]> rtime.felk.cvut.cz Git - frescor/ffmpeg.git/blob - libavcodec/flacenc.c
flac-lpc patch by (Justin Ruggles jruggle earthlink net)
[frescor/ffmpeg.git] / libavcodec / flacenc.c
1 /**
2  * FLAC audio encoder
3  * Copyright (c) 2006  Justin Ruggles <jruggle@earthlink.net>
4  *
5  * This library is free software; you can redistribute it and/or
6  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
7  * License as published by the Free Software Foundation; either
8  * version 2 of the License, or (at your option) any later version.
9  *
10  * This library is distributed in the hope that it will be useful,
11  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
12  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
13  * Lesser General Public License for more details.
14  *
15  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
16  * License along with this library; if not, write to the Free Software
17  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
18  */
19
20 #include "avcodec.h"
21 #include "bitstream.h"
22 #include "crc.h"
23 #include "golomb.h"
24
25 #define FLAC_MAX_CH  8
26 #define FLAC_MIN_BLOCKSIZE  16
27 #define FLAC_MAX_BLOCKSIZE  65535
28
29 #define FLAC_SUBFRAME_CONSTANT  0
30 #define FLAC_SUBFRAME_VERBATIM  1
31 #define FLAC_SUBFRAME_FIXED     8
32 #define FLAC_SUBFRAME_LPC      32
33
34 #define FLAC_CHMODE_NOT_STEREO      0
35 #define FLAC_CHMODE_LEFT_RIGHT      1
36 #define FLAC_CHMODE_LEFT_SIDE       8
37 #define FLAC_CHMODE_RIGHT_SIDE      9
38 #define FLAC_CHMODE_MID_SIDE       10
39
40 #define ORDER_METHOD_EST     0
41 #define ORDER_METHOD_2LEVEL  1
42 #define ORDER_METHOD_4LEVEL  2
43 #define ORDER_METHOD_8LEVEL  3
44 #define ORDER_METHOD_SEARCH  4
45
46 #define FLAC_STREAMINFO_SIZE  34
47
48 #define MIN_LPC_ORDER       1
49 #define MAX_LPC_ORDER      32
50 #define MAX_FIXED_ORDER     4
51 #define MAX_PARTITION_ORDER 8
52 #define MAX_PARTITIONS     (1 << MAX_PARTITION_ORDER)
53 #define MAX_LPC_PRECISION  15
54 #define MAX_LPC_SHIFT      15
55 #define MAX_RICE_PARAM     14
56
57 typedef struct CompressionOptions {
58     int compression_level;
59     int block_time_ms;
60     int use_lpc;
61     int lpc_coeff_precision;
62     int min_prediction_order;
63     int max_prediction_order;
64     int prediction_order_method;
65     int min_partition_order;
66     int max_partition_order;
67 } CompressionOptions;
68
69 typedef struct RiceContext {
70     int porder;
71     int params[MAX_PARTITIONS];
72 } RiceContext;
73
74 typedef struct FlacSubframe {
75     int type;
76     int type_code;
77     int obits;
78     int order;
79     int32_t coefs[MAX_LPC_ORDER];
80     int shift;
81     RiceContext rc;
82     int32_t samples[FLAC_MAX_BLOCKSIZE];
83     int32_t residual[FLAC_MAX_BLOCKSIZE];
84 } FlacSubframe;
85
86 typedef struct FlacFrame {
87     FlacSubframe subframes[FLAC_MAX_CH];
88     int blocksize;
89     int bs_code[2];
90     uint8_t crc8;
91     int ch_mode;
92 } FlacFrame;
93
94 typedef struct FlacEncodeContext {
95     PutBitContext pb;
96     int channels;
97     int ch_code;
98     int samplerate;
99     int sr_code[2];
100     int blocksize;
101     int max_framesize;
102     uint32_t frame_count;
103     FlacFrame frame;
104     CompressionOptions options;
105     AVCodecContext *avctx;
106 } FlacEncodeContext;
107
108 static const int flac_samplerates[16] = {
109     0, 0, 0, 0,
110     8000, 16000, 22050, 24000, 32000, 44100, 48000, 96000,
111     0, 0, 0, 0
112 };
113
114 static const int flac_blocksizes[16] = {
115     0,
116     192,
117     576, 1152, 2304, 4608,
118     0, 0,
119     256, 512, 1024, 2048, 4096, 8192, 16384, 32768
120 };
121
122 /**
123  * Writes streaminfo metadata block to byte array
124  */
125 static void write_streaminfo(FlacEncodeContext *s, uint8_t *header)
126 {
127     PutBitContext pb;
128
129     memset(header, 0, FLAC_STREAMINFO_SIZE);
130     init_put_bits(&pb, header, FLAC_STREAMINFO_SIZE);
131
132     /* streaminfo metadata block */
133     put_bits(&pb, 16, s->blocksize);
134     put_bits(&pb, 16, s->blocksize);
135     put_bits(&pb, 24, 0);
136     put_bits(&pb, 24, s->max_framesize);
137     put_bits(&pb, 20, s->samplerate);
138     put_bits(&pb, 3, s->channels-1);
139     put_bits(&pb, 5, 15);       /* bits per sample - 1 */
140     flush_put_bits(&pb);
141     /* total samples = 0 */
142     /* MD5 signature = 0 */
143 }
144
145 /**
146  * Sets blocksize based on samplerate
147  * Chooses the closest predefined blocksize >= BLOCK_TIME_MS milliseconds
148  */
149 static int select_blocksize(int samplerate, int block_time_ms)
150 {
151     int i;
152     int target;
153     int blocksize;
154
155     assert(samplerate > 0);
156     blocksize = flac_blocksizes[1];
157     target = (samplerate * block_time_ms) / 1000;
158     for(i=0; i<16; i++) {
159         if(target >= flac_blocksizes[i] && flac_blocksizes[i] > blocksize) {
160             blocksize = flac_blocksizes[i];
161         }
162     }
163     return blocksize;
164 }
165
166 static int flac_encode_init(AVCodecContext *avctx)
167 {
168     int freq = avctx->sample_rate;
169     int channels = avctx->channels;
170     FlacEncodeContext *s = avctx->priv_data;
171     int i;
172     uint8_t *streaminfo;
173
174     s->avctx = avctx;
175
176     if(avctx->sample_fmt != SAMPLE_FMT_S16) {
177         return -1;
178     }
179
180     if(channels < 1 || channels > FLAC_MAX_CH) {
181         return -1;
182     }
183     s->channels = channels;
184     s->ch_code = s->channels-1;
185
186     /* find samplerate in table */
187     if(freq < 1)
188         return -1;
189     for(i=4; i<12; i++) {
190         if(freq == flac_samplerates[i]) {
191             s->samplerate = flac_samplerates[i];
192             s->sr_code[0] = i;
193             s->sr_code[1] = 0;
194             break;
195         }
196     }
197     /* if not in table, samplerate is non-standard */
198     if(i == 12) {
199         if(freq % 1000 == 0 && freq < 255000) {
200             s->sr_code[0] = 12;
201             s->sr_code[1] = freq / 1000;
202         } else if(freq % 10 == 0 && freq < 655350) {
203             s->sr_code[0] = 14;
204             s->sr_code[1] = freq / 10;
205         } else if(freq < 65535) {
206             s->sr_code[0] = 13;
207             s->sr_code[1] = freq;
208         } else {
209             return -1;
210         }
211         s->samplerate = freq;
212     }
213
214     /* set compression option defaults based on avctx->compression_level */
215     if(avctx->compression_level < 0) {
216         s->options.compression_level = 5;
217     } else {
218         s->options.compression_level = avctx->compression_level;
219     }
220     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " compression: %d\n", s->options.compression_level);
221
222     if(s->options.compression_level == 0) {
223         s->options.block_time_ms = 27;
224         s->options.use_lpc = 0;
225         s->options.min_prediction_order = 2;
226         s->options.max_prediction_order = 3;
227         s->options.prediction_order_method = ORDER_METHOD_EST;
228         s->options.min_partition_order = 2;
229         s->options.max_partition_order = 2;
230     } else if(s->options.compression_level == 1) {
231         s->options.block_time_ms = 27;
232         s->options.use_lpc = 0;
233         s->options.min_prediction_order = 0;
234         s->options.max_prediction_order = 4;
235         s->options.prediction_order_method = ORDER_METHOD_EST;
236         s->options.min_partition_order = 2;
237         s->options.max_partition_order = 2;
238     } else if(s->options.compression_level == 2) {
239         s->options.block_time_ms = 27;
240         s->options.use_lpc = 0;
241         s->options.min_prediction_order = 0;
242         s->options.max_prediction_order = 4;
243         s->options.prediction_order_method = ORDER_METHOD_EST;
244         s->options.min_partition_order = 0;
245         s->options.max_partition_order = 3;
246     } else if(s->options.compression_level == 3) {
247         s->options.block_time_ms = 105;
248         s->options.use_lpc = 1;
249         s->options.min_prediction_order = 1;
250         s->options.max_prediction_order = 6;
251         s->options.prediction_order_method = ORDER_METHOD_EST;
252         s->options.min_partition_order = 0;
253         s->options.max_partition_order = 3;
254     } else if(s->options.compression_level == 4) {
255         s->options.block_time_ms = 105;
256         s->options.use_lpc = 1;
257         s->options.min_prediction_order = 1;
258         s->options.max_prediction_order = 8;
259         s->options.prediction_order_method = ORDER_METHOD_EST;
260         s->options.min_partition_order = 0;
261         s->options.max_partition_order = 3;
262     } else if(s->options.compression_level == 5) {
263         s->options.block_time_ms = 105;
264         s->options.use_lpc = 1;
265         s->options.min_prediction_order = 1;
266         s->options.max_prediction_order = 8;
267         s->options.prediction_order_method = ORDER_METHOD_EST;
268         s->options.min_partition_order = 0;
269         s->options.max_partition_order = 8;
270     } else {
271         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid compression level: %d\n",
272                s->options.compression_level);
273         return -1;
274     }
275
276     /* set compression option overrides from AVCodecContext */
277     if(avctx->use_lpc >= 0) {
278         s->options.use_lpc = !!avctx->use_lpc;
279     }
280     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " use lpc: %s\n",
281            s->options.use_lpc? "yes" : "no");
282
283     if(avctx->min_prediction_order >= 0) {
284         if(s->options.use_lpc) {
285             if(avctx->min_prediction_order < MIN_LPC_ORDER ||
286                     avctx->min_prediction_order > MAX_LPC_ORDER) {
287                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid min prediction order: %d\n",
288                        avctx->min_prediction_order);
289                 return -1;
290             }
291         } else {
292             if(avctx->min_prediction_order > MAX_FIXED_ORDER) {
293                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid min prediction order: %d\n",
294                        avctx->min_prediction_order);
295                 return -1;
296             }
297         }
298         s->options.min_prediction_order = avctx->min_prediction_order;
299     }
300     if(avctx->max_prediction_order >= 0) {
301         if(s->options.use_lpc) {
302             if(avctx->max_prediction_order < MIN_LPC_ORDER ||
303                     avctx->max_prediction_order > MAX_LPC_ORDER) {
304                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid max prediction order: %d\n",
305                        avctx->max_prediction_order);
306                 return -1;
307             }
308         } else {
309             if(avctx->max_prediction_order > MAX_FIXED_ORDER) {
310                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid max prediction order: %d\n",
311                        avctx->max_prediction_order);
312                 return -1;
313             }
314         }
315         s->options.max_prediction_order = avctx->max_prediction_order;
316     }
317     if(s->options.max_prediction_order < s->options.min_prediction_order) {
318         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid prediction orders: min=%d max=%d\n",
319                s->options.min_prediction_order, s->options.max_prediction_order);
320         return -1;
321     }
322     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " prediction order: %d, %d\n",
323            s->options.min_prediction_order, s->options.max_prediction_order);
324
325     if(avctx->prediction_order_method >= 0) {
326         if(avctx->prediction_order_method > ORDER_METHOD_SEARCH) {
327             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid prediction order method: %d\n",
328                    avctx->prediction_order_method);
329             return -1;
330         }
331         s->options.prediction_order_method = avctx->prediction_order_method;
332     }
333     switch(avctx->prediction_order_method) {
334         case ORDER_METHOD_EST:    av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
335                                          "estimate"); break;
336         case ORDER_METHOD_2LEVEL: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
337                                          "2-level"); break;
338         case ORDER_METHOD_4LEVEL: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
339                                          "4-level"); break;
340         case ORDER_METHOD_8LEVEL: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
341                                          "8-level"); break;
342         case ORDER_METHOD_SEARCH: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
343                                          "full search"); break;
344     }
345
346     if(avctx->min_partition_order >= 0) {
347         if(avctx->min_partition_order > MAX_PARTITION_ORDER) {
348             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid min partition order: %d\n",
349                    avctx->min_partition_order);
350             return -1;
351         }
352         s->options.min_partition_order = avctx->min_partition_order;
353     }
354     if(avctx->max_partition_order >= 0) {
355         if(avctx->max_partition_order > MAX_PARTITION_ORDER) {
356             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid max partition order: %d\n",
357                    avctx->max_partition_order);
358             return -1;
359         }
360         s->options.max_partition_order = avctx->max_partition_order;
361     }
362     if(s->options.max_partition_order < s->options.min_partition_order) {
363         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid partition orders: min=%d max=%d\n",
364                s->options.min_partition_order, s->options.max_partition_order);
365         return -1;
366     }
367     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " partition order: %d, %d\n",
368            s->options.min_partition_order, s->options.max_partition_order);
369
370     if(avctx->frame_size > 0) {
371         if(avctx->frame_size < FLAC_MIN_BLOCKSIZE ||
372                 avctx->frame_size > FLAC_MIN_BLOCKSIZE) {
373             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid block size: %d\n",
374                    avctx->frame_size);
375             return -1;
376         }
377         s->blocksize = avctx->frame_size;
378     } else {
379         s->blocksize = select_blocksize(s->samplerate, s->options.block_time_ms);
380         avctx->frame_size = s->blocksize;
381     }
382     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " block size: %d\n", s->blocksize);
383
384     /* set LPC precision */
385     if(avctx->lpc_coeff_precision > 0) {
386         if(avctx->lpc_coeff_precision > MAX_LPC_PRECISION) {
387             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid lpc coeff precision: %d\n",
388                    avctx->lpc_coeff_precision);
389             return -1;
390         }
391         s->options.lpc_coeff_precision = avctx->lpc_coeff_precision;
392     } else {
393         /* select LPC precision based on block size */
394         if(     s->blocksize <=   192) s->options.lpc_coeff_precision =  7;
395         else if(s->blocksize <=   384) s->options.lpc_coeff_precision =  8;
396         else if(s->blocksize <=   576) s->options.lpc_coeff_precision =  9;
397         else if(s->blocksize <=  1152) s->options.lpc_coeff_precision = 10;
398         else if(s->blocksize <=  2304) s->options.lpc_coeff_precision = 11;
399         else if(s->blocksize <=  4608) s->options.lpc_coeff_precision = 12;
400         else if(s->blocksize <=  8192) s->options.lpc_coeff_precision = 13;
401         else if(s->blocksize <= 16384) s->options.lpc_coeff_precision = 14;
402         else                           s->options.lpc_coeff_precision = 15;
403     }
404     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " lpc precision: %d\n",
405            s->options.lpc_coeff_precision);
406
407     /* set maximum encoded frame size in verbatim mode */
408     if(s->channels == 2) {
409         s->max_framesize = 14 + ((s->blocksize * 33 + 7) >> 3);
410     } else {
411         s->max_framesize = 14 + (s->blocksize * s->channels * 2);
412     }
413
414     streaminfo = av_malloc(FLAC_STREAMINFO_SIZE);
415     write_streaminfo(s, streaminfo);
416     avctx->extradata = streaminfo;
417     avctx->extradata_size = FLAC_STREAMINFO_SIZE;
418
419     s->frame_count = 0;
420
421     avctx->coded_frame = avcodec_alloc_frame();
422     avctx->coded_frame->key_frame = 1;
423
424     return 0;
425 }
426
427 static void init_frame(FlacEncodeContext *s)
428 {
429     int i, ch;
430     FlacFrame *frame;
431
432     frame = &s->frame;
433
434     for(i=0; i<16; i++) {
435         if(s->blocksize == flac_blocksizes[i]) {
436             frame->blocksize = flac_blocksizes[i];
437             frame->bs_code[0] = i;
438             frame->bs_code[1] = 0;
439             break;
440         }
441     }
442     if(i == 16) {
443         frame->blocksize = s->blocksize;
444         if(frame->blocksize <= 256) {
445             frame->bs_code[0] = 6;
446             frame->bs_code[1] = frame->blocksize-1;
447         } else {
448             frame->bs_code[0] = 7;
449             frame->bs_code[1] = frame->blocksize-1;
450         }
451     }
452
453     for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
454         frame->subframes[ch].obits = 16;
455     }
456 }
457
458 /**
459  * Copy channel-interleaved input samples into separate subframes
460  */
461 static void copy_samples(FlacEncodeContext *s, int16_t *samples)
462 {
463     int i, j, ch;
464     FlacFrame *frame;
465
466     frame = &s->frame;
467     for(i=0,j=0; i<frame->blocksize; i++) {
468         for(ch=0; ch<s->channels; ch++,j++) {
469             frame->subframes[ch].samples[i] = samples[j];
470         }
471     }
472 }
473
474
475 #define rice_encode_count(sum, n, k) (((n)*((k)+1))+((sum-(n>>1))>>(k)))
476
477 static int find_optimal_param(uint32_t sum, int n)
478 {
479     int k, k_opt;
480     uint32_t nbits[MAX_RICE_PARAM+1];
481
482     k_opt = 0;
483     nbits[0] = UINT32_MAX;
484     for(k=0; k<=MAX_RICE_PARAM; k++) {
485         nbits[k] = rice_encode_count(sum, n, k);
486         if(nbits[k] < nbits[k_opt]) {
487             k_opt = k;
488         }
489     }
490     return k_opt;
491 }
492
493 static uint32_t calc_optimal_rice_params(RiceContext *rc, int porder,
494                                          uint32_t *sums, int n, int pred_order)
495 {
496     int i;
497     int k, cnt, part;
498     uint32_t all_bits;
499
500     part = (1 << porder);
501     all_bits = 0;
502
503     cnt = (n >> porder) - pred_order;
504     for(i=0; i<part; i++) {
505         if(i == 1) cnt = (n >> porder);
506         k = find_optimal_param(sums[i], cnt);
507         rc->params[i] = k;
508         all_bits += rice_encode_count(sums[i], cnt, k);
509     }
510     all_bits += (4 * part);
511
512     rc->porder = porder;
513
514     return all_bits;
515 }
516
517 static void calc_sums(int pmin, int pmax, uint32_t *data, int n, int pred_order,
518                       uint32_t sums[][MAX_PARTITIONS])
519 {
520     int i, j;
521     int parts;
522     uint32_t *res, *res_end;
523
524     /* sums for highest level */
525     parts = (1 << pmax);
526     res = &data[pred_order];
527     res_end = &data[n >> pmax];
528     for(i=0; i<parts; i++) {
529         sums[pmax][i] = 0;
530         while(res < res_end){
531             sums[pmax][i] += *(res++);
532         }
533         res_end+= n >> pmax;
534     }
535     /* sums for lower levels */
536     for(i=pmax-1; i>=pmin; i--) {
537         parts = (1 << i);
538         for(j=0; j<parts; j++) {
539             sums[i][j] = sums[i+1][2*j] + sums[i+1][2*j+1];
540         }
541     }
542 }
543
544 static uint32_t calc_rice_params(RiceContext *rc, int pmin, int pmax,
545                                  int32_t *data, int n, int pred_order)
546 {
547     int i;
548     uint32_t bits[MAX_PARTITION_ORDER+1];
549     int opt_porder;
550     RiceContext tmp_rc;
551     uint32_t *udata;
552     uint32_t sums[MAX_PARTITION_ORDER+1][MAX_PARTITIONS];
553
554     assert(pmin >= 0 && pmin <= MAX_PARTITION_ORDER);
555     assert(pmax >= 0 && pmax <= MAX_PARTITION_ORDER);
556     assert(pmin <= pmax);
557
558     udata = av_malloc(n * sizeof(uint32_t));
559     for(i=0; i<n; i++) {
560         udata[i] = (2*data[i]) ^ (data[i]>>31);
561     }
562
563     calc_sums(pmin, pmax, udata, n, pred_order, sums);
564
565     opt_porder = pmin;
566     bits[pmin] = UINT32_MAX;
567     for(i=pmin; i<=pmax; i++) {
568         bits[i] = calc_optimal_rice_params(&tmp_rc, i, sums[i], n, pred_order);
569         if(bits[i] <= bits[opt_porder]) {
570             opt_porder = i;
571             memcpy(rc, &tmp_rc, sizeof(RiceContext));
572         }
573     }
574
575     av_freep(&udata);
576     return bits[opt_porder];
577 }
578
579 static uint32_t calc_rice_params_fixed(RiceContext *rc, int pmin, int pmax,
580                                        int32_t *data, int n, int pred_order,
581                                        int bps)
582 {
583     uint32_t bits;
584     bits = pred_order*bps + 6;
585     bits += calc_rice_params(rc, pmin, pmax, data, n, pred_order);
586     return bits;
587 }
588
589 static uint32_t calc_rice_params_lpc(RiceContext *rc, int pmin, int pmax,
590                                      int32_t *data, int n, int pred_order,
591                                      int bps, int precision)
592 {
593     uint32_t bits;
594     bits = pred_order*bps + 4 + 5 + pred_order*precision + 6;
595     bits += calc_rice_params(rc, pmin, pmax, data, n, pred_order);
596     return bits;
597 }
598
599 /**
600  * Apply Welch window function to audio block
601  */
602 static void apply_welch_window(const int32_t *data, int len, double *w_data)
603 {
604     int i, n2;
605     double w;
606     double c;
607
608     n2 = (len >> 1);
609     c = 2.0 / (len - 1.0);
610     for(i=0; i<n2; i++) {
611         w = c - i - 1.0;
612         w = 1.0 - (w * w);
613         w_data[i] = data[i] * w;
614         w_data[len-1-i] = data[len-1-i] * w;
615     }
616 }
617
618 /**
619  * Calculates autocorrelation data from audio samples
620  * A Welch window function is applied before calculation.
621  */
622 static void compute_autocorr(const int32_t *data, int len, int lag,
623                              double *autoc)
624 {
625     int i;
626     double *data1;
627     int lag_ptr, ptr;
628
629     data1 = av_malloc(len * sizeof(double));
630     apply_welch_window(data, len, data1);
631
632     for(i=0; i<lag; i++) autoc[i] = 1.0;
633
634     ptr = 0;
635     while(ptr <= lag) {
636         lag_ptr = 0;
637         while(lag_ptr <= ptr) {
638             autoc[ptr-lag_ptr] += data1[ptr] * data1[lag_ptr];
639             lag_ptr++;
640         }
641         ptr++;
642     }
643     while(ptr < len) {
644         lag_ptr = ptr - lag;
645         while(lag_ptr <= ptr) {
646             autoc[ptr-lag_ptr] += data1[ptr] * data1[lag_ptr];
647             lag_ptr++;
648         }
649         ptr++;
650     }
651
652     av_freep(&data1);
653 }
654
655 /**
656  * Levinson-Durbin recursion.
657  * Produces LPC coefficients from autocorrelation data.
658  */
659 static void compute_lpc_coefs(const double *autoc, int max_order,
660                               double lpc[][MAX_LPC_ORDER], double *ref)
661 {
662    int i, j, i2;
663    double r, err, tmp;
664    double lpc_tmp[MAX_LPC_ORDER];
665
666    for(i=0; i<max_order; i++) lpc_tmp[i] = 0;
667    err = autoc[0];
668
669    for(i=0; i<max_order; i++) {
670       r = -autoc[i+1];
671       for(j=0; j<i; j++) {
672           r -= lpc_tmp[j] * autoc[i-j];
673       }
674       r /= err;
675       ref[i] = fabs(r);
676
677       err *= 1.0 - (r * r);
678
679       i2 = (i >> 1);
680       lpc_tmp[i] = r;
681       for(j=0; j<i2; j++) {
682          tmp = lpc_tmp[j];
683          lpc_tmp[j] += r * lpc_tmp[i-1-j];
684          lpc_tmp[i-1-j] += r * tmp;
685       }
686       if(i & 1) {
687           lpc_tmp[j] += lpc_tmp[j] * r;
688       }
689
690       for(j=0; j<=i; j++) {
691           lpc[i][j] = -lpc_tmp[j];
692       }
693    }
694 }
695
696 /**
697  * Quantize LPC coefficients
698  */
699 static void quantize_lpc_coefs(double *lpc_in, int order, int precision,
700                                int32_t *lpc_out, int *shift)
701 {
702     int i;
703     double d, cmax;
704     int32_t qmax;
705     int sh;
706
707     /* define maximum levels */
708     qmax = (1 << (precision - 1)) - 1;
709
710     /* find maximum coefficient value */
711     cmax = 0.0;
712     for(i=0; i<order; i++) {
713         d = lpc_in[i];
714         if(d < 0) d = -d;
715         if(d > cmax)
716             cmax = d;
717     }
718
719     /* if maximum value quantizes to zero, return all zeros */
720     if(cmax * (1 << MAX_LPC_SHIFT) < 1.0) {
721         *shift = 0;
722         for(i=0; i<order; i++) {
723             lpc_out[i] = 0;
724         }
725         return;
726     }
727
728     /* calculate level shift which scales max coeff to available bits */
729     sh = MAX_LPC_SHIFT;
730     while((cmax * (1 << sh) > qmax) && (sh > 0)) {
731         sh--;
732     }
733
734     /* since negative shift values are unsupported in decoder, scale down
735        coefficients instead */
736     if(sh == 0 && cmax > qmax) {
737         double scale = ((double)qmax) / cmax;
738         for(i=0; i<order; i++) {
739             lpc_in[i] *= scale;
740         }
741     }
742
743     /* output quantized coefficients and level shift */
744     for(i=0; i<order; i++) {
745         lpc_out[i] = (int32_t)(lpc_in[i] * (1 << sh));
746     }
747     *shift = sh;
748 }
749
750 static int estimate_best_order(double *ref, int max_order)
751 {
752     int i, est;
753
754     est = 1;
755     for(i=max_order-1; i>=0; i--) {
756         if(ref[i] > 0.10) {
757             est = i+1;
758             break;
759         }
760     }
761     return est;
762 }
763
764 /**
765  * Calculate LPC coefficients for multiple orders
766  */
767 static int lpc_calc_coefs(const int32_t *samples, int blocksize, int max_order,
768                           int precision, int32_t coefs[][MAX_LPC_ORDER],
769                           int *shift)
770 {
771     double autoc[MAX_LPC_ORDER+1];
772     double ref[MAX_LPC_ORDER];
773     double lpc[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
774     int i;
775     int opt_order;
776
777     assert(max_order >= MIN_LPC_ORDER && max_order <= MAX_LPC_ORDER);
778
779     compute_autocorr(samples, blocksize, max_order+1, autoc);
780
781     compute_lpc_coefs(autoc, max_order, lpc, ref);
782
783     opt_order = estimate_best_order(ref, max_order);
784
785     i = opt_order-1;
786     quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i]);
787
788     return opt_order;
789 }
790
791
792 static void encode_residual_verbatim(int32_t *res, int32_t *smp, int n)
793 {
794     assert(n > 0);
795     memcpy(res, smp, n * sizeof(int32_t));
796 }
797
798 static void encode_residual_fixed(int32_t *res, const int32_t *smp, int n,
799                                   int order)
800 {
801     int i;
802
803     for(i=0; i<order; i++) {
804         res[i] = smp[i];
805     }
806
807     if(order==0){
808         for(i=order; i<n; i++)
809             res[i]= smp[i];
810     }else if(order==1){
811         for(i=order; i<n; i++)
812             res[i]= smp[i] - smp[i-1];
813     }else if(order==2){
814         for(i=order; i<n; i++)
815             res[i]= smp[i] - 2*smp[i-1] + smp[i-2];
816     }else if(order==3){
817         for(i=order; i<n; i++)
818             res[i]= smp[i] - 3*smp[i-1] + 3*smp[i-2] - smp[i-3];
819     }else{
820         for(i=order; i<n; i++)
821             res[i]= smp[i] - 4*smp[i-1] + 6*smp[i-2] - 4*smp[i-3] + smp[i-4];
822     }
823 }
824
825 static void encode_residual_lpc(int32_t *res, const int32_t *smp, int n,
826                                 int order, const int32_t *coefs, int shift)
827 {
828     int i, j;
829     int32_t pred;
830
831     for(i=0; i<order; i++) {
832         res[i] = smp[i];
833     }
834     for(i=order; i<n; i++) {
835         pred = 0;
836         for(j=0; j<order; j++) {
837             pred += coefs[j] * smp[i-j-1];
838         }
839         res[i] = smp[i] - (pred >> shift);
840     }
841 }
842
843 static int get_max_p_order(int max_porder, int n, int order)
844 {
845     int porder, max_parts;
846
847     porder = max_porder;
848     while(porder > 0) {
849         max_parts = (1 << porder);
850         if(!(n % max_parts) && (n > max_parts*order)) {
851             break;
852         }
853         porder--;
854     }
855     return porder;
856 }
857
858 static int encode_residual(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
859 {
860     int i, n;
861     int min_order, max_order, opt_order, precision;
862     int porder, min_porder, max_porder;
863     FlacFrame *frame;
864     FlacSubframe *sub;
865     int32_t coefs[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
866     int shift[MAX_LPC_ORDER];
867     int32_t *res, *smp;
868
869     frame = &ctx->frame;
870     sub = &frame->subframes[ch];
871     res = sub->residual;
872     smp = sub->samples;
873     n = frame->blocksize;
874
875     /* CONSTANT */
876     for(i=1; i<n; i++) {
877         if(smp[i] != smp[0]) break;
878     }
879     if(i == n) {
880         sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_CONSTANT;
881         res[0] = smp[0];
882         return sub->obits;
883     }
884
885     /* VERBATIM */
886     if(n < 5) {
887         sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_VERBATIM;
888         encode_residual_verbatim(res, smp, n);
889         return sub->obits * n;
890     }
891
892     min_order = ctx->options.min_prediction_order;
893     max_order = ctx->options.max_prediction_order;
894     min_porder = ctx->options.min_partition_order;
895     max_porder = ctx->options.max_partition_order;
896     precision = ctx->options.lpc_coeff_precision;
897
898     /* FIXED */
899     if(!ctx->options.use_lpc || max_order == 0 || (n <= max_order)) {
900         uint32_t bits[MAX_FIXED_ORDER+1];
901         if(max_order > MAX_FIXED_ORDER) max_order = MAX_FIXED_ORDER;
902         opt_order = 0;
903         bits[0] = UINT32_MAX;
904         for(i=min_order; i<=max_order; i++) {
905             encode_residual_fixed(res, smp, n, i);
906             porder = get_max_p_order(max_porder, n, i);
907             bits[i] = calc_rice_params_fixed(&sub->rc, min_porder, porder, res,
908                                              n, i, sub->obits);
909             if(bits[i] < bits[opt_order]) {
910                 opt_order = i;
911             }
912         }
913         sub->order = opt_order;
914         sub->type = FLAC_SUBFRAME_FIXED;
915         sub->type_code = sub->type | sub->order;
916         if(sub->order != max_order) {
917             encode_residual_fixed(res, smp, n, sub->order);
918             porder = get_max_p_order(max_porder, n, sub->order);
919             return calc_rice_params_fixed(&sub->rc, min_porder, porder, res, n,
920                                           sub->order, sub->obits);
921         }
922         return bits[sub->order];
923     }
924
925     /* LPC */
926     sub->order = lpc_calc_coefs(smp, n, max_order, precision, coefs, shift);
927     sub->type = FLAC_SUBFRAME_LPC;
928     sub->type_code = sub->type | (sub->order-1);
929     sub->shift = shift[sub->order-1];
930     for(i=0; i<sub->order; i++) {
931         sub->coefs[i] = coefs[sub->order-1][i];
932     }
933     porder = get_max_p_order(max_porder, n, sub->order);
934     encode_residual_lpc(res, smp, n, sub->order, sub->coefs, sub->shift);
935     return calc_rice_params_lpc(&sub->rc, 0, porder, res, n, sub->order,
936                                 sub->obits, precision);
937 }
938
939 static int encode_residual_v(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
940 {
941     int i, n;
942     FlacFrame *frame;
943     FlacSubframe *sub;
944     int32_t *res, *smp;
945
946     frame = &ctx->frame;
947     sub = &frame->subframes[ch];
948     res = sub->residual;
949     smp = sub->samples;
950     n = frame->blocksize;
951
952     /* CONSTANT */
953     for(i=1; i<n; i++) {
954         if(smp[i] != smp[0]) break;
955     }
956     if(i == n) {
957         sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_CONSTANT;
958         res[0] = smp[0];
959         return sub->obits;
960     }
961
962     /* VERBATIM */
963     sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_VERBATIM;
964     encode_residual_verbatim(res, smp, n);
965     return sub->obits * n;
966 }
967
968 static int estimate_stereo_mode(int32_t *left_ch, int32_t *right_ch, int n)
969 {
970     int i, best;
971     int32_t lt, rt;
972     uint64_t sum[4];
973     uint64_t score[4];
974     int k;
975
976     /* calculate sum of 2nd order residual for each channel */
977     sum[0] = sum[1] = sum[2] = sum[3] = 0;
978     for(i=2; i<n; i++) {
979         lt = left_ch[i] - 2*left_ch[i-1] + left_ch[i-2];
980         rt = right_ch[i] - 2*right_ch[i-1] + right_ch[i-2];
981         sum[2] += ABS((lt + rt) >> 1);
982         sum[3] += ABS(lt - rt);
983         sum[0] += ABS(lt);
984         sum[1] += ABS(rt);
985     }
986     /* estimate bit counts */
987     for(i=0; i<4; i++) {
988         k = find_optimal_param(2*sum[i], n);
989         sum[i] = rice_encode_count(2*sum[i], n, k);
990     }
991
992     /* calculate score for each mode */
993     score[0] = sum[0] + sum[1];
994     score[1] = sum[0] + sum[3];
995     score[2] = sum[1] + sum[3];
996     score[3] = sum[2] + sum[3];
997
998     /* return mode with lowest score */
999     best = 0;
1000     for(i=1; i<4; i++) {
1001         if(score[i] < score[best]) {
1002             best = i;
1003         }
1004     }
1005     if(best == 0) {
1006         return FLAC_CHMODE_LEFT_RIGHT;
1007     } else if(best == 1) {
1008         return FLAC_CHMODE_LEFT_SIDE;
1009     } else if(best == 2) {
1010         return FLAC_CHMODE_RIGHT_SIDE;
1011     } else {
1012         return FLAC_CHMODE_MID_SIDE;
1013     }
1014 }
1015
1016 /**
1017  * Perform stereo channel decorrelation
1018  */
1019 static void channel_decorrelation(FlacEncodeContext *ctx)
1020 {
1021     FlacFrame *frame;
1022     int32_t *left, *right;
1023     int i, n;
1024
1025     frame = &ctx->frame;
1026     n = frame->blocksize;
1027     left  = frame->subframes[0].samples;
1028     right = frame->subframes[1].samples;
1029
1030     if(ctx->channels != 2) {
1031         frame->ch_mode = FLAC_CHMODE_NOT_STEREO;
1032         return;
1033     }
1034
1035     frame->ch_mode = estimate_stereo_mode(left, right, n);
1036
1037     /* perform decorrelation and adjust bits-per-sample */
1038     if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_LEFT_RIGHT) {
1039         return;
1040     }
1041     if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_MID_SIDE) {
1042         int32_t tmp;
1043         for(i=0; i<n; i++) {
1044             tmp = left[i];
1045             left[i] = (tmp + right[i]) >> 1;
1046             right[i] = tmp - right[i];
1047         }
1048         frame->subframes[1].obits++;
1049     } else if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_LEFT_SIDE) {
1050         for(i=0; i<n; i++) {
1051             right[i] = left[i] - right[i];
1052         }
1053         frame->subframes[1].obits++;
1054     } else {
1055         for(i=0; i<n; i++) {
1056             left[i] -= right[i];
1057         }
1058         frame->subframes[0].obits++;
1059     }
1060 }
1061
1062 static void put_sbits(PutBitContext *pb, int bits, int32_t val)
1063 {
1064     assert(bits >= 0 && bits <= 31);
1065
1066     put_bits(pb, bits, val & ((1<<bits)-1));
1067 }
1068
1069 static void write_utf8(PutBitContext *pb, uint32_t val)
1070 {
1071     int bytes, shift;
1072
1073     if(val < 0x80){
1074         put_bits(pb, 8, val);
1075         return;
1076     }
1077
1078     bytes= (av_log2(val)+4) / 5;
1079     shift = (bytes - 1) * 6;
1080     put_bits(pb, 8, (256 - (256>>bytes)) | (val >> shift));
1081     while(shift >= 6){
1082         shift -= 6;
1083         put_bits(pb, 8, 0x80 | ((val >> shift) & 0x3F));
1084     }
1085 }
1086
1087 static void output_frame_header(FlacEncodeContext *s)
1088 {
1089     FlacFrame *frame;
1090     int crc;
1091
1092     frame = &s->frame;
1093
1094     put_bits(&s->pb, 16, 0xFFF8);
1095     put_bits(&s->pb, 4, frame->bs_code[0]);
1096     put_bits(&s->pb, 4, s->sr_code[0]);
1097     if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_NOT_STEREO) {
1098         put_bits(&s->pb, 4, s->ch_code);
1099     } else {
1100         put_bits(&s->pb, 4, frame->ch_mode);
1101     }
1102     put_bits(&s->pb, 3, 4); /* bits-per-sample code */
1103     put_bits(&s->pb, 1, 0);
1104     write_utf8(&s->pb, s->frame_count);
1105     if(frame->bs_code[0] == 6) {
1106         put_bits(&s->pb, 8, frame->bs_code[1]);
1107     } else if(frame->bs_code[0] == 7) {
1108         put_bits(&s->pb, 16, frame->bs_code[1]);
1109     }
1110     if(s->sr_code[0] == 12) {
1111         put_bits(&s->pb, 8, s->sr_code[1]);
1112     } else if(s->sr_code[0] > 12) {
1113         put_bits(&s->pb, 16, s->sr_code[1]);
1114     }
1115     flush_put_bits(&s->pb);
1116     crc = av_crc(av_crc07, 0, s->pb.buf, put_bits_count(&s->pb)>>3);
1117     put_bits(&s->pb, 8, crc);
1118 }
1119
1120 static void output_subframe_constant(FlacEncodeContext *s, int ch)
1121 {
1122     FlacSubframe *sub;
1123     int32_t res;
1124
1125     sub = &s->frame.subframes[ch];
1126     res = sub->residual[0];
1127     put_sbits(&s->pb, sub->obits, res);
1128 }
1129
1130 static void output_subframe_verbatim(FlacEncodeContext *s, int ch)
1131 {
1132     int i;
1133     FlacFrame *frame;
1134     FlacSubframe *sub;
1135     int32_t res;
1136
1137     frame = &s->frame;
1138     sub = &frame->subframes[ch];
1139
1140     for(i=0; i<frame->blocksize; i++) {
1141         res = sub->residual[i];
1142         put_sbits(&s->pb, sub->obits, res);
1143     }
1144 }
1145
1146 static void output_residual(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
1147 {
1148     int i, j, p, n, parts;
1149     int k, porder, psize, res_cnt;
1150     FlacFrame *frame;
1151     FlacSubframe *sub;
1152     int32_t *res;
1153
1154     frame = &ctx->frame;
1155     sub = &frame->subframes[ch];
1156     res = sub->residual;
1157     n = frame->blocksize;
1158
1159     /* rice-encoded block */
1160     put_bits(&ctx->pb, 2, 0);
1161
1162     /* partition order */
1163     porder = sub->rc.porder;
1164     psize = n >> porder;
1165     parts = (1 << porder);
1166     put_bits(&ctx->pb, 4, porder);
1167     res_cnt = psize - sub->order;
1168
1169     /* residual */
1170     j = sub->order;
1171     for(p=0; p<parts; p++) {
1172         k = sub->rc.params[p];
1173         put_bits(&ctx->pb, 4, k);
1174         if(p == 1) res_cnt = psize;
1175         for(i=0; i<res_cnt && j<n; i++, j++) {
1176             set_sr_golomb_flac(&ctx->pb, res[j], k, INT32_MAX, 0);
1177         }
1178     }
1179 }
1180
1181 static void output_subframe_fixed(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
1182 {
1183     int i;
1184     FlacFrame *frame;
1185     FlacSubframe *sub;
1186
1187     frame = &ctx->frame;
1188     sub = &frame->subframes[ch];
1189
1190     /* warm-up samples */
1191     for(i=0; i<sub->order; i++) {
1192         put_sbits(&ctx->pb, sub->obits, sub->residual[i]);
1193     }
1194
1195     /* residual */
1196     output_residual(ctx, ch);
1197 }
1198
1199 static void output_subframe_lpc(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
1200 {
1201     int i, cbits;
1202     FlacFrame *frame;
1203     FlacSubframe *sub;
1204
1205     frame = &ctx->frame;
1206     sub = &frame->subframes[ch];
1207
1208     /* warm-up samples */
1209     for(i=0; i<sub->order; i++) {
1210         put_sbits(&ctx->pb, sub->obits, sub->residual[i]);
1211     }
1212
1213     /* LPC coefficients */
1214     cbits = ctx->options.lpc_coeff_precision;
1215     put_bits(&ctx->pb, 4, cbits-1);
1216     put_sbits(&ctx->pb, 5, sub->shift);
1217     for(i=0; i<sub->order; i++) {
1218         put_sbits(&ctx->pb, cbits, sub->coefs[i]);
1219     }
1220
1221     /* residual */
1222     output_residual(ctx, ch);
1223 }
1224
1225 static void output_subframes(FlacEncodeContext *s)
1226 {
1227     FlacFrame *frame;
1228     FlacSubframe *sub;
1229     int ch;
1230
1231     frame = &s->frame;
1232
1233     for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
1234         sub = &frame->subframes[ch];
1235
1236         /* subframe header */
1237         put_bits(&s->pb, 1, 0);
1238         put_bits(&s->pb, 6, sub->type_code);
1239         put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no wasted bits */
1240
1241         /* subframe */
1242         if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_CONSTANT) {
1243             output_subframe_constant(s, ch);
1244         } else if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_VERBATIM) {
1245             output_subframe_verbatim(s, ch);
1246         } else if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_FIXED) {
1247             output_subframe_fixed(s, ch);
1248         } else if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_LPC) {
1249             output_subframe_lpc(s, ch);
1250         }
1251     }
1252 }
1253
1254 static void output_frame_footer(FlacEncodeContext *s)
1255 {
1256     int crc;
1257     flush_put_bits(&s->pb);
1258     crc = bswap_16(av_crc(av_crc8005, 0, s->pb.buf, put_bits_count(&s->pb)>>3));
1259     put_bits(&s->pb, 16, crc);
1260     flush_put_bits(&s->pb);
1261 }
1262
1263 static int flac_encode_frame(AVCodecContext *avctx, uint8_t *frame,
1264                              int buf_size, void *data)
1265 {
1266     int ch;
1267     FlacEncodeContext *s;
1268     int16_t *samples = data;
1269     int out_bytes;
1270
1271     s = avctx->priv_data;
1272
1273     s->blocksize = avctx->frame_size;
1274     init_frame(s);
1275
1276     copy_samples(s, samples);
1277
1278     channel_decorrelation(s);
1279
1280     for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
1281         encode_residual(s, ch);
1282     }
1283     init_put_bits(&s->pb, frame, buf_size);
1284     output_frame_header(s);
1285     output_subframes(s);
1286     output_frame_footer(s);
1287     out_bytes = put_bits_count(&s->pb) >> 3;
1288
1289     if(out_bytes > s->max_framesize || out_bytes >= buf_size) {
1290         /* frame too large. use verbatim mode */
1291         for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
1292             encode_residual_v(s, ch);
1293         }
1294         init_put_bits(&s->pb, frame, buf_size);
1295         output_frame_header(s);
1296         output_subframes(s);
1297         output_frame_footer(s);
1298         out_bytes = put_bits_count(&s->pb) >> 3;
1299
1300         if(out_bytes > s->max_framesize || out_bytes >= buf_size) {
1301             /* still too large. must be an error. */
1302             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "error encoding frame\n");
1303             return -1;
1304         }
1305     }
1306
1307     s->frame_count++;
1308     return out_bytes;
1309 }
1310
1311 static int flac_encode_close(AVCodecContext *avctx)
1312 {
1313     av_freep(&avctx->extradata);
1314     avctx->extradata_size = 0;
1315     av_freep(&avctx->coded_frame);
1316     return 0;
1317 }
1318
1319 AVCodec flac_encoder = {
1320     "flac",
1321     CODEC_TYPE_AUDIO,
1322     CODEC_ID_FLAC,
1323     sizeof(FlacEncodeContext),
1324     flac_encode_init,
1325     flac_encode_frame,
1326     flac_encode_close,
1327     NULL,
1328     .capabilities = CODEC_CAP_SMALL_LAST_FRAME,
1329 };