Merge commit 'b2bed9325dbd6be0da1d91ffed3f513c40274fd2'
[ffmpeg.git] / libavcodec / ra144enc.c
1 /*
2  * Real Audio 1.0 (14.4K) encoder
3  * Copyright (c) 2010 Francesco Lavra <francescolavra@interfree.it>
4  *
5  * This file is part of FFmpeg.
6  *
7  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
8  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
9  * License as published by the Free Software Foundation; either
10  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
11  *
12  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
13  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
15  * Lesser General Public License for more details.
16  *
17  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
18  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
19  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
20  */
21
22 /**
23  * @file
24  * Real Audio 1.0 (14.4K) encoder
25  * @author Francesco Lavra <francescolavra@interfree.it>
26  */
27
28 #include <float.h>
29
30 #include "avcodec.h"
31 #include "audio_frame_queue.h"
32 #include "internal.h"
33 #include "put_bits.h"
34 #include "celp_filters.h"
35 #include "ra144.h"
36
37
38 static av_cold int ra144_encode_close(AVCodecContext *avctx)
39 {
40     RA144Context *ractx = avctx->priv_data;
41     ff_lpc_end(&ractx->lpc_ctx);
42     ff_af_queue_close(&ractx->afq);
43     return 0;
44 }
45
46
47 static av_cold int ra144_encode_init(AVCodecContext * avctx)
48 {
49     RA144Context *ractx;
50     int ret;
51
52     if (avctx->channels != 1) {
53         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid number of channels: %d\n",
54                avctx->channels);
55         return -1;
56     }
57     avctx->frame_size = NBLOCKS * BLOCKSIZE;
58     avctx->delay      = avctx->frame_size;
59     avctx->bit_rate = 8000;
60     ractx = avctx->priv_data;
61     ractx->lpc_coef[0] = ractx->lpc_tables[0];
62     ractx->lpc_coef[1] = ractx->lpc_tables[1];
63     ractx->avctx = avctx;
64     ret = ff_lpc_init(&ractx->lpc_ctx, avctx->frame_size, LPC_ORDER,
65                       FF_LPC_TYPE_LEVINSON);
66     if (ret < 0)
67         goto error;
68
69     ff_af_queue_init(avctx, &ractx->afq);
70
71     return 0;
72 error:
73     ra144_encode_close(avctx);
74     return ret;
75 }
76
77
78 /**
79  * Quantize a value by searching a sorted table for the element with the
80  * nearest value
81  *
82  * @param value value to quantize
83  * @param table array containing the quantization table
84  * @param size size of the quantization table
85  * @return index of the quantization table corresponding to the element with the
86  *         nearest value
87  */
88 static int quantize(int value, const int16_t *table, unsigned int size)
89 {
90     unsigned int low = 0, high = size - 1;
91
92     while (1) {
93         int index = (low + high) >> 1;
94         int error = table[index] - value;
95
96         if (index == low)
97             return table[high] + error > value ? low : high;
98         if (error > 0) {
99             high = index;
100         } else {
101             low = index;
102         }
103     }
104 }
105
106
107 /**
108  * Orthogonalize a vector to another vector
109  *
110  * @param v vector to orthogonalize
111  * @param u vector against which orthogonalization is performed
112  */
113 static void orthogonalize(float *v, const float *u)
114 {
115     int i;
116     float num = 0, den = 0;
117
118     for (i = 0; i < BLOCKSIZE; i++) {
119         num += v[i] * u[i];
120         den += u[i] * u[i];
121     }
122     num /= den;
123     for (i = 0; i < BLOCKSIZE; i++)
124         v[i] -= num * u[i];
125 }
126
127
128 /**
129  * Calculate match score and gain of an LPC-filtered vector with respect to
130  * input data, possibly othogonalizing it to up to 2 other vectors
131  *
132  * @param work array used to calculate the filtered vector
133  * @param coefs coefficients of the LPC filter
134  * @param vect original vector
135  * @param ortho1 first vector against which orthogonalization is performed
136  * @param ortho2 second vector against which orthogonalization is performed
137  * @param data input data
138  * @param score pointer to variable where match score is returned
139  * @param gain pointer to variable where gain is returned
140  */
141 static void get_match_score(float *work, const float *coefs, float *vect,
142                             const float *ortho1, const float *ortho2,
143                             const float *data, float *score, float *gain)
144 {
145     float c, g;
146     int i;
147
148     ff_celp_lp_synthesis_filterf(work, coefs, vect, BLOCKSIZE, LPC_ORDER);
149     if (ortho1)
150         orthogonalize(work, ortho1);
151     if (ortho2)
152         orthogonalize(work, ortho2);
153     c = g = 0;
154     for (i = 0; i < BLOCKSIZE; i++) {
155         g += work[i] * work[i];
156         c += data[i] * work[i];
157     }
158     if (c <= 0) {
159         *score = 0;
160         return;
161     }
162     *gain = c / g;
163     *score = *gain * c;
164 }
165
166
167 /**
168  * Create a vector from the adaptive codebook at a given lag value
169  *
170  * @param vect array where vector is stored
171  * @param cb adaptive codebook
172  * @param lag lag value
173  */
174 static void create_adapt_vect(float *vect, const int16_t *cb, int lag)
175 {
176     int i;
177
178     cb += BUFFERSIZE - lag;
179     for (i = 0; i < FFMIN(BLOCKSIZE, lag); i++)
180         vect[i] = cb[i];
181     if (lag < BLOCKSIZE)
182         for (i = 0; i < BLOCKSIZE - lag; i++)
183             vect[lag + i] = cb[i];
184 }
185
186
187 /**
188  * Search the adaptive codebook for the best entry and gain and remove its
189  * contribution from input data
190  *
191  * @param adapt_cb array from which the adaptive codebook is extracted
192  * @param work array used to calculate LPC-filtered vectors
193  * @param coefs coefficients of the LPC filter
194  * @param data input data
195  * @return index of the best entry of the adaptive codebook
196  */
197 static int adaptive_cb_search(const int16_t *adapt_cb, float *work,
198                               const float *coefs, float *data)
199 {
200     int i, av_uninit(best_vect);
201     float score, gain, best_score, av_uninit(best_gain);
202     float exc[BLOCKSIZE];
203
204     gain = best_score = 0;
205     for (i = BLOCKSIZE / 2; i <= BUFFERSIZE; i++) {
206         create_adapt_vect(exc, adapt_cb, i);
207         get_match_score(work, coefs, exc, NULL, NULL, data, &score, &gain);
208         if (score > best_score) {
209             best_score = score;
210             best_vect = i;
211             best_gain = gain;
212         }
213     }
214     if (!best_score)
215         return 0;
216
217     /**
218      * Re-calculate the filtered vector from the vector with maximum match score
219      * and remove its contribution from input data.
220      */
221     create_adapt_vect(exc, adapt_cb, best_vect);
222     ff_celp_lp_synthesis_filterf(work, coefs, exc, BLOCKSIZE, LPC_ORDER);
223     for (i = 0; i < BLOCKSIZE; i++)
224         data[i] -= best_gain * work[i];
225     return best_vect - BLOCKSIZE / 2 + 1;
226 }
227
228
229 /**
230  * Find the best vector of a fixed codebook by applying an LPC filter to
231  * codebook entries, possibly othogonalizing them to up to 2 other vectors and
232  * matching the results with input data
233  *
234  * @param work array used to calculate the filtered vectors
235  * @param coefs coefficients of the LPC filter
236  * @param cb fixed codebook
237  * @param ortho1 first vector against which orthogonalization is performed
238  * @param ortho2 second vector against which orthogonalization is performed
239  * @param data input data
240  * @param idx pointer to variable where the index of the best codebook entry is
241  *        returned
242  * @param gain pointer to variable where the gain of the best codebook entry is
243  *        returned
244  */
245 static void find_best_vect(float *work, const float *coefs,
246                            const int8_t cb[][BLOCKSIZE], const float *ortho1,
247                            const float *ortho2, float *data, int *idx,
248                            float *gain)
249 {
250     int i, j;
251     float g, score, best_score;
252     float vect[BLOCKSIZE];
253
254     *idx = *gain = best_score = 0;
255     for (i = 0; i < FIXED_CB_SIZE; i++) {
256         for (j = 0; j < BLOCKSIZE; j++)
257             vect[j] = cb[i][j];
258         get_match_score(work, coefs, vect, ortho1, ortho2, data, &score, &g);
259         if (score > best_score) {
260             best_score = score;
261             *idx = i;
262             *gain = g;
263         }
264     }
265 }
266
267
268 /**
269  * Search the two fixed codebooks for the best entry and gain
270  *
271  * @param work array used to calculate LPC-filtered vectors
272  * @param coefs coefficients of the LPC filter
273  * @param data input data
274  * @param cba_idx index of the best entry of the adaptive codebook
275  * @param cb1_idx pointer to variable where the index of the best entry of the
276  *        first fixed codebook is returned
277  * @param cb2_idx pointer to variable where the index of the best entry of the
278  *        second fixed codebook is returned
279  */
280 static void fixed_cb_search(float *work, const float *coefs, float *data,
281                             int cba_idx, int *cb1_idx, int *cb2_idx)
282 {
283     int i, ortho_cb1;
284     float gain;
285     float cba_vect[BLOCKSIZE], cb1_vect[BLOCKSIZE];
286     float vect[BLOCKSIZE];
287
288     /**
289      * The filtered vector from the adaptive codebook can be retrieved from
290      * work, because this function is called just after adaptive_cb_search().
291      */
292     if (cba_idx)
293         memcpy(cba_vect, work, sizeof(cba_vect));
294
295     find_best_vect(work, coefs, ff_cb1_vects, cba_idx ? cba_vect : NULL, NULL,
296                    data, cb1_idx, &gain);
297
298     /**
299      * Re-calculate the filtered vector from the vector with maximum match score
300      * and remove its contribution from input data.
301      */
302     if (gain) {
303         for (i = 0; i < BLOCKSIZE; i++)
304             vect[i] = ff_cb1_vects[*cb1_idx][i];
305         ff_celp_lp_synthesis_filterf(work, coefs, vect, BLOCKSIZE, LPC_ORDER);
306         if (cba_idx)
307             orthogonalize(work, cba_vect);
308         for (i = 0; i < BLOCKSIZE; i++)
309             data[i] -= gain * work[i];
310         memcpy(cb1_vect, work, sizeof(cb1_vect));
311         ortho_cb1 = 1;
312     } else
313         ortho_cb1 = 0;
314
315     find_best_vect(work, coefs, ff_cb2_vects, cba_idx ? cba_vect : NULL,
316                    ortho_cb1 ? cb1_vect : NULL, data, cb2_idx, &gain);
317 }
318
319
320 /**
321  * Encode a subblock of the current frame
322  *
323  * @param ractx encoder context
324  * @param sblock_data input data of the subblock
325  * @param lpc_coefs coefficients of the LPC filter
326  * @param rms RMS of the reflection coefficients
327  * @param pb pointer to PutBitContext of the current frame
328  */
329 static void ra144_encode_subblock(RA144Context *ractx,
330                                   const int16_t *sblock_data,
331                                   const int16_t *lpc_coefs, unsigned int rms,
332                                   PutBitContext *pb)
333 {
334     float data[BLOCKSIZE] = { 0 }, work[LPC_ORDER + BLOCKSIZE];
335     float coefs[LPC_ORDER];
336     float zero[BLOCKSIZE], cba[BLOCKSIZE], cb1[BLOCKSIZE], cb2[BLOCKSIZE];
337     int16_t cba_vect[BLOCKSIZE];
338     int cba_idx, cb1_idx, cb2_idx, gain;
339     int i, n;
340     unsigned m[3];
341     float g[3];
342     float error, best_error;
343
344     for (i = 0; i < LPC_ORDER; i++) {
345         work[i] = ractx->curr_sblock[BLOCKSIZE + i];
346         coefs[i] = lpc_coefs[i] * (1/4096.0);
347     }
348
349     /**
350      * Calculate the zero-input response of the LPC filter and subtract it from
351      * input data.
352      */
353     ff_celp_lp_synthesis_filterf(work + LPC_ORDER, coefs, data, BLOCKSIZE,
354                                  LPC_ORDER);
355     for (i = 0; i < BLOCKSIZE; i++) {
356         zero[i] = work[LPC_ORDER + i];
357         data[i] = sblock_data[i] - zero[i];
358     }
359
360     /**
361      * Codebook search is performed without taking into account the contribution
362      * of the previous subblock, since it has been just subtracted from input
363      * data.
364      */
365     memset(work, 0, LPC_ORDER * sizeof(*work));
366
367     cba_idx = adaptive_cb_search(ractx->adapt_cb, work + LPC_ORDER, coefs,
368                                  data);
369     if (cba_idx) {
370         /**
371          * The filtered vector from the adaptive codebook can be retrieved from
372          * work, see implementation of adaptive_cb_search().
373          */
374         memcpy(cba, work + LPC_ORDER, sizeof(cba));
375
376         ff_copy_and_dup(cba_vect, ractx->adapt_cb, cba_idx + BLOCKSIZE / 2 - 1);
377         m[0] = (ff_irms(cba_vect) * rms) >> 12;
378     }
379     fixed_cb_search(work + LPC_ORDER, coefs, data, cba_idx, &cb1_idx, &cb2_idx);
380     for (i = 0; i < BLOCKSIZE; i++) {
381         cb1[i] = ff_cb1_vects[cb1_idx][i];
382         cb2[i] = ff_cb2_vects[cb2_idx][i];
383     }
384     ff_celp_lp_synthesis_filterf(work + LPC_ORDER, coefs, cb1, BLOCKSIZE,
385                                  LPC_ORDER);
386     memcpy(cb1, work + LPC_ORDER, sizeof(cb1));
387     m[1] = (ff_cb1_base[cb1_idx] * rms) >> 8;
388     ff_celp_lp_synthesis_filterf(work + LPC_ORDER, coefs, cb2, BLOCKSIZE,
389                                  LPC_ORDER);
390     memcpy(cb2, work + LPC_ORDER, sizeof(cb2));
391     m[2] = (ff_cb2_base[cb2_idx] * rms) >> 8;
392     best_error = FLT_MAX;
393     gain = 0;
394     for (n = 0; n < 256; n++) {
395         g[1] = ((ff_gain_val_tab[n][1] * m[1]) >> ff_gain_exp_tab[n]) *
396                (1/4096.0);
397         g[2] = ((ff_gain_val_tab[n][2] * m[2]) >> ff_gain_exp_tab[n]) *
398                (1/4096.0);
399         error = 0;
400         if (cba_idx) {
401             g[0] = ((ff_gain_val_tab[n][0] * m[0]) >> ff_gain_exp_tab[n]) *
402                    (1/4096.0);
403             for (i = 0; i < BLOCKSIZE; i++) {
404                 data[i] = zero[i] + g[0] * cba[i] + g[1] * cb1[i] +
405                           g[2] * cb2[i];
406                 error += (data[i] - sblock_data[i]) *
407                          (data[i] - sblock_data[i]);
408             }
409         } else {
410             for (i = 0; i < BLOCKSIZE; i++) {
411                 data[i] = zero[i] + g[1] * cb1[i] + g[2] * cb2[i];
412                 error += (data[i] - sblock_data[i]) *
413                          (data[i] - sblock_data[i]);
414             }
415         }
416         if (error < best_error) {
417             best_error = error;
418             gain = n;
419         }
420     }
421     put_bits(pb, 7, cba_idx);
422     put_bits(pb, 8, gain);
423     put_bits(pb, 7, cb1_idx);
424     put_bits(pb, 7, cb2_idx);
425     ff_subblock_synthesis(ractx, lpc_coefs, cba_idx, cb1_idx, cb2_idx, rms,
426                           gain);
427 }
428
429
430 static int ra144_encode_frame(AVCodecContext *avctx, AVPacket *avpkt,
431                               const AVFrame *frame, int *got_packet_ptr)
432 {
433     static const uint8_t sizes[LPC_ORDER] = {64, 32, 32, 16, 16, 8, 8, 8, 8, 4};
434     static const uint8_t bit_sizes[LPC_ORDER] = {6, 5, 5, 4, 4, 3, 3, 3, 3, 2};
435     RA144Context *ractx = avctx->priv_data;
436     PutBitContext pb;
437     int32_t lpc_data[NBLOCKS * BLOCKSIZE];
438     int32_t lpc_coefs[LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
439     int shift[LPC_ORDER];
440     int16_t block_coefs[NBLOCKS][LPC_ORDER];
441     int lpc_refl[LPC_ORDER];    /**< reflection coefficients of the frame */
442     unsigned int refl_rms[NBLOCKS]; /**< RMS of the reflection coefficients */
443     const int16_t *samples = frame ? (const int16_t *)frame->data[0] : NULL;
444     int energy = 0;
445     int i, idx, ret;
446
447     if (ractx->last_frame)
448         return 0;
449
450     if ((ret = ff_alloc_packet2(avctx, avpkt, FRAME_SIZE)) < 0)
451         return ret;
452
453     /**
454      * Since the LPC coefficients are calculated on a frame centered over the
455      * fourth subframe, to encode a given frame, data from the next frame is
456      * needed. In each call to this function, the previous frame (whose data are
457      * saved in the encoder context) is encoded, and data from the current frame
458      * are saved in the encoder context to be used in the next function call.
459      */
460     for (i = 0; i < (2 * BLOCKSIZE + BLOCKSIZE / 2); i++) {
461         lpc_data[i] = ractx->curr_block[BLOCKSIZE + BLOCKSIZE / 2 + i];
462         energy += (lpc_data[i] * lpc_data[i]) >> 4;
463     }
464     if (frame) {
465         int j;
466         for (j = 0; j < frame->nb_samples && i < NBLOCKS * BLOCKSIZE; i++, j++) {
467             lpc_data[i] = samples[j] >> 2;
468             energy += (lpc_data[i] * lpc_data[i]) >> 4;
469         }
470     }
471     if (i < NBLOCKS * BLOCKSIZE)
472         memset(&lpc_data[i], 0, (NBLOCKS * BLOCKSIZE - i) * sizeof(*lpc_data));
473     energy = ff_energy_tab[quantize(ff_t_sqrt(energy >> 5) >> 10, ff_energy_tab,
474                                     32)];
475
476     ff_lpc_calc_coefs(&ractx->lpc_ctx, lpc_data, NBLOCKS * BLOCKSIZE, LPC_ORDER,
477                       LPC_ORDER, 16, lpc_coefs, shift, FF_LPC_TYPE_LEVINSON,
478                       0, ORDER_METHOD_EST, 12, 0);
479     for (i = 0; i < LPC_ORDER; i++)
480         block_coefs[NBLOCKS - 1][i] = -(lpc_coefs[LPC_ORDER - 1][i] <<
481                                         (12 - shift[LPC_ORDER - 1]));
482
483     /**
484      * TODO: apply perceptual weighting of the input speech through bandwidth
485      * expansion of the LPC filter.
486      */
487
488     if (ff_eval_refl(lpc_refl, block_coefs[NBLOCKS - 1], avctx)) {
489         /**
490          * The filter is unstable: use the coefficients of the previous frame.
491          */
492         ff_int_to_int16(block_coefs[NBLOCKS - 1], ractx->lpc_coef[1]);
493         if (ff_eval_refl(lpc_refl, block_coefs[NBLOCKS - 1], avctx)) {
494             /* the filter is still unstable. set reflection coeffs to zero. */
495             memset(lpc_refl, 0, sizeof(lpc_refl));
496         }
497     }
498     init_put_bits(&pb, avpkt->data, avpkt->size);
499     for (i = 0; i < LPC_ORDER; i++) {
500         idx = quantize(lpc_refl[i], ff_lpc_refl_cb[i], sizes[i]);
501         put_bits(&pb, bit_sizes[i], idx);
502         lpc_refl[i] = ff_lpc_refl_cb[i][idx];
503     }
504     ractx->lpc_refl_rms[0] = ff_rms(lpc_refl);
505     ff_eval_coefs(ractx->lpc_coef[0], lpc_refl);
506     refl_rms[0] = ff_interp(ractx, block_coefs[0], 1, 1, ractx->old_energy);
507     refl_rms[1] = ff_interp(ractx, block_coefs[1], 2,
508                             energy <= ractx->old_energy,
509                             ff_t_sqrt(energy * ractx->old_energy) >> 12);
510     refl_rms[2] = ff_interp(ractx, block_coefs[2], 3, 0, energy);
511     refl_rms[3] = ff_rescale_rms(ractx->lpc_refl_rms[0], energy);
512     ff_int_to_int16(block_coefs[NBLOCKS - 1], ractx->lpc_coef[0]);
513     put_bits(&pb, 5, quantize(energy, ff_energy_tab, 32));
514     for (i = 0; i < NBLOCKS; i++)
515         ra144_encode_subblock(ractx, ractx->curr_block + i * BLOCKSIZE,
516                               block_coefs[i], refl_rms[i], &pb);
517     flush_put_bits(&pb);
518     ractx->old_energy = energy;
519     ractx->lpc_refl_rms[1] = ractx->lpc_refl_rms[0];
520     FFSWAP(unsigned int *, ractx->lpc_coef[0], ractx->lpc_coef[1]);
521
522     /* copy input samples to current block for processing in next call */
523     i = 0;
524     if (frame) {
525         for (; i < frame->nb_samples; i++)
526             ractx->curr_block[i] = samples[i] >> 2;
527
528         if ((ret = ff_af_queue_add(&ractx->afq, frame)) < 0)
529             return ret;
530     } else
531         ractx->last_frame = 1;
532     memset(&ractx->curr_block[i], 0,
533            (NBLOCKS * BLOCKSIZE - i) * sizeof(*ractx->curr_block));
534
535     /* Get the next frame pts/duration */
536     ff_af_queue_remove(&ractx->afq, avctx->frame_size, &avpkt->pts,
537                        &avpkt->duration);
538
539     avpkt->size = FRAME_SIZE;
540     *got_packet_ptr = 1;
541     return 0;
542 }
543
544
545 AVCodec ff_ra_144_encoder = {
546     .name           = "real_144",
547     .long_name      = NULL_IF_CONFIG_SMALL("RealAudio 1.0 (14.4K)"),
548     .type           = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
549     .id             = AV_CODEC_ID_RA_144,
550     .priv_data_size = sizeof(RA144Context),
551     .init           = ra144_encode_init,
552     .encode2        = ra144_encode_frame,
553     .close          = ra144_encode_close,
554     .capabilities   = CODEC_CAP_DELAY | CODEC_CAP_SMALL_LAST_FRAME,
555     .sample_fmts    = (const enum AVSampleFormat[]){ AV_SAMPLE_FMT_S16,
556                                                      AV_SAMPLE_FMT_NONE },
557     .supported_samplerates = (const int[]){ 8000, 0 },
558     .channel_layouts = (const uint64_t[]) { AV_CH_LAYOUT_MONO, 0 },
559 };