358f4e174dedc6262182e30ad98b0ba23d6758f9
[ffmpeg.git] / libavcodec / ac3enc.c
1 /*
2  * The simplest AC3 encoder
3  * Copyright (c) 2000 Fabrice Bellard.
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 ac3enc.c
24  * The simplest AC3 encoder.
25  */
26 //#define DEBUG
27 //#define DEBUG_BITALLOC
28 #include "avcodec.h"
29 #include "bitstream.h"
30 #include "crc.h"
31 #include "ac3.h"
32
33 typedef struct AC3EncodeContext {
34     PutBitContext pb;
35     int nb_channels;
36     int nb_all_channels;
37     int lfe_channel;
38     int bit_rate;
39     unsigned int sample_rate;
40     unsigned int bsid;
41     unsigned int frame_size_min; /* minimum frame size in case rounding is necessary */
42     unsigned int frame_size; /* current frame size in words */
43     unsigned int bits_written;
44     unsigned int samples_written;
45     int halfratecod;
46     unsigned int frmsizecod;
47     unsigned int fscod; /* frequency */
48     unsigned int acmod;
49     int lfe;
50     unsigned int bsmod;
51     short last_samples[AC3_MAX_CHANNELS][256];
52     unsigned int chbwcod[AC3_MAX_CHANNELS];
53     int nb_coefs[AC3_MAX_CHANNELS];
54
55     /* bitrate allocation control */
56     int sgaincod, sdecaycod, fdecaycod, dbkneecod, floorcod;
57     AC3BitAllocParameters bit_alloc;
58     int csnroffst;
59     int fgaincod[AC3_MAX_CHANNELS];
60     int fsnroffst[AC3_MAX_CHANNELS];
61     /* mantissa encoding */
62     int mant1_cnt, mant2_cnt, mant4_cnt;
63 } AC3EncodeContext;
64
65 static int16_t costab[64];
66 static int16_t sintab[64];
67 static int16_t fft_rev[512];
68 static int16_t xcos1[128];
69 static int16_t xsin1[128];
70
71 #define MDCT_NBITS 9
72 #define N         (1 << MDCT_NBITS)
73
74 /* new exponents are sent if their Norm 1 exceed this number */
75 #define EXP_DIFF_THRESHOLD 1000
76
77 static void fft_init(int ln);
78
79 static inline int16_t fix15(float a)
80 {
81     int v;
82     v = (int)(a * (float)(1 << 15));
83     if (v < -32767)
84         v = -32767;
85     else if (v > 32767)
86         v = 32767;
87     return v;
88 }
89
90 typedef struct IComplex {
91     short re,im;
92 } IComplex;
93
94 static void fft_init(int ln)
95 {
96     int i, j, m, n;
97     float alpha;
98
99     n = 1 << ln;
100
101     for(i=0;i<(n/2);i++) {
102         alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
103         costab[i] = fix15(cos(alpha));
104         sintab[i] = fix15(sin(alpha));
105     }
106
107     for(i=0;i<n;i++) {
108         m=0;
109         for(j=0;j<ln;j++) {
110             m |= ((i >> j) & 1) << (ln-j-1);
111         }
112         fft_rev[i]=m;
113     }
114 }
115
116 /* butter fly op */
117 #define BF(pre, pim, qre, qim, pre1, pim1, qre1, qim1) \
118 {\
119   int ax, ay, bx, by;\
120   bx=pre1;\
121   by=pim1;\
122   ax=qre1;\
123   ay=qim1;\
124   pre = (bx + ax) >> 1;\
125   pim = (by + ay) >> 1;\
126   qre = (bx - ax) >> 1;\
127   qim = (by - ay) >> 1;\
128 }
129
130 #define MUL16(a,b) ((a) * (b))
131
132 #define CMUL(pre, pim, are, aim, bre, bim) \
133 {\
134    pre = (MUL16(are, bre) - MUL16(aim, bim)) >> 15;\
135    pim = (MUL16(are, bim) + MUL16(bre, aim)) >> 15;\
136 }
137
138
139 /* do a 2^n point complex fft on 2^ln points. */
140 static void fft(IComplex *z, int ln)
141 {
142     int        j, l, np, np2;
143     int        nblocks, nloops;
144     register IComplex *p,*q;
145     int tmp_re, tmp_im;
146
147     np = 1 << ln;
148
149     /* reverse */
150     for(j=0;j<np;j++) {
151         int k;
152         IComplex tmp;
153         k = fft_rev[j];
154         if (k < j) {
155             tmp = z[k];
156             z[k] = z[j];
157             z[j] = tmp;
158         }
159     }
160
161     /* pass 0 */
162
163     p=&z[0];
164     j=(np >> 1);
165     do {
166         BF(p[0].re, p[0].im, p[1].re, p[1].im,
167            p[0].re, p[0].im, p[1].re, p[1].im);
168         p+=2;
169     } while (--j != 0);
170
171     /* pass 1 */
172
173     p=&z[0];
174     j=np >> 2;
175     do {
176         BF(p[0].re, p[0].im, p[2].re, p[2].im,
177            p[0].re, p[0].im, p[2].re, p[2].im);
178         BF(p[1].re, p[1].im, p[3].re, p[3].im,
179            p[1].re, p[1].im, p[3].im, -p[3].re);
180         p+=4;
181     } while (--j != 0);
182
183     /* pass 2 .. ln-1 */
184
185     nblocks = np >> 3;
186     nloops = 1 << 2;
187     np2 = np >> 1;
188     do {
189         p = z;
190         q = z + nloops;
191         for (j = 0; j < nblocks; ++j) {
192
193             BF(p->re, p->im, q->re, q->im,
194                p->re, p->im, q->re, q->im);
195
196             p++;
197             q++;
198             for(l = nblocks; l < np2; l += nblocks) {
199                 CMUL(tmp_re, tmp_im, costab[l], -sintab[l], q->re, q->im);
200                 BF(p->re, p->im, q->re, q->im,
201                    p->re, p->im, tmp_re, tmp_im);
202                 p++;
203                 q++;
204             }
205             p += nloops;
206             q += nloops;
207         }
208         nblocks = nblocks >> 1;
209         nloops = nloops << 1;
210     } while (nblocks != 0);
211 }
212
213 /* do a 512 point mdct */
214 static void mdct512(int32_t *out, int16_t *in)
215 {
216     int i, re, im, re1, im1;
217     int16_t rot[N];
218     IComplex x[N/4];
219
220     /* shift to simplify computations */
221     for(i=0;i<N/4;i++)
222         rot[i] = -in[i + 3*N/4];
223     for(i=N/4;i<N;i++)
224         rot[i] = in[i - N/4];
225
226     /* pre rotation */
227     for(i=0;i<N/4;i++) {
228         re = ((int)rot[2*i] - (int)rot[N-1-2*i]) >> 1;
229         im = -((int)rot[N/2+2*i] - (int)rot[N/2-1-2*i]) >> 1;
230         CMUL(x[i].re, x[i].im, re, im, -xcos1[i], xsin1[i]);
231     }
232
233     fft(x, MDCT_NBITS - 2);
234
235     /* post rotation */
236     for(i=0;i<N/4;i++) {
237         re = x[i].re;
238         im = x[i].im;
239         CMUL(re1, im1, re, im, xsin1[i], xcos1[i]);
240         out[2*i] = im1;
241         out[N/2-1-2*i] = re1;
242     }
243 }
244
245 /* XXX: use another norm ? */
246 static int calc_exp_diff(uint8_t *exp1, uint8_t *exp2, int n)
247 {
248     int sum, i;
249     sum = 0;
250     for(i=0;i<n;i++) {
251         sum += abs(exp1[i] - exp2[i]);
252     }
253     return sum;
254 }
255
256 static void compute_exp_strategy(uint8_t exp_strategy[NB_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
257                                  uint8_t exp[NB_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][N/2],
258                                  int ch, int is_lfe)
259 {
260     int i, j;
261     int exp_diff;
262
263     /* estimate if the exponent variation & decide if they should be
264        reused in the next frame */
265     exp_strategy[0][ch] = EXP_NEW;
266     for(i=1;i<NB_BLOCKS;i++) {
267         exp_diff = calc_exp_diff(exp[i][ch], exp[i-1][ch], N/2);
268 #ifdef DEBUG
269         av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "exp_diff=%d\n", exp_diff);
270 #endif
271         if (exp_diff > EXP_DIFF_THRESHOLD)
272             exp_strategy[i][ch] = EXP_NEW;
273         else
274             exp_strategy[i][ch] = EXP_REUSE;
275     }
276     if (is_lfe)
277         return;
278
279     /* now select the encoding strategy type : if exponents are often
280        recoded, we use a coarse encoding */
281     i = 0;
282     while (i < NB_BLOCKS) {
283         j = i + 1;
284         while (j < NB_BLOCKS && exp_strategy[j][ch] == EXP_REUSE)
285             j++;
286         switch(j - i) {
287         case 1:
288             exp_strategy[i][ch] = EXP_D45;
289             break;
290         case 2:
291         case 3:
292             exp_strategy[i][ch] = EXP_D25;
293             break;
294         default:
295             exp_strategy[i][ch] = EXP_D15;
296             break;
297         }
298         i = j;
299     }
300 }
301
302 /* set exp[i] to min(exp[i], exp1[i]) */
303 static void exponent_min(uint8_t exp[N/2], uint8_t exp1[N/2], int n)
304 {
305     int i;
306
307     for(i=0;i<n;i++) {
308         if (exp1[i] < exp[i])
309             exp[i] = exp1[i];
310     }
311 }
312
313 /* update the exponents so that they are the ones the decoder will
314    decode. Return the number of bits used to code the exponents */
315 static int encode_exp(uint8_t encoded_exp[N/2],
316                       uint8_t exp[N/2],
317                       int nb_exps,
318                       int exp_strategy)
319 {
320     int group_size, nb_groups, i, j, k, exp_min;
321     uint8_t exp1[N/2];
322
323     switch(exp_strategy) {
324     case EXP_D15:
325         group_size = 1;
326         break;
327     case EXP_D25:
328         group_size = 2;
329         break;
330     default:
331     case EXP_D45:
332         group_size = 4;
333         break;
334     }
335     nb_groups = ((nb_exps + (group_size * 3) - 4) / (3 * group_size)) * 3;
336
337     /* for each group, compute the minimum exponent */
338     exp1[0] = exp[0]; /* DC exponent is handled separately */
339     k = 1;
340     for(i=1;i<=nb_groups;i++) {
341         exp_min = exp[k];
342         assert(exp_min >= 0 && exp_min <= 24);
343         for(j=1;j<group_size;j++) {
344             if (exp[k+j] < exp_min)
345                 exp_min = exp[k+j];
346         }
347         exp1[i] = exp_min;
348         k += group_size;
349     }
350
351     /* constraint for DC exponent */
352     if (exp1[0] > 15)
353         exp1[0] = 15;
354
355     /* Decrease the delta between each groups to within 2
356      * so that they can be differentially encoded */
357     for (i=1;i<=nb_groups;i++)
358         exp1[i] = FFMIN(exp1[i], exp1[i-1] + 2);
359     for (i=nb_groups-1;i>=0;i--)
360         exp1[i] = FFMIN(exp1[i], exp1[i+1] + 2);
361
362     /* now we have the exponent values the decoder will see */
363     encoded_exp[0] = exp1[0];
364     k = 1;
365     for(i=1;i<=nb_groups;i++) {
366         for(j=0;j<group_size;j++) {
367             encoded_exp[k+j] = exp1[i];
368         }
369         k += group_size;
370     }
371
372 #if defined(DEBUG)
373     av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "exponents: strategy=%d\n", exp_strategy);
374     for(i=0;i<=nb_groups * group_size;i++) {
375         av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "%d ", encoded_exp[i]);
376     }
377     av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "\n");
378 #endif
379
380     return 4 + (nb_groups / 3) * 7;
381 }
382
383 /* return the size in bits taken by the mantissa */
384 static int compute_mantissa_size(AC3EncodeContext *s, uint8_t *m, int nb_coefs)
385 {
386     int bits, mant, i;
387
388     bits = 0;
389     for(i=0;i<nb_coefs;i++) {
390         mant = m[i];
391         switch(mant) {
392         case 0:
393             /* nothing */
394             break;
395         case 1:
396             /* 3 mantissa in 5 bits */
397             if (s->mant1_cnt == 0)
398                 bits += 5;
399             if (++s->mant1_cnt == 3)
400                 s->mant1_cnt = 0;
401             break;
402         case 2:
403             /* 3 mantissa in 7 bits */
404             if (s->mant2_cnt == 0)
405                 bits += 7;
406             if (++s->mant2_cnt == 3)
407                 s->mant2_cnt = 0;
408             break;
409         case 3:
410             bits += 3;
411             break;
412         case 4:
413             /* 2 mantissa in 7 bits */
414             if (s->mant4_cnt == 0)
415                 bits += 7;
416             if (++s->mant4_cnt == 2)
417                 s->mant4_cnt = 0;
418             break;
419         case 14:
420             bits += 14;
421             break;
422         case 15:
423             bits += 16;
424             break;
425         default:
426             bits += mant - 1;
427             break;
428         }
429     }
430     return bits;
431 }
432
433
434 static int bit_alloc(AC3EncodeContext *s,
435                      uint8_t bap[NB_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][N/2],
436                      uint8_t encoded_exp[NB_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][N/2],
437                      uint8_t exp_strategy[NB_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
438                      int frame_bits, int csnroffst, int fsnroffst)
439 {
440     int i, ch;
441
442     /* compute size */
443     for(i=0;i<NB_BLOCKS;i++) {
444         s->mant1_cnt = 0;
445         s->mant2_cnt = 0;
446         s->mant4_cnt = 0;
447         for(ch=0;ch<s->nb_all_channels;ch++) {
448             ac3_parametric_bit_allocation(&s->bit_alloc,
449                                           bap[i][ch], (int8_t *)encoded_exp[i][ch],
450                                           0, s->nb_coefs[ch],
451                                           (((csnroffst-15) << 4) +
452                                            fsnroffst) << 2,
453                                           ff_fgaintab[s->fgaincod[ch]],
454                                           ch == s->lfe_channel,
455                                           2, 0, NULL, NULL, NULL);
456             frame_bits += compute_mantissa_size(s, bap[i][ch],
457                                                  s->nb_coefs[ch]);
458         }
459     }
460 #if 0
461     printf("csnr=%d fsnr=%d frame_bits=%d diff=%d\n",
462            csnroffst, fsnroffst, frame_bits,
463            16 * s->frame_size - ((frame_bits + 7) & ~7));
464 #endif
465     return 16 * s->frame_size - frame_bits;
466 }
467
468 #define SNR_INC1 4
469
470 static int compute_bit_allocation(AC3EncodeContext *s,
471                                   uint8_t bap[NB_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][N/2],
472                                   uint8_t encoded_exp[NB_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][N/2],
473                                   uint8_t exp_strategy[NB_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS],
474                                   int frame_bits)
475 {
476     int i, ch;
477     int csnroffst, fsnroffst;
478     uint8_t bap1[NB_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][N/2];
479     static int frame_bits_inc[8] = { 0, 0, 2, 2, 2, 4, 2, 4 };
480
481     /* init default parameters */
482     s->sdecaycod = 2;
483     s->fdecaycod = 1;
484     s->sgaincod = 1;
485     s->dbkneecod = 2;
486     s->floorcod = 4;
487     for(ch=0;ch<s->nb_all_channels;ch++)
488         s->fgaincod[ch] = 4;
489
490     /* compute real values */
491     s->bit_alloc.fscod = s->fscod;
492     s->bit_alloc.halfratecod = s->halfratecod;
493     s->bit_alloc.sdecay = ff_sdecaytab[s->sdecaycod] >> s->halfratecod;
494     s->bit_alloc.fdecay = ff_fdecaytab[s->fdecaycod] >> s->halfratecod;
495     s->bit_alloc.sgain = ff_sgaintab[s->sgaincod];
496     s->bit_alloc.dbknee = ff_dbkneetab[s->dbkneecod];
497     s->bit_alloc.floor = ff_floortab[s->floorcod];
498
499     /* header size */
500     frame_bits += 65;
501     // if (s->acmod == 2)
502     //    frame_bits += 2;
503     frame_bits += frame_bits_inc[s->acmod];
504
505     /* audio blocks */
506     for(i=0;i<NB_BLOCKS;i++) {
507         frame_bits += s->nb_channels * 2 + 2; /* blksw * c, dithflag * c, dynrnge, cplstre */
508         if (s->acmod == 2) {
509             frame_bits++; /* rematstr */
510             if(i==0) frame_bits += 4;
511         }
512         frame_bits += 2 * s->nb_channels; /* chexpstr[2] * c */
513         if (s->lfe)
514             frame_bits++; /* lfeexpstr */
515         for(ch=0;ch<s->nb_channels;ch++) {
516             if (exp_strategy[i][ch] != EXP_REUSE)
517                 frame_bits += 6 + 2; /* chbwcod[6], gainrng[2] */
518         }
519         frame_bits++; /* baie */
520         frame_bits++; /* snr */
521         frame_bits += 2; /* delta / skip */
522     }
523     frame_bits++; /* cplinu for block 0 */
524     /* bit alloc info */
525     /* sdcycod[2], fdcycod[2], sgaincod[2], dbpbcod[2], floorcod[3] */
526     /* csnroffset[6] */
527     /* (fsnoffset[4] + fgaincod[4]) * c */
528     frame_bits += 2*4 + 3 + 6 + s->nb_all_channels * (4 + 3);
529
530     /* auxdatae, crcrsv */
531     frame_bits += 2;
532
533     /* CRC */
534     frame_bits += 16;
535
536     /* now the big work begins : do the bit allocation. Modify the snr
537        offset until we can pack everything in the requested frame size */
538
539     csnroffst = s->csnroffst;
540     while (csnroffst >= 0 &&
541            bit_alloc(s, bap, encoded_exp, exp_strategy, frame_bits, csnroffst, 0) < 0)
542         csnroffst -= SNR_INC1;
543     if (csnroffst < 0) {
544         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Bit allocation failed, try increasing the bitrate, -ab 384 for example!\n");
545         return -1;
546     }
547     while ((csnroffst + SNR_INC1) <= 63 &&
548            bit_alloc(s, bap1, encoded_exp, exp_strategy, frame_bits,
549                      csnroffst + SNR_INC1, 0) >= 0) {
550         csnroffst += SNR_INC1;
551         memcpy(bap, bap1, sizeof(bap1));
552     }
553     while ((csnroffst + 1) <= 63 &&
554            bit_alloc(s, bap1, encoded_exp, exp_strategy, frame_bits, csnroffst + 1, 0) >= 0) {
555         csnroffst++;
556         memcpy(bap, bap1, sizeof(bap1));
557     }
558
559     fsnroffst = 0;
560     while ((fsnroffst + SNR_INC1) <= 15 &&
561            bit_alloc(s, bap1, encoded_exp, exp_strategy, frame_bits,
562                      csnroffst, fsnroffst + SNR_INC1) >= 0) {
563         fsnroffst += SNR_INC1;
564         memcpy(bap, bap1, sizeof(bap1));
565     }
566     while ((fsnroffst + 1) <= 15 &&
567            bit_alloc(s, bap1, encoded_exp, exp_strategy, frame_bits,
568                      csnroffst, fsnroffst + 1) >= 0) {
569         fsnroffst++;
570         memcpy(bap, bap1, sizeof(bap1));
571     }
572
573     s->csnroffst = csnroffst;
574     for(ch=0;ch<s->nb_all_channels;ch++)
575         s->fsnroffst[ch] = fsnroffst;
576 #if defined(DEBUG_BITALLOC)
577     {
578         int j;
579
580         for(i=0;i<6;i++) {
581             for(ch=0;ch<s->nb_all_channels;ch++) {
582                 printf("Block #%d Ch%d:\n", i, ch);
583                 printf("bap=");
584                 for(j=0;j<s->nb_coefs[ch];j++) {
585                     printf("%d ",bap[i][ch][j]);
586                 }
587                 printf("\n");
588             }
589         }
590     }
591 #endif
592     return 0;
593 }
594
595 static int AC3_encode_init(AVCodecContext *avctx)
596 {
597     int freq = avctx->sample_rate;
598     int bitrate = avctx->bit_rate;
599     int channels = avctx->channels;
600     AC3EncodeContext *s = avctx->priv_data;
601     int i, j, ch;
602     float alpha;
603     static const uint8_t acmod_defs[6] = {
604         0x01, /* C */
605         0x02, /* L R */
606         0x03, /* L C R */
607         0x06, /* L R SL SR */
608         0x07, /* L C R SL SR */
609         0x07, /* L C R SL SR (+LFE) */
610     };
611
612     avctx->frame_size = AC3_FRAME_SIZE;
613
614     ac3_common_init();
615
616     /* number of channels */
617     if (channels < 1 || channels > 6)
618         return -1;
619     s->acmod = acmod_defs[channels - 1];
620     s->lfe = (channels == 6) ? 1 : 0;
621     s->nb_all_channels = channels;
622     s->nb_channels = channels > 5 ? 5 : channels;
623     s->lfe_channel = s->lfe ? 5 : -1;
624
625     /* frequency */
626     for(i=0;i<3;i++) {
627         for(j=0;j<3;j++)
628             if ((ff_ac3_freqs[j] >> i) == freq)
629                 goto found;
630     }
631     return -1;
632  found:
633     s->sample_rate = freq;
634     s->halfratecod = i;
635     s->fscod = j;
636     s->bsid = 8 + s->halfratecod;
637     s->bsmod = 0; /* complete main audio service */
638
639     /* bitrate & frame size */
640     bitrate /= 1000;
641     for(i=0;i<19;i++) {
642         if ((ff_ac3_bitratetab[i] >> s->halfratecod) == bitrate)
643             break;
644     }
645     if (i == 19)
646         return -1;
647     s->bit_rate = bitrate;
648     s->frmsizecod = i << 1;
649     s->frame_size_min = ff_ac3_frame_sizes[s->frmsizecod][s->fscod];
650     s->bits_written = 0;
651     s->samples_written = 0;
652     s->frame_size = s->frame_size_min;
653
654     /* bit allocation init */
655     for(ch=0;ch<s->nb_channels;ch++) {
656         /* bandwidth for each channel */
657         /* XXX: should compute the bandwidth according to the frame
658            size, so that we avoid anoying high freq artefacts */
659         s->chbwcod[ch] = 50; /* sample bandwidth as mpeg audio layer 2 table 0 */
660         s->nb_coefs[ch] = ((s->chbwcod[ch] + 12) * 3) + 37;
661     }
662     if (s->lfe) {
663         s->nb_coefs[s->lfe_channel] = 7; /* fixed */
664     }
665     /* initial snr offset */
666     s->csnroffst = 40;
667
668     /* mdct init */
669     fft_init(MDCT_NBITS - 2);
670     for(i=0;i<N/4;i++) {
671         alpha = 2 * M_PI * (i + 1.0 / 8.0) / (float)N;
672         xcos1[i] = fix15(-cos(alpha));
673         xsin1[i] = fix15(-sin(alpha));
674     }
675
676     avctx->coded_frame= avcodec_alloc_frame();
677     avctx->coded_frame->key_frame= 1;
678
679     return 0;
680 }
681
682 /* output the AC3 frame header */
683 static void output_frame_header(AC3EncodeContext *s, unsigned char *frame)
684 {
685     init_put_bits(&s->pb, frame, AC3_MAX_CODED_FRAME_SIZE);
686
687     put_bits(&s->pb, 16, 0x0b77); /* frame header */
688     put_bits(&s->pb, 16, 0); /* crc1: will be filled later */
689     put_bits(&s->pb, 2, s->fscod);
690     put_bits(&s->pb, 6, s->frmsizecod + (s->frame_size - s->frame_size_min));
691     put_bits(&s->pb, 5, s->bsid);
692     put_bits(&s->pb, 3, s->bsmod);
693     put_bits(&s->pb, 3, s->acmod);
694     if ((s->acmod & 0x01) && s->acmod != 0x01)
695         put_bits(&s->pb, 2, 1); /* XXX -4.5 dB */
696     if (s->acmod & 0x04)
697         put_bits(&s->pb, 2, 1); /* XXX -6 dB */
698     if (s->acmod == 0x02)
699         put_bits(&s->pb, 2, 0); /* surround not indicated */
700     put_bits(&s->pb, 1, s->lfe); /* LFE */
701     put_bits(&s->pb, 5, 31); /* dialog norm: -31 db */
702     put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no compression control word */
703     put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no lang code */
704     put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no audio production info */
705     put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no copyright */
706     put_bits(&s->pb, 1, 1); /* original bitstream */
707     put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no time code 1 */
708     put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no time code 2 */
709     put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no addtional bit stream info */
710 }
711
712 /* symetric quantization on 'levels' levels */
713 static inline int sym_quant(int c, int e, int levels)
714 {
715     int v;
716
717     if (c >= 0) {
718         v = (levels * (c << e)) >> 24;
719         v = (v + 1) >> 1;
720         v = (levels >> 1) + v;
721     } else {
722         v = (levels * ((-c) << e)) >> 24;
723         v = (v + 1) >> 1;
724         v = (levels >> 1) - v;
725     }
726     assert (v >= 0 && v < levels);
727     return v;
728 }
729
730 /* asymetric quantization on 2^qbits levels */
731 static inline int asym_quant(int c, int e, int qbits)
732 {
733     int lshift, m, v;
734
735     lshift = e + qbits - 24;
736     if (lshift >= 0)
737         v = c << lshift;
738     else
739         v = c >> (-lshift);
740     /* rounding */
741     v = (v + 1) >> 1;
742     m = (1 << (qbits-1));
743     if (v >= m)
744         v = m - 1;
745     assert(v >= -m);
746     return v & ((1 << qbits)-1);
747 }
748
749 /* Output one audio block. There are NB_BLOCKS audio blocks in one AC3
750    frame */
751 static void output_audio_block(AC3EncodeContext *s,
752                                uint8_t exp_strategy[AC3_MAX_CHANNELS],
753                                uint8_t encoded_exp[AC3_MAX_CHANNELS][N/2],
754                                uint8_t bap[AC3_MAX_CHANNELS][N/2],
755                                int32_t mdct_coefs[AC3_MAX_CHANNELS][N/2],
756                                int8_t global_exp[AC3_MAX_CHANNELS],
757                                int block_num)
758 {
759     int ch, nb_groups, group_size, i, baie, rbnd;
760     uint8_t *p;
761     uint16_t qmant[AC3_MAX_CHANNELS][N/2];
762     int exp0, exp1;
763     int mant1_cnt, mant2_cnt, mant4_cnt;
764     uint16_t *qmant1_ptr, *qmant2_ptr, *qmant4_ptr;
765     int delta0, delta1, delta2;
766
767     for(ch=0;ch<s->nb_channels;ch++)
768         put_bits(&s->pb, 1, 0); /* 512 point MDCT */
769     for(ch=0;ch<s->nb_channels;ch++)
770         put_bits(&s->pb, 1, 1); /* no dither */
771     put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no dynamic range */
772     if (block_num == 0) {
773         /* for block 0, even if no coupling, we must say it. This is a
774            waste of bit :-) */
775         put_bits(&s->pb, 1, 1); /* coupling strategy present */
776         put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no coupling strategy */
777     } else {
778         put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no new coupling strategy */
779     }
780
781     if (s->acmod == 2)
782       {
783         if(block_num==0)
784           {
785             /* first block must define rematrixing (rematstr)  */
786             put_bits(&s->pb, 1, 1);
787
788             /* dummy rematrixing rematflg(1:4)=0 */
789             for (rbnd=0;rbnd<4;rbnd++)
790               put_bits(&s->pb, 1, 0);
791           }
792         else
793           {
794             /* no matrixing (but should be used in the future) */
795             put_bits(&s->pb, 1, 0);
796           }
797       }
798
799 #if defined(DEBUG)
800     {
801       static int count = 0;
802       av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "Block #%d (%d)\n", block_num, count++);
803     }
804 #endif
805     /* exponent strategy */
806     for(ch=0;ch<s->nb_channels;ch++) {
807         put_bits(&s->pb, 2, exp_strategy[ch]);
808     }
809
810     if (s->lfe) {
811         put_bits(&s->pb, 1, exp_strategy[s->lfe_channel]);
812     }
813
814     for(ch=0;ch<s->nb_channels;ch++) {
815         if (exp_strategy[ch] != EXP_REUSE)
816             put_bits(&s->pb, 6, s->chbwcod[ch]);
817     }
818
819     /* exponents */
820     for (ch = 0; ch < s->nb_all_channels; ch++) {
821         switch(exp_strategy[ch]) {
822         case EXP_REUSE:
823             continue;
824         case EXP_D15:
825             group_size = 1;
826             break;
827         case EXP_D25:
828             group_size = 2;
829             break;
830         default:
831         case EXP_D45:
832             group_size = 4;
833             break;
834         }
835         nb_groups = (s->nb_coefs[ch] + (group_size * 3) - 4) / (3 * group_size);
836         p = encoded_exp[ch];
837
838         /* first exponent */
839         exp1 = *p++;
840         put_bits(&s->pb, 4, exp1);
841
842         /* next ones are delta encoded */
843         for(i=0;i<nb_groups;i++) {
844             /* merge three delta in one code */
845             exp0 = exp1;
846             exp1 = p[0];
847             p += group_size;
848             delta0 = exp1 - exp0 + 2;
849
850             exp0 = exp1;
851             exp1 = p[0];
852             p += group_size;
853             delta1 = exp1 - exp0 + 2;
854
855             exp0 = exp1;
856             exp1 = p[0];
857             p += group_size;
858             delta2 = exp1 - exp0 + 2;
859
860             put_bits(&s->pb, 7, ((delta0 * 5 + delta1) * 5) + delta2);
861         }
862
863         if (ch != s->lfe_channel)
864             put_bits(&s->pb, 2, 0); /* no gain range info */
865     }
866
867     /* bit allocation info */
868     baie = (block_num == 0);
869     put_bits(&s->pb, 1, baie);
870     if (baie) {
871         put_bits(&s->pb, 2, s->sdecaycod);
872         put_bits(&s->pb, 2, s->fdecaycod);
873         put_bits(&s->pb, 2, s->sgaincod);
874         put_bits(&s->pb, 2, s->dbkneecod);
875         put_bits(&s->pb, 3, s->floorcod);
876     }
877
878     /* snr offset */
879     put_bits(&s->pb, 1, baie); /* always present with bai */
880     if (baie) {
881         put_bits(&s->pb, 6, s->csnroffst);
882         for(ch=0;ch<s->nb_all_channels;ch++) {
883             put_bits(&s->pb, 4, s->fsnroffst[ch]);
884             put_bits(&s->pb, 3, s->fgaincod[ch]);
885         }
886     }
887
888     put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no delta bit allocation */
889     put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no data to skip */
890
891     /* mantissa encoding : we use two passes to handle the grouping. A
892        one pass method may be faster, but it would necessitate to
893        modify the output stream. */
894
895     /* first pass: quantize */
896     mant1_cnt = mant2_cnt = mant4_cnt = 0;
897     qmant1_ptr = qmant2_ptr = qmant4_ptr = NULL;
898
899     for (ch = 0; ch < s->nb_all_channels; ch++) {
900         int b, c, e, v;
901
902         for(i=0;i<s->nb_coefs[ch];i++) {
903             c = mdct_coefs[ch][i];
904             e = encoded_exp[ch][i] - global_exp[ch];
905             b = bap[ch][i];
906             switch(b) {
907             case 0:
908                 v = 0;
909                 break;
910             case 1:
911                 v = sym_quant(c, e, 3);
912                 switch(mant1_cnt) {
913                 case 0:
914                     qmant1_ptr = &qmant[ch][i];
915                     v = 9 * v;
916                     mant1_cnt = 1;
917                     break;
918                 case 1:
919                     *qmant1_ptr += 3 * v;
920                     mant1_cnt = 2;
921                     v = 128;
922                     break;
923                 default:
924                     *qmant1_ptr += v;
925                     mant1_cnt = 0;
926                     v = 128;
927                     break;
928                 }
929                 break;
930             case 2:
931                 v = sym_quant(c, e, 5);
932                 switch(mant2_cnt) {
933                 case 0:
934                     qmant2_ptr = &qmant[ch][i];
935                     v = 25 * v;
936                     mant2_cnt = 1;
937                     break;
938                 case 1:
939                     *qmant2_ptr += 5 * v;
940                     mant2_cnt = 2;
941                     v = 128;
942                     break;
943                 default:
944                     *qmant2_ptr += v;
945                     mant2_cnt = 0;
946                     v = 128;
947                     break;
948                 }
949                 break;
950             case 3:
951                 v = sym_quant(c, e, 7);
952                 break;
953             case 4:
954                 v = sym_quant(c, e, 11);
955                 switch(mant4_cnt) {
956                 case 0:
957                     qmant4_ptr = &qmant[ch][i];
958                     v = 11 * v;
959                     mant4_cnt = 1;
960                     break;
961                 default:
962                     *qmant4_ptr += v;
963                     mant4_cnt = 0;
964                     v = 128;
965                     break;
966                 }
967                 break;
968             case 5:
969                 v = sym_quant(c, e, 15);
970                 break;
971             case 14:
972                 v = asym_quant(c, e, 14);
973                 break;
974             case 15:
975                 v = asym_quant(c, e, 16);
976                 break;
977             default:
978                 v = asym_quant(c, e, b - 1);
979                 break;
980             }
981             qmant[ch][i] = v;
982         }
983     }
984
985     /* second pass : output the values */
986     for (ch = 0; ch < s->nb_all_channels; ch++) {
987         int b, q;
988
989         for(i=0;i<s->nb_coefs[ch];i++) {
990             q = qmant[ch][i];
991             b = bap[ch][i];
992             switch(b) {
993             case 0:
994                 break;
995             case 1:
996                 if (q != 128)
997                     put_bits(&s->pb, 5, q);
998                 break;
999             case 2:
1000                 if (q != 128)
1001                     put_bits(&s->pb, 7, q);
1002                 break;
1003             case 3:
1004                 put_bits(&s->pb, 3, q);
1005                 break;
1006             case 4:
1007                 if (q != 128)
1008                     put_bits(&s->pb, 7, q);
1009                 break;
1010             case 14:
1011                 put_bits(&s->pb, 14, q);
1012                 break;
1013             case 15:
1014                 put_bits(&s->pb, 16, q);
1015                 break;
1016             default:
1017                 put_bits(&s->pb, b - 1, q);
1018                 break;
1019             }
1020         }
1021     }
1022 }
1023
1024 #define CRC16_POLY ((1 << 0) | (1 << 2) | (1 << 15) | (1 << 16))
1025
1026 static unsigned int mul_poly(unsigned int a, unsigned int b, unsigned int poly)
1027 {
1028     unsigned int c;
1029
1030     c = 0;
1031     while (a) {
1032         if (a & 1)
1033             c ^= b;
1034         a = a >> 1;
1035         b = b << 1;
1036         if (b & (1 << 16))
1037             b ^= poly;
1038     }
1039     return c;
1040 }
1041
1042 static unsigned int pow_poly(unsigned int a, unsigned int n, unsigned int poly)
1043 {
1044     unsigned int r;
1045     r = 1;
1046     while (n) {
1047         if (n & 1)
1048             r = mul_poly(r, a, poly);
1049         a = mul_poly(a, a, poly);
1050         n >>= 1;
1051     }
1052     return r;
1053 }
1054
1055
1056 /* compute log2(max(abs(tab[]))) */
1057 static int log2_tab(int16_t *tab, int n)
1058 {
1059     int i, v;
1060
1061     v = 0;
1062     for(i=0;i<n;i++) {
1063         v |= abs(tab[i]);
1064     }
1065     return av_log2(v);
1066 }
1067
1068 static void lshift_tab(int16_t *tab, int n, int lshift)
1069 {
1070     int i;
1071
1072     if (lshift > 0) {
1073         for(i=0;i<n;i++) {
1074             tab[i] <<= lshift;
1075         }
1076     } else if (lshift < 0) {
1077         lshift = -lshift;
1078         for(i=0;i<n;i++) {
1079             tab[i] >>= lshift;
1080         }
1081     }
1082 }
1083
1084 /* fill the end of the frame and compute the two crcs */
1085 static int output_frame_end(AC3EncodeContext *s)
1086 {
1087     int frame_size, frame_size_58, n, crc1, crc2, crc_inv;
1088     uint8_t *frame;
1089
1090     frame_size = s->frame_size; /* frame size in words */
1091     /* align to 8 bits */
1092     flush_put_bits(&s->pb);
1093     /* add zero bytes to reach the frame size */
1094     frame = s->pb.buf;
1095     n = 2 * s->frame_size - (pbBufPtr(&s->pb) - frame) - 2;
1096     assert(n >= 0);
1097     if(n>0)
1098       memset(pbBufPtr(&s->pb), 0, n);
1099
1100     /* Now we must compute both crcs : this is not so easy for crc1
1101        because it is at the beginning of the data... */
1102     frame_size_58 = (frame_size >> 1) + (frame_size >> 3);
1103     crc1 = bswap_16(av_crc(av_crc8005, 0, frame + 4, 2 * frame_size_58 - 4));
1104     /* XXX: could precompute crc_inv */
1105     crc_inv = pow_poly((CRC16_POLY >> 1), (16 * frame_size_58) - 16, CRC16_POLY);
1106     crc1 = mul_poly(crc_inv, crc1, CRC16_POLY);
1107     frame[2] = crc1 >> 8;
1108     frame[3] = crc1;
1109
1110     crc2 = bswap_16(av_crc(av_crc8005, 0, frame + 2 * frame_size_58, (frame_size - frame_size_58) * 2 - 2));
1111     frame[2*frame_size - 2] = crc2 >> 8;
1112     frame[2*frame_size - 1] = crc2;
1113
1114     //    printf("n=%d frame_size=%d\n", n, frame_size);
1115     return frame_size * 2;
1116 }
1117
1118 static int AC3_encode_frame(AVCodecContext *avctx,
1119                             unsigned char *frame, int buf_size, void *data)
1120 {
1121     AC3EncodeContext *s = avctx->priv_data;
1122     int16_t *samples = data;
1123     int i, j, k, v, ch;
1124     int16_t input_samples[N];
1125     int32_t mdct_coef[NB_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][N/2];
1126     uint8_t exp[NB_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][N/2];
1127     uint8_t exp_strategy[NB_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS];
1128     uint8_t encoded_exp[NB_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][N/2];
1129     uint8_t bap[NB_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS][N/2];
1130     int8_t exp_samples[NB_BLOCKS][AC3_MAX_CHANNELS];
1131     int frame_bits;
1132
1133     frame_bits = 0;
1134     for(ch=0;ch<s->nb_all_channels;ch++) {
1135         /* fixed mdct to the six sub blocks & exponent computation */
1136         for(i=0;i<NB_BLOCKS;i++) {
1137             int16_t *sptr;
1138             int sinc;
1139
1140             /* compute input samples */
1141             memcpy(input_samples, s->last_samples[ch], N/2 * sizeof(int16_t));
1142             sinc = s->nb_all_channels;
1143             sptr = samples + (sinc * (N/2) * i) + ch;
1144             for(j=0;j<N/2;j++) {
1145                 v = *sptr;
1146                 input_samples[j + N/2] = v;
1147                 s->last_samples[ch][j] = v;
1148                 sptr += sinc;
1149             }
1150
1151             /* apply the MDCT window */
1152             for(j=0;j<N/2;j++) {
1153                 input_samples[j] = MUL16(input_samples[j],
1154                                          ff_ac3_window[j]) >> 15;
1155                 input_samples[N-j-1] = MUL16(input_samples[N-j-1],
1156                                              ff_ac3_window[j]) >> 15;
1157             }
1158
1159             /* Normalize the samples to use the maximum available
1160                precision */
1161             v = 14 - log2_tab(input_samples, N);
1162             if (v < 0)
1163                 v = 0;
1164             exp_samples[i][ch] = v - 9;
1165             lshift_tab(input_samples, N, v);
1166
1167             /* do the MDCT */
1168             mdct512(mdct_coef[i][ch], input_samples);
1169
1170             /* compute "exponents". We take into account the
1171                normalization there */
1172             for(j=0;j<N/2;j++) {
1173                 int e;
1174                 v = abs(mdct_coef[i][ch][j]);
1175                 if (v == 0)
1176                     e = 24;
1177                 else {
1178                     e = 23 - av_log2(v) + exp_samples[i][ch];
1179                     if (e >= 24) {
1180                         e = 24;
1181                         mdct_coef[i][ch][j] = 0;
1182                     }
1183                 }
1184                 exp[i][ch][j] = e;
1185             }
1186         }
1187
1188         compute_exp_strategy(exp_strategy, exp, ch, ch == s->lfe_channel);
1189
1190         /* compute the exponents as the decoder will see them. The
1191            EXP_REUSE case must be handled carefully : we select the
1192            min of the exponents */
1193         i = 0;
1194         while (i < NB_BLOCKS) {
1195             j = i + 1;
1196             while (j < NB_BLOCKS && exp_strategy[j][ch] == EXP_REUSE) {
1197                 exponent_min(exp[i][ch], exp[j][ch], s->nb_coefs[ch]);
1198                 j++;
1199             }
1200             frame_bits += encode_exp(encoded_exp[i][ch],
1201                                      exp[i][ch], s->nb_coefs[ch],
1202                                      exp_strategy[i][ch]);
1203             /* copy encoded exponents for reuse case */
1204             for(k=i+1;k<j;k++) {
1205                 memcpy(encoded_exp[k][ch], encoded_exp[i][ch],
1206                        s->nb_coefs[ch] * sizeof(uint8_t));
1207             }
1208             i = j;
1209         }
1210     }
1211
1212     /* adjust for fractional frame sizes */
1213     while(s->bits_written >= s->bit_rate*1000 && s->samples_written >= s->sample_rate) {
1214         s->bits_written -= s->bit_rate*1000;
1215         s->samples_written -= s->sample_rate;
1216     }
1217     s->frame_size = s->frame_size_min + (s->bits_written * s->sample_rate < s->samples_written * s->bit_rate*1000);
1218     s->bits_written += s->frame_size * 16;
1219     s->samples_written += AC3_FRAME_SIZE;
1220
1221     compute_bit_allocation(s, bap, encoded_exp, exp_strategy, frame_bits);
1222     /* everything is known... let's output the frame */
1223     output_frame_header(s, frame);
1224
1225     for(i=0;i<NB_BLOCKS;i++) {
1226         output_audio_block(s, exp_strategy[i], encoded_exp[i],
1227                            bap[i], mdct_coef[i], exp_samples[i], i);
1228     }
1229     return output_frame_end(s);
1230 }
1231
1232 static int AC3_encode_close(AVCodecContext *avctx)
1233 {
1234     av_freep(&avctx->coded_frame);
1235     return 0;
1236 }
1237
1238 #if 0
1239 /*************************************************************************/
1240 /* TEST */
1241
1242 #define FN (N/4)
1243
1244 void fft_test(void)
1245 {
1246     IComplex in[FN], in1[FN];
1247     int k, n, i;
1248     float sum_re, sum_im, a;
1249
1250     /* FFT test */
1251
1252     for(i=0;i<FN;i++) {
1253         in[i].re = random() % 65535 - 32767;
1254         in[i].im = random() % 65535 - 32767;
1255         in1[i] = in[i];
1256     }
1257     fft(in, 7);
1258
1259     /* do it by hand */
1260     for(k=0;k<FN;k++) {
1261         sum_re = 0;
1262         sum_im = 0;
1263         for(n=0;n<FN;n++) {
1264             a = -2 * M_PI * (n * k) / FN;
1265             sum_re += in1[n].re * cos(a) - in1[n].im * sin(a);
1266             sum_im += in1[n].re * sin(a) + in1[n].im * cos(a);
1267         }
1268         printf("%3d: %6d,%6d %6.0f,%6.0f\n",
1269                k, in[k].re, in[k].im, sum_re / FN, sum_im / FN);
1270     }
1271 }
1272
1273 void mdct_test(void)
1274 {
1275     int16_t input[N];
1276     int32_t output[N/2];
1277     float input1[N];
1278     float output1[N/2];
1279     float s, a, err, e, emax;
1280     int i, k, n;
1281
1282     for(i=0;i<N;i++) {
1283         input[i] = (random() % 65535 - 32767) * 9 / 10;
1284         input1[i] = input[i];
1285     }
1286
1287     mdct512(output, input);
1288
1289     /* do it by hand */
1290     for(k=0;k<N/2;k++) {
1291         s = 0;
1292         for(n=0;n<N;n++) {
1293             a = (2*M_PI*(2*n+1+N/2)*(2*k+1) / (4 * N));
1294             s += input1[n] * cos(a);
1295         }
1296         output1[k] = -2 * s / N;
1297     }
1298
1299     err = 0;
1300     emax = 0;
1301     for(i=0;i<N/2;i++) {
1302         printf("%3d: %7d %7.0f\n", i, output[i], output1[i]);
1303         e = output[i] - output1[i];
1304         if (e > emax)
1305             emax = e;
1306         err += e * e;
1307     }
1308     printf("err2=%f emax=%f\n", err / (N/2), emax);
1309 }
1310
1311 void test_ac3(void)
1312 {
1313     AC3EncodeContext ctx;
1314     unsigned char frame[AC3_MAX_CODED_FRAME_SIZE];
1315     short samples[AC3_FRAME_SIZE];
1316     int ret, i;
1317
1318     AC3_encode_init(&ctx, 44100, 64000, 1);
1319
1320     fft_test();
1321     mdct_test();
1322
1323     for(i=0;i<AC3_FRAME_SIZE;i++)
1324         samples[i] = (int)(sin(2*M_PI*i*1000.0/44100) * 10000);
1325     ret = AC3_encode_frame(&ctx, frame, samples);
1326     printf("ret=%d\n", ret);
1327 }
1328 #endif
1329
1330 AVCodec ac3_encoder = {
1331     "ac3",
1332     CODEC_TYPE_AUDIO,
1333     CODEC_ID_AC3,
1334     sizeof(AC3EncodeContext),
1335     AC3_encode_init,
1336     AC3_encode_frame,
1337     AC3_encode_close,
1338     NULL,
1339 };