libavcodec/aacenc_tns.c

   1 /*
   2  * AAC encoder TNS
   3  * Copyright (C) 2015 Rostislav Pehlivanov
   4  *
   5  * This file is part of FFmpeg.
   6  *
   7  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
   8  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   9  * License as published by the Free Software Foundation; either
  10  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  11  *
  12  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  13  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  14  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  15  * Lesser General Public License for more details.
  16  *
  17  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  18  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  19  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  20  */
  21
  22 /**
  23  * @file
  24  * AAC encoder temporal noise shaping
  25  * @author Rostislav Pehlivanov ( atomnuker gmail com )
  26  */
  27
  28 #include "aacenc.h"
  29 #include "aacenc_tns.h"
  30 #include "aactab.h"
  31 #include "aacenc_utils.h"
  32 #include "aacenc_quantization.h"
  33
  34 /* Could be set to 3 to save an additional bit at the cost of little quality */
  35 #define TNS_Q_BITS 4
  36
  37 /* Coefficient resolution in short windows */
  38 #define TNS_Q_BITS_IS8 4
  39
  40 /* Define this to save a bit, be warned decoders can't deal with it
  41  * so it is not lossless despite what the specifications say */
  42 // #define TNS_ENABLE_COEF_COMPRESSION
  43
  44 /* TNS will only be used if the LPC gain is within these margins */
  45 #define TNS_GAIN_THRESHOLD_LOW  1.477f
  46 #define TNS_GAIN_THRESHOLD_HIGH 7.0f
  47 #define TNS_GAIN_THRESHOLD_LOW_IS8  0.16f*TNS_GAIN_THRESHOLD_LOW
  48 #define TNS_GAIN_THRESHOLD_HIGH_IS8 0.26f*TNS_GAIN_THRESHOLD_HIGH
  49
  50 static inline int compress_coeffs(int *coef, int order, int c_bits)
  51 {
  52     int i;
  53     const int low_idx   = c_bits ?  4 : 2;
  54     const int shift_val = c_bits ?  8 : 4;
  55     const int high_idx  = c_bits ? 11 : 5;
  56 #ifndef TNS_ENABLE_COEF_COMPRESSION
  57     return 0;
  58 #endif /* TNS_ENABLE_COEF_COMPRESSION */
  59     for (i = 0; i < order; i++)
  60         if (coef[i] >= low_idx && coef[i] <= high_idx)
  61             return 0;
  62     for (i = 0; i < order; i++)
  63         coef[i] -= (coef[i] > high_idx) ? shift_val : 0;
  64     return 1;
  65 }
  66
  67 /**
  68  * Encode TNS data.
  69  * Coefficient compression is simply not lossless as it should be
  70  * on any decoder tested and as such is not active.
  71  */
  72 void ff_aac_encode_tns_info(AACEncContext *s, SingleChannelElement *sce)
  73 {
  74     int i, w, filt, coef_compress = 0, coef_len;
  75     TemporalNoiseShaping *tns = &sce->tns;
  76     const int is8 = sce->ics.window_sequence[0] == EIGHT_SHORT_SEQUENCE;
  77     const int c_bits = is8 ? TNS_Q_BITS_IS8 == 4 : TNS_Q_BITS == 4;
  78
  79     if (!sce->tns.present)
  80         return;
  81
  82     for (i = 0; i < sce->ics.num_windows; i++) {
  83         put_bits(&s->pb, 2 - is8, sce->tns.n_filt[i]);
  84         if (!tns->n_filt[i])
  85             continue;
  86         put_bits(&s->pb, 1, c_bits);
  87         for (filt = 0; filt < tns->n_filt[i]; filt++) {
  88             put_bits(&s->pb, 6 - 2 * is8, tns->length[i][filt]);
  89             put_bits(&s->pb, 5 - 2 * is8, tns->order[i][filt]);
  90             if (!tns->order[i][filt])
  91                 continue;
  92             put_bits(&s->pb, 1, tns->direction[i][filt]);
  93             coef_compress = compress_coeffs(tns->coef_idx[i][filt],
  94                                             tns->order[i][filt], c_bits);
  95             put_bits(&s->pb, 1, coef_compress);
  96             coef_len = c_bits + 3 - coef_compress;
  97             for (w = 0; w < tns->order[i][filt]; w++)
  98                 put_bits(&s->pb, coef_len, tns->coef_idx[i][filt][w]);
  99         }
 100     }
 101 }
 102
 103 /* Apply TNS filter */
 104 void ff_aac_apply_tns(AACEncContext *s, SingleChannelElement *sce)
 105 {
 106     TemporalNoiseShaping *tns = &sce->tns;
 107     IndividualChannelStream *ics = &sce->ics;
 108     int w, filt, m, i, top, order, bottom, start, end, size, inc;
 109     const int mmm = FFMIN(ics->tns_max_bands, ics->max_sfb);
 110     float lpc[TNS_MAX_ORDER];
 111
 112     for (w = 0; w < ics->num_windows; w++) {
 113         bottom = ics->num_swb;
 114         for (filt = 0; filt < tns->n_filt[w]; filt++) {
 115             top    = bottom;
 116             bottom = FFMAX(0, top - tns->length[w][filt]);
 117             order  = tns->order[w][filt];
 118             if (order == 0)
 119                 continue;
 120
 121             // tns_decode_coef
 122             compute_lpc_coefs(tns->coef[w][filt], order, lpc, 0, 0, 0);
 123
 124             start = ics->swb_offset[FFMIN(bottom, mmm)];
 125             end   = ics->swb_offset[FFMIN(   top, mmm)];
 126             if ((size = end - start) <= 0)
 127                 continue;
 128             if (tns->direction[w][filt]) {
 129                 inc = -1;
 130                 start = end - 1;
 131             } else {
 132                 inc = 1;
 133             }
 134             start += w * 128;
 135
 136             /* AR filter */
 137             for (m = 0; m < size; m++, start += inc) {
 138                 for (i = 1; i <= FFMIN(m, order); i++) {
 139                     sce->coeffs[start] += lpc[i-1]*sce->pcoeffs[start - i*inc];
 140                 }
 141             }
 142         }
 143     }
 144 }
 145
 146 /*
 147  * c_bits - 1 if 4 bit coefficients, 0 if 3 bit coefficients
 148  */
 149 static inline void quantize_coefs(double *coef, int *idx, float *lpc, int order,
 150                                   int c_bits)
 151 {
 152     int i;
 153     const float *quant_arr = tns_tmp2_map[c_bits];
 154     for (i = 0; i < order; i++) {
 155         idx[i] = quant_array_idx((float)coef[i], quant_arr, c_bits ? 16 : 8);
 156         lpc[i] = quant_arr[idx[i]];
 157     }
 158 }
 159
 160 /*
 161  * 3 bits per coefficient with 8 short windows
 162  */
 163 void ff_aac_search_for_tns(AACEncContext *s, SingleChannelElement *sce)
 164 {
 165     TemporalNoiseShaping *tns = &sce->tns;
 166     double gain, coefs[MAX_LPC_ORDER];
 167     int w, w2, g, count = 0;
 168     const int mmm = FFMIN(sce->ics.tns_max_bands, sce->ics.max_sfb);
 169     const int is8 = sce->ics.window_sequence[0] == EIGHT_SHORT_SEQUENCE;
 170     const int c_bits = is8 ? TNS_Q_BITS_IS8 == 4 : TNS_Q_BITS == 4;
 171     const int slant = sce->ics.window_sequence[0] == LONG_STOP_SEQUENCE  ? 1 :
 172                       sce->ics.window_sequence[0] == LONG_START_SEQUENCE ? 0 : 2;
 173
 174     int sfb_start = av_clip(tns_min_sfb[is8][s->samplerate_index], 0, mmm);
 175     int sfb_end   = av_clip(sce->ics.num_swb, 0, mmm);
 176     int order = is8 ? 5 : s->profile == FF_PROFILE_AAC_LOW ? 12 : TNS_MAX_ORDER;
 177
 178     for (w = 0; w < sce->ics.num_windows; w++) {
 179         float en[2] = {0.0f, 0.0f};
 180         int coef_start = w*sce->ics.num_swb + sce->ics.swb_offset[sfb_start];
 181         int coef_len = sce->ics.swb_offset[sfb_end] - sce->ics.swb_offset[sfb_start];
 182
 183         for (g = 0;  g < sce->ics.num_swb; g++) {
 184             if (w*16+g < sfb_start || w*16+g > sfb_end)
 185                 continue;
 186             for (w2 = 0; w2 < sce->ics.group_len[w]; w2++) {
 187                 FFPsyBand *band = &s->psy.ch[s->cur_channel].psy_bands[(w+w2)*16+g];
 188                 if ((w+w2)*16+g > sfb_start + ((sfb_end - sfb_start)/2))
 189                     en[1] += band->energy;
 190                 else
 191                     en[0] += band->energy;
 192             }
 193         }
 194
 195         if (coef_len <= 0 || (sfb_end - sfb_start) <= 0)
 196             continue;
 197
 198         /* LPC */
 199         gain = ff_lpc_calc_ref_coefs_f(&s->lpc, &sce->coeffs[coef_start],
 200                                        coef_len, order, coefs);
 201
 202         if (!order || gain < TNS_GAIN_THRESHOLD_LOW || gain > TNS_GAIN_THRESHOLD_HIGH)
 203             continue;
 204         if (is8 && (gain < TNS_GAIN_THRESHOLD_LOW_IS8 || gain > TNS_GAIN_THRESHOLD_HIGH_IS8))
 205                 continue;
 206         if (is8 || order < 2) {
 207             tns->n_filt[w] = 1;
 208             for (g = 0; g < tns->n_filt[w]; g++) {
 209                 tns->length[w][g] = sfb_end - sfb_start;
 210                 tns->direction[w][g] = slant != 2 ? slant : en[0] < en[1];
 211                 tns->order[w][g] = order;
 212                 quantize_coefs(coefs, tns->coef_idx[w][g], tns->coef[w][g],
 213                                order, c_bits);
 214             }
 215         } else {  /* 2 filters due to energy disbalance */
 216             tns->n_filt[w] = 2;
 217             for (g = 0; g < tns->n_filt[w]; g++) {
 218                 tns->direction[w][g] = slant != 2 ? slant : en[g] < en[!g];
 219                 tns->order[w][g] = !g ? order/2 : order - tns->order[w][g-1];
 220                 tns->length[w][g] = !g ? (sfb_end - sfb_start)/2 : \
 221                                     (sfb_end - sfb_start) - tns->length[w][g-1];
 222                 quantize_coefs(&coefs[!g ? 0 : order - tns->order[w][g-1]],
 223                                tns->coef_idx[w][g], tns->coef[w][g],
 224                                tns->order[w][g], c_bits);
 225             }
 226         }
 227         count += tns->n_filt[w];
 228     }
 229     sce->tns.present = !!count;
 230 }