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, level;
 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     level= s->options.compression_level;
 223     if(level > 5) {
 224         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid compression level: %d\n",
 225                s->options.compression_level);
 226         return -1;
 227     }
 228
 229     s->options.block_time_ms       = ((int[]){ 27, 27, 27,105,105,105})[level];
 230     s->options.use_lpc             = ((int[]){  0,  0,  0,  1,  1,  1})[level];
 231     s->options.min_prediction_order= ((int[]){  2,  0,  0,  1,  1,  1})[level];
 232     s->options.max_prediction_order= ((int[]){  3,  4,  4,  6,  8,  8})[level];
 233     s->options.prediction_order_method = ORDER_METHOD_EST;
 234     s->options.min_partition_order = ((int[]){  2,  2,  0,  0,  0,  0})[level];
 235     s->options.max_partition_order = ((int[]){  2,  2,  3,  3,  3,  8})[level];
 236
 237     /* set compression option overrides from AVCodecContext */
 238     if(avctx->use_lpc >= 0) {
 239         s->options.use_lpc = !!avctx->use_lpc;
 240     }
 241     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " use lpc: %s\n",
 242            s->options.use_lpc? "yes" : "no");
 243
 244     if(avctx->min_prediction_order >= 0) {
 245         if(s->options.use_lpc) {
 246             if(avctx->min_prediction_order < MIN_LPC_ORDER ||
 247                     avctx->min_prediction_order > MAX_LPC_ORDER) {
 248                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid min prediction order: %d\n",
 249                        avctx->min_prediction_order);
 250                 return -1;
 251             }
 252         } else {
 253             if(avctx->min_prediction_order > MAX_FIXED_ORDER) {
 254                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid min prediction order: %d\n",
 255                        avctx->min_prediction_order);
 256                 return -1;
 257             }
 258         }
 259         s->options.min_prediction_order = avctx->min_prediction_order;
 260     }
 261     if(avctx->max_prediction_order >= 0) {
 262         if(s->options.use_lpc) {
 263             if(avctx->max_prediction_order < MIN_LPC_ORDER ||
 264                     avctx->max_prediction_order > MAX_LPC_ORDER) {
 265                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid max prediction order: %d\n",
 266                        avctx->max_prediction_order);
 267                 return -1;
 268             }
 269         } else {
 270             if(avctx->max_prediction_order > MAX_FIXED_ORDER) {
 271                 av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid max prediction order: %d\n",
 272                        avctx->max_prediction_order);
 273                 return -1;
 274             }
 275         }
 276         s->options.max_prediction_order = avctx->max_prediction_order;
 277     }
 278     if(s->options.max_prediction_order < s->options.min_prediction_order) {
 279         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid prediction orders: min=%d max=%d\n",
 280                s->options.min_prediction_order, s->options.max_prediction_order);
 281         return -1;
 282     }
 283     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " prediction order: %d, %d\n",
 284            s->options.min_prediction_order, s->options.max_prediction_order);
 285
 286     if(avctx->prediction_order_method >= 0) {
 287         if(avctx->prediction_order_method > ORDER_METHOD_SEARCH) {
 288             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid prediction order method: %d\n",
 289                    avctx->prediction_order_method);
 290             return -1;
 291         }
 292         s->options.prediction_order_method = avctx->prediction_order_method;
 293     }
 294     switch(avctx->prediction_order_method) {
 295         case ORDER_METHOD_EST:    av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
 296                                          "estimate"); break;
 297         case ORDER_METHOD_2LEVEL: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
 298                                          "2-level"); break;
 299         case ORDER_METHOD_4LEVEL: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
 300                                          "4-level"); break;
 301         case ORDER_METHOD_8LEVEL: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
 302                                          "8-level"); break;
 303         case ORDER_METHOD_SEARCH: av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " order method: %s\n",
 304                                          "full search"); break;
 305     }
 306
 307     if(avctx->min_partition_order >= 0) {
 308         if(avctx->min_partition_order > MAX_PARTITION_ORDER) {
 309             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid min partition order: %d\n",
 310                    avctx->min_partition_order);
 311             return -1;
 312         }
 313         s->options.min_partition_order = avctx->min_partition_order;
 314     }
 315     if(avctx->max_partition_order >= 0) {
 316         if(avctx->max_partition_order > MAX_PARTITION_ORDER) {
 317             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid max partition order: %d\n",
 318                    avctx->max_partition_order);
 319             return -1;
 320         }
 321         s->options.max_partition_order = avctx->max_partition_order;
 322     }
 323     if(s->options.max_partition_order < s->options.min_partition_order) {
 324         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid partition orders: min=%d max=%d\n",
 325                s->options.min_partition_order, s->options.max_partition_order);
 326         return -1;
 327     }
 328     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " partition order: %d, %d\n",
 329            s->options.min_partition_order, s->options.max_partition_order);
 330
 331     if(avctx->frame_size > 0) {
 332         if(avctx->frame_size < FLAC_MIN_BLOCKSIZE ||
 333                 avctx->frame_size > FLAC_MIN_BLOCKSIZE) {
 334             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid block size: %d\n",
 335                    avctx->frame_size);
 336             return -1;
 337         }
 338         s->blocksize = avctx->frame_size;
 339     } else {
 340         s->blocksize = select_blocksize(s->samplerate, s->options.block_time_ms);
 341         avctx->frame_size = s->blocksize;
 342     }
 343     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " block size: %d\n", s->blocksize);
 344
 345     /* set LPC precision */
 346     if(avctx->lpc_coeff_precision > 0) {
 347         if(avctx->lpc_coeff_precision > MAX_LPC_PRECISION) {
 348             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "invalid lpc coeff precision: %d\n",
 349                    avctx->lpc_coeff_precision);
 350             return -1;
 351         }
 352         s->options.lpc_coeff_precision = avctx->lpc_coeff_precision;
 353     } else {
 354         /* select LPC precision based on block size */
 355         if(     s->blocksize <=   192) s->options.lpc_coeff_precision =  7;
 356         else if(s->blocksize <=   384) s->options.lpc_coeff_precision =  8;
 357         else if(s->blocksize <=   576) s->options.lpc_coeff_precision =  9;
 358         else if(s->blocksize <=  1152) s->options.lpc_coeff_precision = 10;
 359         else if(s->blocksize <=  2304) s->options.lpc_coeff_precision = 11;
 360         else if(s->blocksize <=  4608) s->options.lpc_coeff_precision = 12;
 361         else if(s->blocksize <=  8192) s->options.lpc_coeff_precision = 13;
 362         else if(s->blocksize <= 16384) s->options.lpc_coeff_precision = 14;
 363         else                           s->options.lpc_coeff_precision = 15;
 364     }
 365     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, " lpc precision: %d\n",
 366            s->options.lpc_coeff_precision);
 367
 368     /* set maximum encoded frame size in verbatim mode */
 369     if(s->channels == 2) {
 370         s->max_framesize = 14 + ((s->blocksize * 33 + 7) >> 3);
 371     } else {
 372         s->max_framesize = 14 + (s->blocksize * s->channels * 2);
 373     }
 374
 375     streaminfo = av_malloc(FLAC_STREAMINFO_SIZE);
 376     write_streaminfo(s, streaminfo);
 377     avctx->extradata = streaminfo;
 378     avctx->extradata_size = FLAC_STREAMINFO_SIZE;
 379
 380     s->frame_count = 0;
 381
 382     avctx->coded_frame = avcodec_alloc_frame();
 383     avctx->coded_frame->key_frame = 1;
 384
 385     return 0;
 386 }
 387
 388 static void init_frame(FlacEncodeContext *s)
 389 {
 390     int i, ch;
 391     FlacFrame *frame;
 392
 393     frame = &s->frame;
 394
 395     for(i=0; i<16; i++) {
 396         if(s->blocksize == flac_blocksizes[i]) {
 397             frame->blocksize = flac_blocksizes[i];
 398             frame->bs_code[0] = i;
 399             frame->bs_code[1] = 0;
 400             break;
 401         }
 402     }
 403     if(i == 16) {
 404         frame->blocksize = s->blocksize;
 405         if(frame->blocksize <= 256) {
 406             frame->bs_code[0] = 6;
 407             frame->bs_code[1] = frame->blocksize-1;
 408         } else {
 409             frame->bs_code[0] = 7;
 410             frame->bs_code[1] = frame->blocksize-1;
 411         }
 412     }
 413
 414     for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
 415         frame->subframes[ch].obits = 16;
 416     }
 417 }
 418
 419 /**
 420  * Copy channel-interleaved input samples into separate subframes
 421  */
 422 static void copy_samples(FlacEncodeContext *s, int16_t *samples)
 423 {
 424     int i, j, ch;
 425     FlacFrame *frame;
 426
 427     frame = &s->frame;
 428     for(i=0,j=0; i<frame->blocksize; i++) {
 429         for(ch=0; ch<s->channels; ch++,j++) {
 430             frame->subframes[ch].samples[i] = samples[j];
 431         }
 432     }
 433 }
 434
 435
 436 #define rice_encode_count(sum, n, k) (((n)*((k)+1))+((sum-(n>>1))>>(k)))
 437
 438 static int find_optimal_param(uint32_t sum, int n)
 439 {
 440     int k, k_opt;
 441     uint32_t nbits[MAX_RICE_PARAM+1];
 442
 443     k_opt = 0;
 444     nbits[0] = UINT32_MAX;
 445     for(k=0; k<=MAX_RICE_PARAM; k++) {
 446         nbits[k] = rice_encode_count(sum, n, k);
 447         if(nbits[k] < nbits[k_opt]) {
 448             k_opt = k;
 449         }
 450     }
 451     return k_opt;
 452 }
 453
 454 static uint32_t calc_optimal_rice_params(RiceContext *rc, int porder,
 455                                          uint32_t *sums, int n, int pred_order)
 456 {
 457     int i;
 458     int k, cnt, part;
 459     uint32_t all_bits;
 460
 461     part = (1 << porder);
 462     all_bits = 0;
 463
 464     cnt = (n >> porder) - pred_order;
 465     for(i=0; i<part; i++) {
 466         if(i == 1) cnt = (n >> porder);
 467         k = find_optimal_param(sums[i], cnt);
 468         rc->params[i] = k;
 469         all_bits += rice_encode_count(sums[i], cnt, k);
 470     }
 471     all_bits += (4 * part);
 472
 473     rc->porder = porder;
 474
 475     return all_bits;
 476 }
 477
 478 static void calc_sums(int pmin, int pmax, uint32_t *data, int n, int pred_order,
 479                       uint32_t sums[][MAX_PARTITIONS])
 480 {
 481     int i, j;
 482     int parts;
 483     uint32_t *res, *res_end;
 484
 485     /* sums for highest level */
 486     parts = (1 << pmax);
 487     res = &data[pred_order];
 488     res_end = &data[n >> pmax];
 489     for(i=0; i<parts; i++) {
 490         sums[pmax][i] = 0;
 491         while(res < res_end){
 492             sums[pmax][i] += *(res++);
 493         }
 494         res_end+= n >> pmax;
 495     }
 496     /* sums for lower levels */
 497     for(i=pmax-1; i>=pmin; i--) {
 498         parts = (1 << i);
 499         for(j=0; j<parts; j++) {
 500             sums[i][j] = sums[i+1][2*j] + sums[i+1][2*j+1];
 501         }
 502     }
 503 }
 504
 505 static uint32_t calc_rice_params(RiceContext *rc, int pmin, int pmax,
 506                                  int32_t *data, int n, int pred_order)
 507 {
 508     int i;
 509     uint32_t bits[MAX_PARTITION_ORDER+1];
 510     int opt_porder;
 511     RiceContext tmp_rc;
 512     uint32_t *udata;
 513     uint32_t sums[MAX_PARTITION_ORDER+1][MAX_PARTITIONS];
 514
 515     assert(pmin >= 0 && pmin <= MAX_PARTITION_ORDER);
 516     assert(pmax >= 0 && pmax <= MAX_PARTITION_ORDER);
 517     assert(pmin <= pmax);
 518
 519     udata = av_malloc(n * sizeof(uint32_t));
 520     for(i=0; i<n; i++) {
 521         udata[i] = (2*data[i]) ^ (data[i]>>31);
 522     }
 523
 524     calc_sums(pmin, pmax, udata, n, pred_order, sums);
 525
 526     opt_porder = pmin;
 527     bits[pmin] = UINT32_MAX;
 528     for(i=pmin; i<=pmax; i++) {
 529         bits[i] = calc_optimal_rice_params(&tmp_rc, i, sums[i], n, pred_order);
 530         if(bits[i] <= bits[opt_porder]) {
 531             opt_porder = i;
 532             *rc= tmp_rc;
 533         }
 534     }
 535
 536     av_freep(&udata);
 537     return bits[opt_porder];
 538 }
 539
 540 static uint32_t calc_rice_params_fixed(RiceContext *rc, int pmin, int pmax,
 541                                        int32_t *data, int n, int pred_order,
 542                                        int bps)
 543 {
 544     uint32_t bits;
 545     bits = pred_order*bps + 6;
 546     bits += calc_rice_params(rc, pmin, pmax, data, n, pred_order);
 547     return bits;
 548 }
 549
 550 static uint32_t calc_rice_params_lpc(RiceContext *rc, int pmin, int pmax,
 551                                      int32_t *data, int n, int pred_order,
 552                                      int bps, int precision)
 553 {
 554     uint32_t bits;
 555     bits = pred_order*bps + 4 + 5 + pred_order*precision + 6;
 556     bits += calc_rice_params(rc, pmin, pmax, data, n, pred_order);
 557     return bits;
 558 }
 559
 560 /**
 561  * Apply Welch window function to audio block
 562  */
 563 static void apply_welch_window(const int32_t *data, int len, double *w_data)
 564 {
 565     int i, n2;
 566     double w;
 567     double c;
 568
 569     n2 = (len >> 1);
 570     c = 2.0 / (len - 1.0);
 571     for(i=0; i<n2; i++) {
 572         w = c - i - 1.0;
 573         w = 1.0 - (w * w);
 574         w_data[i] = data[i] * w;
 575         w_data[len-1-i] = data[len-1-i] * w;
 576     }
 577 }
 578
 579 /**
 580  * Calculates autocorrelation data from audio samples
 581  * A Welch window function is applied before calculation.
 582  */
 583 static void compute_autocorr(const int32_t *data, int len, int lag,
 584                              double *autoc)
 585 {
 586     int i, lag_ptr;
 587     double tmp[len + lag];
 588     double *data1= tmp + lag;
 589
 590     apply_welch_window(data, len, data1);
 591
 592     for(i=0; i<lag; i++){
 593         autoc[i] = 1.0;
 594         data1[i-lag]= 0.0;
 595     }
 596
 597     for(i=0; i<len; i++){
 598         for(lag_ptr= i-lag; lag_ptr<=i; lag_ptr++){
 599             autoc[i-lag_ptr] += data1[i] * data1[lag_ptr];
 600         }
 601     }
 602 }
 603
 604 /**
 605  * Levinson-Durbin recursion.
 606  * Produces LPC coefficients from autocorrelation data.
 607  */
 608 static void compute_lpc_coefs(const double *autoc, int max_order,
 609                               double lpc[][MAX_LPC_ORDER], double *ref)
 610 {
 611    int i, j, i2;
 612    double r, err, tmp;
 613    double lpc_tmp[MAX_LPC_ORDER];
 614
 615    for(i=0; i<max_order; i++) lpc_tmp[i] = 0;
 616    err = autoc[0];
 617
 618    for(i=0; i<max_order; i++) {
 619       r = -autoc[i+1];
 620       for(j=0; j<i; j++) {
 621           r -= lpc_tmp[j] * autoc[i-j];
 622       }
 623       r /= err;
 624       ref[i] = fabs(r);
 625
 626       err *= 1.0 - (r * r);
 627
 628       i2 = (i >> 1);
 629       lpc_tmp[i] = r;
 630       for(j=0; j<i2; j++) {
 631          tmp = lpc_tmp[j];
 632          lpc_tmp[j] += r * lpc_tmp[i-1-j];
 633          lpc_tmp[i-1-j] += r * tmp;
 634       }
 635       if(i & 1) {
 636           lpc_tmp[j] += lpc_tmp[j] * r;
 637       }
 638
 639       for(j=0; j<=i; j++) {
 640           lpc[i][j] = -lpc_tmp[j];
 641       }
 642    }
 643 }
 644
 645 /**
 646  * Quantize LPC coefficients
 647  */
 648 static void quantize_lpc_coefs(double *lpc_in, int order, int precision,
 649                                int32_t *lpc_out, int *shift)
 650 {
 651     int i;
 652     double cmax;
 653     int32_t qmax;
 654     int sh;
 655
 656     /* define maximum levels */
 657     qmax = (1 << (precision - 1)) - 1;
 658
 659     /* find maximum coefficient value */
 660     cmax = 0.0;
 661     for(i=0; i<order; i++) {
 662         cmax= FFMAX(cmax, fabs(lpc_in[i]));
 663     }
 664
 665     /* if maximum value quantizes to zero, return all zeros */
 666     if(cmax * (1 << MAX_LPC_SHIFT) < 1.0) {
 667         *shift = 0;
 668         memset(lpc_out, 0, sizeof(int32_t) * order);
 669         return;
 670     }
 671
 672     /* calculate level shift which scales max coeff to available bits */
 673     sh = MAX_LPC_SHIFT;
 674     while((cmax * (1 << sh) > qmax) && (sh > 0)) {
 675         sh--;
 676     }
 677
 678     /* since negative shift values are unsupported in decoder, scale down
 679        coefficients instead */
 680     if(sh == 0 && cmax > qmax) {
 681         double scale = ((double)qmax) / cmax;
 682         for(i=0; i<order; i++) {
 683             lpc_in[i] *= scale;
 684         }
 685     }
 686
 687     /* output quantized coefficients and level shift */
 688     for(i=0; i<order; i++) {
 689         lpc_out[i] = (int32_t)(lpc_in[i] * (1 << sh));
 690     }
 691     *shift = sh;
 692 }
 693
 694 static int estimate_best_order(double *ref, int max_order)
 695 {
 696     int i, est;
 697
 698     est = 1;
 699     for(i=max_order-1; i>=0; i--) {
 700         if(ref[i] > 0.10) {
 701             est = i+1;
 702             break;
 703         }
 704     }
 705     return est;
 706 }
 707
 708 /**
 709  * Calculate LPC coefficients for multiple orders
 710  */
 711 static int lpc_calc_coefs(const int32_t *samples, int blocksize, int max_order,
 712                           int precision, int32_t coefs[][MAX_LPC_ORDER],
 713                           int *shift)
 714 {
 715     double autoc[MAX_LPC_ORDER+1];
 716     double ref[MAX_LPC_ORDER];
 717     double lpc[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
 718     int i;
 719     int opt_order;
 720
 721     assert(max_order >= MIN_LPC_ORDER && max_order <= MAX_LPC_ORDER);
 722
 723     compute_autocorr(samples, blocksize, max_order+1, autoc);
 724
 725     compute_lpc_coefs(autoc, max_order, lpc, ref);
 726
 727     opt_order = estimate_best_order(ref, max_order);
 728
 729     i = opt_order-1;
 730     quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i]);
 731
 732     return opt_order;
 733 }
 734
 735
 736 static void encode_residual_verbatim(int32_t *res, int32_t *smp, int n)
 737 {
 738     assert(n > 0);
 739     memcpy(res, smp, n * sizeof(int32_t));
 740 }
 741
 742 static void encode_residual_fixed(int32_t *res, const int32_t *smp, int n,
 743                                   int order)
 744 {
 745     int i;
 746
 747     for(i=0; i<order; i++) {
 748         res[i] = smp[i];
 749     }
 750
 751     if(order==0){
 752         for(i=order; i<n; i++)
 753             res[i]= smp[i];
 754     }else if(order==1){
 755         for(i=order; i<n; i++)
 756             res[i]= smp[i] - smp[i-1];
 757     }else if(order==2){
 758         for(i=order; i<n; i++)
 759             res[i]= smp[i] - 2*smp[i-1] + smp[i-2];
 760     }else if(order==3){
 761         for(i=order; i<n; i++)
 762             res[i]= smp[i] - 3*smp[i-1] + 3*smp[i-2] - smp[i-3];
 763     }else{
 764         for(i=order; i<n; i++)
 765             res[i]= smp[i] - 4*smp[i-1] + 6*smp[i-2] - 4*smp[i-3] + smp[i-4];
 766     }
 767 }
 768
 769 static void encode_residual_lpc(int32_t *res, const int32_t *smp, int n,
 770                                 int order, const int32_t *coefs, int shift)
 771 {
 772     int i, j;
 773     int32_t pred;
 774
 775     for(i=0; i<order; i++) {
 776         res[i] = smp[i];
 777     }
 778     for(i=order; i<n; i++) {
 779         pred = 0;
 780         for(j=0; j<order; j++) {
 781             pred += coefs[j] * smp[i-j-1];
 782         }
 783         res[i] = smp[i] - (pred >> shift);
 784     }
 785 }
 786
 787 static int get_max_p_order(int max_porder, int n, int order)
 788 {
 789     int porder, max_parts;
 790
 791     for(porder = max_porder; porder > 0; porder--) {
 792         max_parts = (1 << porder);
 793         if(!(n % max_parts) && (n > max_parts*order)) {
 794             break;
 795         }
 796     }
 797     return porder;
 798 }
 799
 800 static int encode_residual(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
 801 {
 802     int i, n;
 803     int min_order, max_order, opt_order, precision;
 804     int porder, min_porder, max_porder;
 805     FlacFrame *frame;
 806     FlacSubframe *sub;
 807     int32_t coefs[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
 808     int shift[MAX_LPC_ORDER];
 809     int32_t *res, *smp;
 810
 811     frame = &ctx->frame;
 812     sub = &frame->subframes[ch];
 813     res = sub->residual;
 814     smp = sub->samples;
 815     n = frame->blocksize;
 816
 817     /* CONSTANT */
 818     for(i=1; i<n; i++) {
 819         if(smp[i] != smp[0]) break;
 820     }
 821     if(i == n) {
 822         sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_CONSTANT;
 823         res[0] = smp[0];
 824         return sub->obits;
 825     }
 826
 827     /* VERBATIM */
 828     if(n < 5) {
 829         sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_VERBATIM;
 830         encode_residual_verbatim(res, smp, n);
 831         return sub->obits * n;
 832     }
 833
 834     min_order = ctx->options.min_prediction_order;
 835     max_order = ctx->options.max_prediction_order;
 836     min_porder = ctx->options.min_partition_order;
 837     max_porder = ctx->options.max_partition_order;
 838     precision = ctx->options.lpc_coeff_precision;
 839
 840     /* FIXED */
 841     if(!ctx->options.use_lpc || max_order == 0 || (n <= max_order)) {
 842         uint32_t bits[MAX_FIXED_ORDER+1];
 843         if(max_order > MAX_FIXED_ORDER) max_order = MAX_FIXED_ORDER;
 844         opt_order = 0;
 845         bits[0] = UINT32_MAX;
 846         for(i=min_order; i<=max_order; i++) {
 847             encode_residual_fixed(res, smp, n, i);
 848             porder = get_max_p_order(max_porder, n, i);
 849             bits[i] = calc_rice_params_fixed(&sub->rc, min_porder, porder, res,
 850                                              n, i, sub->obits);
 851             if(bits[i] < bits[opt_order]) {
 852                 opt_order = i;
 853             }
 854         }
 855         sub->order = opt_order;
 856         sub->type = FLAC_SUBFRAME_FIXED;
 857         sub->type_code = sub->type | sub->order;
 858         if(sub->order != max_order) {
 859             encode_residual_fixed(res, smp, n, sub->order);
 860             porder = get_max_p_order(max_porder, n, sub->order);
 861             return calc_rice_params_fixed(&sub->rc, min_porder, porder, res, n,
 862                                           sub->order, sub->obits);
 863         }
 864         return bits[sub->order];
 865     }
 866
 867     /* LPC */
 868     sub->order = lpc_calc_coefs(smp, n, max_order, precision, coefs, shift);
 869     sub->type = FLAC_SUBFRAME_LPC;
 870     sub->type_code = sub->type | (sub->order-1);
 871     sub->shift = shift[sub->order-1];
 872     for(i=0; i<sub->order; i++) {
 873         sub->coefs[i] = coefs[sub->order-1][i];
 874     }
 875     porder = get_max_p_order(max_porder, n, sub->order);
 876     encode_residual_lpc(res, smp, n, sub->order, sub->coefs, sub->shift);
 877     return calc_rice_params_lpc(&sub->rc, 0, porder, res, n, sub->order,
 878                                 sub->obits, precision);
 879 }
 880
 881 static int encode_residual_v(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
 882 {
 883     int i, n;
 884     FlacFrame *frame;
 885     FlacSubframe *sub;
 886     int32_t *res, *smp;
 887
 888     frame = &ctx->frame;
 889     sub = &frame->subframes[ch];
 890     res = sub->residual;
 891     smp = sub->samples;
 892     n = frame->blocksize;
 893
 894     /* CONSTANT */
 895     for(i=1; i<n; i++) {
 896         if(smp[i] != smp[0]) break;
 897     }
 898     if(i == n) {
 899         sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_CONSTANT;
 900         res[0] = smp[0];
 901         return sub->obits;
 902     }
 903
 904     /* VERBATIM */
 905     sub->type = sub->type_code = FLAC_SUBFRAME_VERBATIM;
 906     encode_residual_verbatim(res, smp, n);
 907     return sub->obits * n;
 908 }
 909
 910 static int estimate_stereo_mode(int32_t *left_ch, int32_t *right_ch, int n)
 911 {
 912     int i, best;
 913     int32_t lt, rt;
 914     uint64_t sum[4];
 915     uint64_t score[4];
 916     int k;
 917
 918     /* calculate sum of 2nd order residual for each channel */
 919     sum[0] = sum[1] = sum[2] = sum[3] = 0;
 920     for(i=2; i<n; i++) {
 921         lt = left_ch[i] - 2*left_ch[i-1] + left_ch[i-2];
 922         rt = right_ch[i] - 2*right_ch[i-1] + right_ch[i-2];
 923         sum[2] += ABS((lt + rt) >> 1);
 924         sum[3] += ABS(lt - rt);
 925         sum[0] += ABS(lt);
 926         sum[1] += ABS(rt);
 927     }
 928     /* estimate bit counts */
 929     for(i=0; i<4; i++) {
 930         k = find_optimal_param(2*sum[i], n);
 931         sum[i] = rice_encode_count(2*sum[i], n, k);
 932     }
 933
 934     /* calculate score for each mode */
 935     score[0] = sum[0] + sum[1];
 936     score[1] = sum[0] + sum[3];
 937     score[2] = sum[1] + sum[3];
 938     score[3] = sum[2] + sum[3];
 939
 940     /* return mode with lowest score */
 941     best = 0;
 942     for(i=1; i<4; i++) {
 943         if(score[i] < score[best]) {
 944             best = i;
 945         }
 946     }
 947     if(best == 0) {
 948         return FLAC_CHMODE_LEFT_RIGHT;
 949     } else if(best == 1) {
 950         return FLAC_CHMODE_LEFT_SIDE;
 951     } else if(best == 2) {
 952         return FLAC_CHMODE_RIGHT_SIDE;
 953     } else {
 954         return FLAC_CHMODE_MID_SIDE;
 955     }
 956 }
 957
 958 /**
 959  * Perform stereo channel decorrelation
 960  */
 961 static void channel_decorrelation(FlacEncodeContext *ctx)
 962 {
 963     FlacFrame *frame;
 964     int32_t *left, *right;
 965     int i, n;
 966
 967     frame = &ctx->frame;
 968     n = frame->blocksize;
 969     left  = frame->subframes[0].samples;
 970     right = frame->subframes[1].samples;
 971
 972     if(ctx->channels != 2) {
 973         frame->ch_mode = FLAC_CHMODE_NOT_STEREO;
 974         return;
 975     }
 976
 977     frame->ch_mode = estimate_stereo_mode(left, right, n);
 978
 979     /* perform decorrelation and adjust bits-per-sample */
 980     if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_LEFT_RIGHT) {
 981         return;
 982     }
 983     if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_MID_SIDE) {
 984         int32_t tmp;
 985         for(i=0; i<n; i++) {
 986             tmp = left[i];
 987             left[i] = (tmp + right[i]) >> 1;
 988             right[i] = tmp - right[i];
 989         }
 990         frame->subframes[1].obits++;
 991     } else if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_LEFT_SIDE) {
 992         for(i=0; i<n; i++) {
 993             right[i] = left[i] - right[i];
 994         }
 995         frame->subframes[1].obits++;
 996     } else {
 997         for(i=0; i<n; i++) {
 998             left[i] -= right[i];
 999         }
1000         frame->subframes[0].obits++;
1001     }
1002 }
1003
1004 static void put_sbits(PutBitContext *pb, int bits, int32_t val)
1005 {
1006     assert(bits >= 0 && bits <= 31);
1007
1008     put_bits(pb, bits, val & ((1<<bits)-1));
1009 }
1010
1011 static void write_utf8(PutBitContext *pb, uint32_t val)
1012 {
1013     int bytes, shift;
1014
1015     if(val < 0x80){
1016         put_bits(pb, 8, val);
1017         return;
1018     }
1019
1020     bytes= (av_log2(val)+4) / 5;
1021     shift = (bytes - 1) * 6;
1022     put_bits(pb, 8, (256 - (256>>bytes)) | (val >> shift));
1023     while(shift >= 6){
1024         shift -= 6;
1025         put_bits(pb, 8, 0x80 | ((val >> shift) & 0x3F));
1026     }
1027 }
1028
1029 static void output_frame_header(FlacEncodeContext *s)
1030 {
1031     FlacFrame *frame;
1032     int crc;
1033
1034     frame = &s->frame;
1035
1036     put_bits(&s->pb, 16, 0xFFF8);
1037     put_bits(&s->pb, 4, frame->bs_code[0]);
1038     put_bits(&s->pb, 4, s->sr_code[0]);
1039     if(frame->ch_mode == FLAC_CHMODE_NOT_STEREO) {
1040         put_bits(&s->pb, 4, s->ch_code);
1041     } else {
1042         put_bits(&s->pb, 4, frame->ch_mode);
1043     }
1044     put_bits(&s->pb, 3, 4); /* bits-per-sample code */
1045     put_bits(&s->pb, 1, 0);
1046     write_utf8(&s->pb, s->frame_count);
1047     if(frame->bs_code[0] == 6) {
1048         put_bits(&s->pb, 8, frame->bs_code[1]);
1049     } else if(frame->bs_code[0] == 7) {
1050         put_bits(&s->pb, 16, frame->bs_code[1]);
1051     }
1052     if(s->sr_code[0] == 12) {
1053         put_bits(&s->pb, 8, s->sr_code[1]);
1054     } else if(s->sr_code[0] > 12) {
1055         put_bits(&s->pb, 16, s->sr_code[1]);
1056     }
1057     flush_put_bits(&s->pb);
1058     crc = av_crc(av_crc07, 0, s->pb.buf, put_bits_count(&s->pb)>>3);
1059     put_bits(&s->pb, 8, crc);
1060 }
1061
1062 static void output_subframe_constant(FlacEncodeContext *s, int ch)
1063 {
1064     FlacSubframe *sub;
1065     int32_t res;
1066
1067     sub = &s->frame.subframes[ch];
1068     res = sub->residual[0];
1069     put_sbits(&s->pb, sub->obits, res);
1070 }
1071
1072 static void output_subframe_verbatim(FlacEncodeContext *s, int ch)
1073 {
1074     int i;
1075     FlacFrame *frame;
1076     FlacSubframe *sub;
1077     int32_t res;
1078
1079     frame = &s->frame;
1080     sub = &frame->subframes[ch];
1081
1082     for(i=0; i<frame->blocksize; i++) {
1083         res = sub->residual[i];
1084         put_sbits(&s->pb, sub->obits, res);
1085     }
1086 }
1087
1088 static void output_residual(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
1089 {
1090     int i, j, p, n, parts;
1091     int k, porder, psize, res_cnt;
1092     FlacFrame *frame;
1093     FlacSubframe *sub;
1094     int32_t *res;
1095
1096     frame = &ctx->frame;
1097     sub = &frame->subframes[ch];
1098     res = sub->residual;
1099     n = frame->blocksize;
1100
1101     /* rice-encoded block */
1102     put_bits(&ctx->pb, 2, 0);
1103
1104     /* partition order */
1105     porder = sub->rc.porder;
1106     psize = n >> porder;
1107     parts = (1 << porder);
1108     put_bits(&ctx->pb, 4, porder);
1109     res_cnt = psize - sub->order;
1110
1111     /* residual */
1112     j = sub->order;
1113     for(p=0; p<parts; p++) {
1114         k = sub->rc.params[p];
1115         put_bits(&ctx->pb, 4, k);
1116         if(p == 1) res_cnt = psize;
1117         for(i=0; i<res_cnt && j<n; i++, j++) {
1118             set_sr_golomb_flac(&ctx->pb, res[j], k, INT32_MAX, 0);
1119         }
1120     }
1121 }
1122
1123 static void output_subframe_fixed(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
1124 {
1125     int i;
1126     FlacFrame *frame;
1127     FlacSubframe *sub;
1128
1129     frame = &ctx->frame;
1130     sub = &frame->subframes[ch];
1131
1132     /* warm-up samples */
1133     for(i=0; i<sub->order; i++) {
1134         put_sbits(&ctx->pb, sub->obits, sub->residual[i]);
1135     }
1136
1137     /* residual */
1138     output_residual(ctx, ch);
1139 }
1140
1141 static void output_subframe_lpc(FlacEncodeContext *ctx, int ch)
1142 {
1143     int i, cbits;
1144     FlacFrame *frame;
1145     FlacSubframe *sub;
1146
1147     frame = &ctx->frame;
1148     sub = &frame->subframes[ch];
1149
1150     /* warm-up samples */
1151     for(i=0; i<sub->order; i++) {
1152         put_sbits(&ctx->pb, sub->obits, sub->residual[i]);
1153     }
1154
1155     /* LPC coefficients */
1156     cbits = ctx->options.lpc_coeff_precision;
1157     put_bits(&ctx->pb, 4, cbits-1);
1158     put_sbits(&ctx->pb, 5, sub->shift);
1159     for(i=0; i<sub->order; i++) {
1160         put_sbits(&ctx->pb, cbits, sub->coefs[i]);
1161     }
1162
1163     /* residual */
1164     output_residual(ctx, ch);
1165 }
1166
1167 static void output_subframes(FlacEncodeContext *s)
1168 {
1169     FlacFrame *frame;
1170     FlacSubframe *sub;
1171     int ch;
1172
1173     frame = &s->frame;
1174
1175     for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
1176         sub = &frame->subframes[ch];
1177
1178         /* subframe header */
1179         put_bits(&s->pb, 1, 0);
1180         put_bits(&s->pb, 6, sub->type_code);
1181         put_bits(&s->pb, 1, 0); /* no wasted bits */
1182
1183         /* subframe */
1184         if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_CONSTANT) {
1185             output_subframe_constant(s, ch);
1186         } else if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_VERBATIM) {
1187             output_subframe_verbatim(s, ch);
1188         } else if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_FIXED) {
1189             output_subframe_fixed(s, ch);
1190         } else if(sub->type == FLAC_SUBFRAME_LPC) {
1191             output_subframe_lpc(s, ch);
1192         }
1193     }
1194 }
1195
1196 static void output_frame_footer(FlacEncodeContext *s)
1197 {
1198     int crc;
1199     flush_put_bits(&s->pb);
1200     crc = bswap_16(av_crc(av_crc8005, 0, s->pb.buf, put_bits_count(&s->pb)>>3));
1201     put_bits(&s->pb, 16, crc);
1202     flush_put_bits(&s->pb);
1203 }
1204
1205 static int flac_encode_frame(AVCodecContext *avctx, uint8_t *frame,
1206                              int buf_size, void *data)
1207 {
1208     int ch;
1209     FlacEncodeContext *s;
1210     int16_t *samples = data;
1211     int out_bytes;
1212
1213     s = avctx->priv_data;
1214
1215     s->blocksize = avctx->frame_size;
1216     init_frame(s);
1217
1218     copy_samples(s, samples);
1219
1220     channel_decorrelation(s);
1221
1222     for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
1223         encode_residual(s, ch);
1224     }
1225     init_put_bits(&s->pb, frame, buf_size);
1226     output_frame_header(s);
1227     output_subframes(s);
1228     output_frame_footer(s);
1229     out_bytes = put_bits_count(&s->pb) >> 3;
1230
1231     if(out_bytes > s->max_framesize || out_bytes >= buf_size) {
1232         /* frame too large. use verbatim mode */
1233         for(ch=0; ch<s->channels; ch++) {
1234             encode_residual_v(s, ch);
1235         }
1236         init_put_bits(&s->pb, frame, buf_size);
1237         output_frame_header(s);
1238         output_subframes(s);
1239         output_frame_footer(s);
1240         out_bytes = put_bits_count(&s->pb) >> 3;
1241
1242         if(out_bytes > s->max_framesize || out_bytes >= buf_size) {
1243             /* still too large. must be an error. */
1244             av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "error encoding frame\n");
1245             return -1;
1246         }
1247     }
1248
1249     s->frame_count++;
1250     return out_bytes;
1251 }
1252
1253 static int flac_encode_close(AVCodecContext *avctx)
1254 {
1255     av_freep(&avctx->extradata);
1256     avctx->extradata_size = 0;
1257     av_freep(&avctx->coded_frame);
1258     return 0;
1259 }
1260
1261 AVCodec flac_encoder = {
1262     "flac",
1263     CODEC_TYPE_AUDIO,
1264     CODEC_ID_FLAC,
1265     sizeof(FlacEncodeContext),
1266     flac_encode_init,
1267     flac_encode_frame,
1268     flac_encode_close,
1269     NULL,
1270     .capabilities = CODEC_CAP_SMALL_LAST_FRAME,
1271 };