lambda %d, up %u, down %u, bits %d, frame %d\n",
739         //        lambda, last_higher, last_lower, bits, ctx->frame_bits);
740         if (end) {
741             if (bits > ctx->frame_bits)
742                 return -1;
743             break;
744         }
745         if (bits < ctx->frame_bits) {
746             last_lower = FFMIN(lambda, last_lower);
747             if (last_higher != 0)
748                 lambda = (lambda+last_higher)>>1;
749             else
750                 lambda -= down_step;
751             down_step = FFMIN((int64_t)down_step*5, INT_MAX);
752             up_step = 1<<LAMBDA_FRAC_BITS;
753             lambda = FFMAX(1, lambda);
754             if (lambda == last_lower)
755                 break;
756         } else {
757             last_higher = FFMAX(lambda, last_higher);
758             if (last_lower != INT_MAX)
759                 lambda = (lambda+last_lower)>>1;
760             else if ((int64_t)lambda + up_step > INT_MAX)
761                 return -1;
762             else
763                 lambda += up_step;
764             up_step = FFMIN((int64_t)up_step*5, INT_MAX);
765             down_step = 1<<LAMBDA_FRAC_BITS;
766         }
767     }
768     //av_dlog(ctx->m.avctx, "out lambda %d\n", lambda);
769     ctx->lambda = lambda;
770     return 0;
771 }
772
773 static int dnxhd_find_qscale(DNXHDEncContext *ctx)
774 {
775     int bits = 0;
776     int up_step = 1;
777     int down_step = 1;
778     int last_higher = 0;
779     int last_lower = INT_MAX;
780     int qscale;
781     int x, y;
782
783     qscale = ctx->qscale;
784     for (;;) {
785         bits = 0;
786         ctx->qscale = qscale;
787         // XXX avoid recalculating bits
788         ctx->m.avctx->execute2(ctx->m.avctx, dnxhd_calc_bits_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
789         for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
790             for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++)
791                 bits += ctx->mb_rc[qscale][y*ctx->m.mb_width+x].bits;
792             bits = (bits+31)&~31; // padding
793             if (bits > ctx->frame_bits)
794                 break;
795         }
796         //av_dlog(ctx->m.avctx, "%d, qscale %d, bits %d, frame %d, higher %d, lower %d\n",
797         //        ctx->m.avctx->frame_number, qscale, bits, ctx->frame_bits, last_higher, last_lower);
798         if (bits < ctx->frame_bits) {
799             if (qscale == 1)
800                 return 1;
801             if (last_higher == qscale - 1) {
802                 qscale = last_higher;
803                 break;
804             }
805             last_lower = FFMIN(qscale, last_lower);
806             if (last_higher != 0)
807                 qscale = (qscale+last_higher)>>1;
808             else
809                 qscale -= down_step++;
810             if (qscale < 1)
811                 qscale = 1;
812             up_step = 1;
813         } else {
814             if (last_lower == qscale + 1)
815                 break;
816             last_higher = FFMAX(qscale, last_higher);
817             if (last_lower != INT_MAX)
818                 qscale = (qscale+last_lower)>>1;
819             else
820                 qscale += up_step++;
821             down_step = 1;
822             if (qscale >= ctx->m.avctx->qmax)
823                 return -1;
824         }
825     }
826     //av_dlog(ctx->m.avctx, "out qscale %d\n", qscale);
827     ctx->qscale = qscale;
828     return 0;
829 }
830
831 #define BUCKET_BITS 8
832 #define RADIX_PASSES 4
833 #define NBUCKETS (1 << BUCKET_BITS)
834
835 static inline int get_bucket(int value, int shift)
836 {
837     value >>= shift;
838     value &= NBUCKETS - 1;
839     return NBUCKETS - 1 - value;
840 }
841
842 static void radix_count(const RCCMPEntry *data, int size, int buckets[RADIX_PASSES][NBUCKETS])
843 {
844     int i, j;
845     memset(buckets, 0, sizeof(buckets[0][0]) * RADIX_PASSES * NBUCKETS);
846     for (i = 0; i < size; i++) {
847         int v = data[i].value;
848         for (j = 0; j < RADIX_PASSES; j++) {
849             buckets[j][get_bucket(v, 0)]++;
850             v >>= BUCKET_BITS;
851         }
852         av_assert1(!v);
853     }
854     for (j = 0; j < RADIX_PASSES; j++) {
855         int offset = size;
856         for (i = NBUCKETS - 1; i >= 0; i--)
857             buckets[j][i] = offset -= buckets[j][i];
858         av_assert1(!buckets[j][0]);
859     }
860 }
861
862 static void radix_sort_pass(RCCMPEntry *dst, const RCCMPEntry *data, int size, int buckets[NBUCKETS], int pass)
863 {
864     int shift = pass * BUCKET_BITS;
865     int i;
866     for (i = 0; i < size; i++) {
867         int v = get_bucket(data[i].value, shift);
868         int pos = buckets[v]++;
869         dst[pos] = data[i];
870     }
871 }
872
873 static void radix_sort(RCCMPEntry *data, int size)
874 {
875     int buckets[RADIX_PASSES][NBUCKETS];
876     RCCMPEntry *tmp = av_malloc(sizeof(*tmp) * size);
877     radix_count(data, size, buckets);
878     radix_sort_pass(tmp, data, size, buckets[0], 0);
879     radix_sort_pass(data, tmp, size, buckets[1], 1);
880     if (buckets[2][NBUCKETS - 1] || buckets[3][NBUCKETS - 1]) {
881         radix_sort_pass(tmp, data, size, buckets[2], 2);
882         radix_sort_pass(data, tmp, size, buckets[3], 3);
883     }
884     av_free(tmp);
885 }
886
887 static int dnxhd_encode_fast(AVCodecContext *avctx, DNXHDEncContext *ctx)
888 {
889     int max_bits = 0;
890     int ret, x, y;
891     if ((ret = dnxhd_find_qscale(ctx)) < 0)
892         return -1;
893     for (y = 0; y < ctx->m.mb_height; y++) {
894         for (x = 0; x < ctx->m.mb_width; x++) {
895             int mb = y*ctx->m.mb_width+x;
896             int delta_bits;
897             ctx->mb_qscale[mb] = ctx->qscale;
898             ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits;
899             max_bits += ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits;
900             if (!RC_VARIANCE) {
901                 delta_bits = ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits-ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
902                 ctx->mb_cmp[mb].mb = mb;
903                 ctx->mb_cmp[mb].value = delta_bits ?
904                     ((ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].ssd-ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].ssd)*100)/delta_bits
905                     : INT_MIN; //avoid increasing qscale
906             }
907         }
908         max_bits += 31; //worst padding
909     }
910     if (!ret) {
911         if (RC_VARIANCE)
912             avctx->execute2(avctx, dnxhd_mb_var_thread, NULL, NULL, ctx->m.mb_height);
913         radix_sort(ctx->mb_cmp, ctx->m.mb_num);
914         for (x = 0; x < ctx->m.mb_num && max_bits > ctx->frame_bits; x++) {
915             int mb = ctx->mb_cmp[x].mb;
916             max_bits -= ctx->mb_rc[ctx->qscale][mb].bits - ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
917             ctx->mb_qscale[mb] = ctx->qscale+1;
918             ctx->mb_bits[mb] = ctx->mb_rc[ctx->qscale+1][mb].bits;
919         }
920     }
921     return 0;
922 }
923
924 static void dnxhd_load_picture(DNXHDEncContext *ctx, const AVFrame *frame)
925 {
926     int i;
927
928     for (i = 0; i < ctx->m.avctx->thread_count; i++) {
929         ctx->thread[i]->m.linesize    = frame->linesize[0] << ctx->interlaced;
930         ctx->thread[i]->m.uvlinesize  = frame->linesize[1] << ctx->interlaced;
931         ctx->thread[i]->dct_y_offset  = ctx->m.linesize  *8;
932         ctx->thread[i]->dct_uv_offset = ctx->m.uvlinesize*8;
933     }
934
935     ctx->m.avctx->coded_frame->interlaced_frame = frame->interlaced_frame;
936     ctx->cur_field = frame->interlaced_frame && !frame->top_field_first;
937 }
938
939 static int dnxhd_encode_picture(AVCodecContext *avctx, AVPacket *pkt,
940                                 const AVFrame *frame, int *got_packet)
941 {
942     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
943     int first_field = 1;
944     int offset, i, ret;
945     uint8_t *buf;
946
947     if ((ret = ff_alloc_packet2(avctx, pkt, ctx->cid_table->frame_size)) < 0)
948         return ret;
949     buf = pkt->data;
950
951     dnxhd_load_picture(ctx, frame);
952
953  encode_coding_unit:
954     for (i = 0; i < 3; i++) {
955         ctx->src[i] = frame->data[i];
956         if (ctx->interlaced && ctx->cur_field)
957             ctx->src[i] += frame->linesize[i];
958     }
959
960     dnxhd_write_header(avctx, buf);
961
962     if (avctx->mb_decision == FF_MB_DECISION_RD)
963         ret = dnxhd_encode_rdo(avctx, ctx);
964     else
965         ret = dnxhd_encode_fast(avctx, ctx);
966     if (ret < 0) {
967         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR,
968                "picture could not fit ratecontrol constraints, increase qmax\n");
969         return -1;
970     }
971
972     dnxhd_setup_threads_slices(ctx);
973
974     offset = 0;
975     for (i = 0; i < ctx->m.mb_height; i++) {
976         AV_WB32(ctx->msip + i * 4, offset);
977         offset += ctx->slice_size[i];
978         av_assert1(!(ctx->slice_size[i] & 3));
979     }
980
981     avctx->execute2(avctx, dnxhd_encode_thread, buf, NULL, ctx->m.mb_height);
982
983     av_assert1(640 + offset + 4 <= ctx->cid_table->coding_unit_size);
984     memset(buf + 640 + offset, 0, ctx->cid_table->coding_unit_size - 4 - offset - 640);
985
986     AV_WB32(buf + ctx->cid_table->coding_unit_size - 4, 0x600DC0DE); // EOF
987
988     if (ctx->interlaced && first_field) {
989         first_field     = 0;
990         ctx->cur_field ^= 1;
991         buf      += ctx->cid_table->coding_unit_size;
992         goto encode_coding_unit;
993     }
994
995     avctx->coded_frame->quality = ctx->qscale * FF_QP2LAMBDA;
996
997     pkt->flags |= AV_PKT_FLAG_KEY;
998     *got_packet = 1;
999     return 0;
1000 }
1001
1002 static av_cold int dnxhd_encode_end(AVCodecContext *avctx)
1003 {
1004     DNXHDEncContext *ctx = avctx->priv_data;
1005     int max_level = 1<<(ctx->cid_table->bit_depth+2);
1006     int i;
1007
1008     av_free(ctx->vlc_codes-max_level*2);
1009     av_free(ctx->vlc_bits -max_level*2);
1010     av_freep(&ctx->run_codes);
1011     av_freep(&ctx->run_bits);
1012
1013     av_freep(&ctx->mb_bits);
1014     av_freep(&ctx->mb_qscale);
1015     av_freep(&ctx->mb_rc);
1016     av_freep(&ctx->mb_cmp);
1017     av_freep(&ctx->slice_size);
1018     av_freep(&ctx->slice_offs);
1019
1020     av_freep(&ctx->qmatrix_c);
1021     av_freep(&ctx->qmatrix_l);
1022     av_freep(&ctx->qmatrix_c16);
1023     av_freep(&ctx->qmatrix_l16);
1024
1025     for (i = 1; i < avctx->thread_count; i++)
1026         av_freep(&ctx->thread[i]);
1027
1028     av_frame_free(&avctx->coded_frame);
1029
1030     return 0;
1031 }
1032
1033 static const AVCodecDefault dnxhd_defaults[] = {
1034     { "qmax", "1024" }, /* Maximum quantization scale factor allowed for VC-3 */
1035     { NULL },
1036 };
1037
1038 AVCodec ff_dnxhd_encoder = {
1039     .name           = "dnxhd",
1040     .long_name      = NULL_IF_CONFIG_SMALL("VC3/DNxHD"),
1041     .type           = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
1042     .id             = AV_CODEC_ID_DNXHD,
1043     .priv_data_size = sizeof(DNXHDEncContext),
1044     .init           = dnxhd_encode_init,
1045     .encode2        = dnxhd_encode_picture,
1046     .close          = dnxhd_encode_end,
1047     .capabilities   = CODEC_CAP_SLICE_THREADS,
1048     .pix_fmts       = (const enum AVPixelFormat[]){ AV_PIX_FMT_YUV422P,
1049                                                   AV_PIX_FMT_YUV422P10,
1050                                                   AV_PIX_FMT_NONE },
1051     .priv_class     = &dnxhd_class,
1052     .defaults       = dnxhd_defaults,
1053 };