libavcodec/cabac.c

   1 /*
   2  * H.26L/H.264/AVC/JVT/14496-10/... encoder/decoder
   3  * Copyright (c) 2003 Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
   4  *
   5  * This file is part of Libav.
   6  *
   7  * Libav 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  * Libav 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 Libav; 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  * Context Adaptive Binary Arithmetic Coder.
  25  */
  26
  27 #include <string.h>
  28
  29 #include "libavutil/common.h"
  30 #include "get_bits.h"
  31 #include "cabac.h"
  32
  33 static const uint8_t lps_range[64][4]= {
  34 {128,176,208,240}, {128,167,197,227}, {128,158,187,216}, {123,150,178,205},
  35 {116,142,169,195}, {111,135,160,185}, {105,128,152,175}, {100,122,144,166},
  36 { 95,116,137,158}, { 90,110,130,150}, { 85,104,123,142}, { 81, 99,117,135},
  37 { 77, 94,111,128}, { 73, 89,105,122}, { 69, 85,100,116}, { 66, 80, 95,110},
  38 { 62, 76, 90,104}, { 59, 72, 86, 99}, { 56, 69, 81, 94}, { 53, 65, 77, 89},
  39 { 51, 62, 73, 85}, { 48, 59, 69, 80}, { 46, 56, 66, 76}, { 43, 53, 63, 72},
  40 { 41, 50, 59, 69}, { 39, 48, 56, 65}, { 37, 45, 54, 62}, { 35, 43, 51, 59},
  41 { 33, 41, 48, 56}, { 32, 39, 46, 53}, { 30, 37, 43, 50}, { 29, 35, 41, 48},
  42 { 27, 33, 39, 45}, { 26, 31, 37, 43}, { 24, 30, 35, 41}, { 23, 28, 33, 39},
  43 { 22, 27, 32, 37}, { 21, 26, 30, 35}, { 20, 24, 29, 33}, { 19, 23, 27, 31},
  44 { 18, 22, 26, 30}, { 17, 21, 25, 28}, { 16, 20, 23, 27}, { 15, 19, 22, 25},
  45 { 14, 18, 21, 24}, { 14, 17, 20, 23}, { 13, 16, 19, 22}, { 12, 15, 18, 21},
  46 { 12, 14, 17, 20}, { 11, 14, 16, 19}, { 11, 13, 15, 18}, { 10, 12, 15, 17},
  47 { 10, 12, 14, 16}, {  9, 11, 13, 15}, {  9, 11, 12, 14}, {  8, 10, 12, 14},
  48 {  8,  9, 11, 13}, {  7,  9, 11, 12}, {  7,  9, 10, 12}, {  7,  8, 10, 11},
  49 {  6,  8,  9, 11}, {  6,  7,  9, 10}, {  6,  7,  8,  9}, {  2,  2,  2,  2},
  50 };
  51
  52 uint8_t ff_h264_mlps_state[4*64];
  53 uint8_t ff_h264_lps_range[4*2*64];
  54 uint8_t ff_h264_lps_state[2*64];
  55 uint8_t ff_h264_mps_state[2*64];
  56
  57 static const uint8_t mps_state[64]= {
  58   1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,
  59   9,10,11,12,13,14,15,16,
  60  17,18,19,20,21,22,23,24,
  61  25,26,27,28,29,30,31,32,
  62  33,34,35,36,37,38,39,40,
  63  41,42,43,44,45,46,47,48,
  64  49,50,51,52,53,54,55,56,
  65  57,58,59,60,61,62,62,63,
  66 };
  67
  68 static const uint8_t lps_state[64]= {
  69   0, 0, 1, 2, 2, 4, 4, 5,
  70   6, 7, 8, 9, 9,11,11,12,
  71  13,13,15,15,16,16,18,18,
  72  19,19,21,21,22,22,23,24,
  73  24,25,26,26,27,27,28,29,
  74  29,30,30,30,31,32,32,33,
  75  33,33,34,34,35,35,35,36,
  76  36,36,37,37,37,38,38,63,
  77 };
  78
  79 const uint8_t ff_h264_norm_shift[512]= {
  80  9,8,7,7,6,6,6,6,5,5,5,5,5,5,5,5,
  81  4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,
  82  3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,
  83  3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,
  84  2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,
  85  2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,
  86  2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,
  87  2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,
  88  1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
  89  1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
  90  1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
  91  1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
  92  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  93  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  94  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  95  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  96  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  97  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  98  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  99  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
 100 };
 101
 102 /**
 103  *
 104  * @param buf_size size of buf in bits
 105  */
 106 void ff_init_cabac_encoder(CABACContext *c, uint8_t *buf, int buf_size){
 107     init_put_bits(&c->pb, buf, buf_size);
 108
 109     c->low= 0;
 110     c->range= 0x1FE;
 111     c->outstanding_count= 0;
 112 #ifdef STRICT_LIMITS
 113     c->sym_count =0;
 114 #endif
 115
 116     c->pb.bit_left++; //avoids firstBitFlag
 117 }
 118
 119 /**
 120  *
 121  * @param buf_size size of buf in bits
 122  */
 123 void ff_init_cabac_decoder(CABACContext *c, const uint8_t *buf, int buf_size){
 124     c->bytestream_start=
 125     c->bytestream= buf;
 126     c->bytestream_end= buf + buf_size;
 127
 128 #if CABAC_BITS == 16
 129     c->low =  (*c->bytestream++)<<18;
 130     c->low+=  (*c->bytestream++)<<10;
 131 #else
 132     c->low =  (*c->bytestream++)<<10;
 133 #endif
 134     c->low+= ((*c->bytestream++)<<2) + 2;
 135     c->range= 0x1FE;
 136 }
 137
 138 void ff_init_cabac_states(CABACContext *c){
 139     int i, j;
 140
 141     for(i=0; i<64; i++){
 142         for(j=0; j<4; j++){ //FIXME check if this is worth the 1 shift we save
 143             ff_h264_lps_range[j*2*64+2*i+0]=
 144             ff_h264_lps_range[j*2*64+2*i+1]= lps_range[i][j];
 145         }
 146
 147         ff_h264_mlps_state[128+2*i+0]=
 148         ff_h264_mps_state[2*i+0]= 2*mps_state[i]+0;
 149         ff_h264_mlps_state[128+2*i+1]=
 150         ff_h264_mps_state[2*i+1]= 2*mps_state[i]+1;
 151
 152         if( i ){
 153             ff_h264_mlps_state[128-2*i-1]= 2*lps_state[i]+0;
 154             ff_h264_mlps_state[128-2*i-2]= 2*lps_state[i]+1;
 155         }else{
 156             ff_h264_mlps_state[128-2*i-1]= 1;
 157             ff_h264_mlps_state[128-2*i-2]= 0;
 158         }
 159     }
 160 }
 161
 162 #ifdef TEST
 163 #define SIZE 10240
 164
 165 #include "libavutil/lfg.h"
 166 #include "avcodec.h"
 167 #include "cabac.h"
 168
 169 static void put_cabac(CABACContext *c, uint8_t * const state, int bit){
 170     int RangeLPS= ff_h264_lps_range[2*(c->range&0xC0) + *state];
 171
 172     if(bit == ((*state)&1)){
 173         c->range -= RangeLPS;
 174         *state= ff_h264_mps_state[*state];
 175     }else{
 176         c->low += c->range - RangeLPS;
 177         c->range = RangeLPS;
 178         *state= ff_h264_lps_state[*state];
 179     }
 180
 181     renorm_cabac_encoder(c);
 182
 183 #ifdef STRICT_LIMITS
 184     c->symCount++;
 185 #endif
 186 }
 187
 188 /**
 189  * @param bit 0 -> write zero bit, !=0 write one bit
 190  */
 191 static void put_cabac_bypass(CABACContext *c, int bit){
 192     c->low += c->low;
 193
 194     if(bit){
 195         c->low += c->range;
 196     }
 197 //FIXME optimize
 198     if(c->low<0x200){
 199         put_cabac_bit(c, 0);
 200     }else if(c->low<0x400){
 201         c->outstanding_count++;
 202         c->low -= 0x200;
 203     }else{
 204         put_cabac_bit(c, 1);
 205         c->low -= 0x400;
 206     }
 207
 208 #ifdef STRICT_LIMITS
 209     c->symCount++;
 210 #endif
 211 }
 212
 213 /**
 214  *
 215  * @return the number of bytes written
 216  */
 217 static int put_cabac_terminate(CABACContext *c, int bit){
 218     c->range -= 2;
 219
 220     if(!bit){
 221         renorm_cabac_encoder(c);
 222     }else{
 223         c->low += c->range;
 224         c->range= 2;
 225
 226         renorm_cabac_encoder(c);
 227
 228         assert(c->low <= 0x1FF);
 229         put_cabac_bit(c, c->low>>9);
 230         put_bits(&c->pb, 2, ((c->low>>7)&3)|1);
 231
 232         flush_put_bits(&c->pb); //FIXME FIXME FIXME XXX wrong
 233     }
 234
 235 #ifdef STRICT_LIMITS
 236     c->symCount++;
 237 #endif
 238
 239     return (put_bits_count(&c->pb)+7)>>3;
 240 }
 241
 242 /**
 243  * put (truncated) unary binarization.
 244  */
 245 static void put_cabac_u(CABACContext *c, uint8_t * state, int v, int max, int max_index, int truncated){
 246     int i;
 247
 248     assert(v <= max);
 249
 250     for(i=0; i<v; i++){
 251         put_cabac(c, state, 1);
 252         if(i < max_index) state++;
 253     }
 254     if(truncated==0 || v<max)
 255         put_cabac(c, state, 0);
 256 }
 257
 258 /**
 259  * put unary exp golomb k-th order binarization.
 260  */
 261 static void put_cabac_ueg(CABACContext *c, uint8_t * state, int v, int max, int is_signed, int k, int max_index){
 262     int i;
 263
 264     if(v==0)
 265         put_cabac(c, state, 0);
 266     else{
 267         const int sign= v < 0;
 268
 269         if(is_signed) v= FFABS(v);
 270
 271         if(v<max){
 272             for(i=0; i<v; i++){
 273                 put_cabac(c, state, 1);
 274                 if(i < max_index) state++;
 275             }
 276
 277             put_cabac(c, state, 0);
 278         }else{
 279             int m= 1<<k;
 280
 281             for(i=0; i<max; i++){
 282                 put_cabac(c, state, 1);
 283                 if(i < max_index) state++;
 284             }
 285
 286             v -= max;
 287             while(v >= m){ //FIXME optimize
 288                 put_cabac_bypass(c, 1);
 289                 v-= m;
 290                 m+= m;
 291             }
 292             put_cabac_bypass(c, 0);
 293             while(m>>=1){
 294                 put_cabac_bypass(c, v&m);
 295             }
 296         }
 297
 298         if(is_signed)
 299             put_cabac_bypass(c, sign);
 300     }
 301 }
 302
 303 int main(void){
 304     CABACContext c;
 305     uint8_t b[9*SIZE];
 306     uint8_t r[9*SIZE];
 307     int i;
 308     uint8_t state[10]= {0};
 309     AVLFG prng;
 310
 311     av_lfg_init(&prng, 1);
 312     ff_init_cabac_encoder(&c, b, SIZE);
 313     ff_init_cabac_states(&c);
 314
 315     for(i=0; i<SIZE; i++){
 316         r[i] = av_lfg_get(&prng) % 7;
 317     }
 318
 319     for(i=0; i<SIZE; i++){
 320 START_TIMER
 321         put_cabac_bypass(&c, r[i]&1);
 322 STOP_TIMER("put_cabac_bypass")
 323     }
 324
 325     for(i=0; i<SIZE; i++){
 326 START_TIMER
 327         put_cabac(&c, state, r[i]&1);
 328 STOP_TIMER("put_cabac")
 329     }
 330
 331     for(i=0; i<SIZE; i++){
 332 START_TIMER
 333         put_cabac_u(&c, state, r[i], 6, 3, i&1);
 334 STOP_TIMER("put_cabac_u")
 335     }
 336
 337     for(i=0; i<SIZE; i++){
 338 START_TIMER
 339         put_cabac_ueg(&c, state, r[i], 3, 0, 1, 2);
 340 STOP_TIMER("put_cabac_ueg")
 341     }
 342
 343     put_cabac_terminate(&c, 1);
 344
 345     ff_init_cabac_decoder(&c, b, SIZE);
 346
 347     memset(state, 0, sizeof(state));
 348
 349     for(i=0; i<SIZE; i++){
 350 START_TIMER
 351         if( (r[i]&1) != get_cabac_bypass(&c) )
 352             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC bypass failure at %d\n", i);
 353 STOP_TIMER("get_cabac_bypass")
 354     }
 355
 356     for(i=0; i<SIZE; i++){
 357 START_TIMER
 358         if( (r[i]&1) != get_cabac(&c, state) )
 359             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC failure at %d\n", i);
 360 STOP_TIMER("get_cabac")
 361     }
 362 #if 0
 363     for(i=0; i<SIZE; i++){
 364 START_TIMER
 365         if( r[i] != get_cabac_u(&c, state, (i&1) ? 6 : 7, 3, i&1) )
 366             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC unary (truncated) binarization failure at %d\n", i);
 367 STOP_TIMER("get_cabac_u")
 368     }
 369
 370     for(i=0; i<SIZE; i++){
 371 START_TIMER
 372         if( r[i] != get_cabac_ueg(&c, state, 3, 0, 1, 2))
 373             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "CABAC unary (truncated) binarization failure at %d\n", i);
 374 STOP_TIMER("get_cabac_ueg")
 375     }
 376 #endif
 377     if(!get_cabac_terminate(&c))
 378         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "where's the Terminator?\n");
 379
 380     return 0;
 381 }
 382
 383 #endif /* TEST */