Change ec_{enc|dec}_bit_prob to take probabilities in units of 1/65536 instead of...
[opus.git] / libcelt / rangeenc.c
1 /* Copyright (c) 2001-2008 Timothy B. Terriberry
2    Copyright (c) 2008-2009 Xiph.Org Foundation */
3 /*
4    Redistribution and use in source and binary forms, with or without
5    modification, are permitted provided that the following conditions
6    are met:
7
8    - Redistributions of source code must retain the above copyright
9    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
10
11    - Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
12    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
13    documentation and/or other materials provided with the distribution.
14
15    - Neither the name of the Xiph.org Foundation nor the names of its
16    contributors may be used to endorse or promote products derived from
17    this software without specific prior written permission.
18
19    THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
20    ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
21    LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
22    A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE FOUNDATION OR
23    CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL,
24    EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO,
25    PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR
26    PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF
27    LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING
28    NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS
29    SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
30 */
31
32 #ifdef HAVE_CONFIG_H
33 #include "config.h"
34 #endif
35
36 #include "arch.h"
37 #include "entenc.h"
38 #include "mfrngcod.h"
39
40
41
42 /*A range encoder.
43   See rangedec.c and the references for implementation details
44    \cite{Mar79,MNW98}.
45
46   @INPROCEEDINGS{Mar79,
47    author="Martin, G.N.N.",
48    title="Range encoding: an algorithm for removing redundancy from a digitised
49     message",
50    booktitle="Video \& Data Recording Conference",
51    year=1979,
52    address="Southampton",
53    month=Jul
54   }
55   @ARTICLE{MNW98,
56    author="Alistair Moffat and Radford Neal and Ian H. Witten",
57    title="Arithmetic Coding Revisited",
58    journal="{ACM} Transactions on Information Systems",
59    year=1998,
60    volume=16,
61    number=3,
62    pages="256--294",
63    month=Jul,
64    URL="http://www.stanford.edu/class/ee398/handouts/papers/Moffat98ArithmCoding.pdf"
65   }*/
66
67
68
69 /*Outputs a symbol, with a carry bit.
70   If there is a potential to propagate a carry over several symbols, they are
71    buffered until it can be determined whether or not an actual carry will
72    occur.
73   If the counter for the buffered symbols overflows, then the stream becomes
74    undecodable.
75   This gives a theoretical limit of a few billion symbols in a single packet on
76    32-bit systems.
77   The alternative is to truncate the range in order to force a carry, but
78    requires similar carry tracking in the decoder, needlessly slowing it down.*/
79 static void ec_enc_carry_out(ec_enc *_this,int _c){
80   if(_c!=EC_SYM_MAX){
81     /*No further carry propagation possible, flush buffer.*/
82     int carry;
83     carry=_c>>EC_SYM_BITS;
84     /*Don't output a byte on the first write.
85       This compare should be taken care of by branch-prediction thereafter.*/
86     if(_this->rem>=0)ec_byte_write1(_this->buf,_this->rem+carry);
87     if(_this->ext>0){
88       unsigned sym;
89       sym=EC_SYM_MAX+carry&EC_SYM_MAX;
90       do ec_byte_write1(_this->buf,sym);
91       while(--(_this->ext)>0);
92     }
93     _this->rem=_c&EC_SYM_MAX;
94   }
95   else _this->ext++;
96 }
97
98 static inline void ec_enc_normalize(ec_enc *_this){
99   /*If the range is too small, output some bits and rescale it.*/
100   while(_this->rng<=EC_CODE_BOT){
101     ec_enc_carry_out(_this,(int)(_this->low>>EC_CODE_SHIFT));
102     /*Move the next-to-high-order symbol into the high-order position.*/
103     _this->low=_this->low<<EC_SYM_BITS&EC_CODE_TOP-1;
104     _this->rng<<=EC_SYM_BITS;
105   }
106 }
107
108 void ec_enc_init(ec_enc *_this,ec_byte_buffer *_buf){
109   _this->buf=_buf;
110   _this->rem=-1;
111   _this->ext=0;
112   _this->low=0;
113   _this->rng=EC_CODE_TOP;
114   _this->end_byte=0;
115   _this->end_bits_left=8;
116   _this->nb_end_bits=0;
117 }
118
119 void ec_encode(ec_enc *_this,unsigned _fl,unsigned _fh,unsigned _ft){
120   ec_uint32 r;
121   r=_this->rng/_ft;
122   if(_fl>0){
123     _this->low+=_this->rng-IMUL32(r,(_ft-_fl));
124     _this->rng=IMUL32(r,(_fh-_fl));
125   }
126   else _this->rng-=IMUL32(r,(_ft-_fh));
127   ec_enc_normalize(_this);
128 }
129
130 void ec_encode_bin(ec_enc *_this,unsigned _fl,unsigned _fh,unsigned _bits){
131    ec_uint32 r;
132    r=_this->rng>>_bits;
133    if(_fl>0){
134       _this->low+=_this->rng-IMUL32(r,((1<<_bits)-_fl));
135       _this->rng=IMUL32(r,(_fh-_fl));
136    }
137    else _this->rng-=IMUL32(r,((1<<_bits)-_fh));
138    ec_enc_normalize(_this);
139 }
140
141 /*The probability of having a "one" is given in 1/65536.*/
142 void ec_enc_bit_prob(ec_enc *_this,int _val,unsigned _prob){
143    ec_uint32 r;
144    ec_uint32 s;
145    ec_uint32 l;
146    r=_this->rng;
147    l=_this->low;
148    s=(r>>16)*_prob;
149    r-=s;
150    if(_val)_this->low=l+r;
151    _this->rng=_val?s:r;
152    ec_enc_normalize(_this);
153 }
154
155 void ec_encode_raw(ec_enc *_this,unsigned _fl,unsigned _fh,unsigned bits){
156   _this->nb_end_bits += bits;
157   while (bits >= _this->end_bits_left)
158   {
159     _this->end_byte |= (_fl<<(8-_this->end_bits_left)) & 0xff;
160     _fl >>= _this->end_bits_left;
161     ec_byte_write_at_end(_this->buf, _this->end_byte);
162     _this->end_byte = 0;
163     bits -= _this->end_bits_left;
164     _this->end_bits_left = 8;
165   }
166   _this->end_byte |= (_fl<<(8-_this->end_bits_left)) & 0xff;
167   _this->end_bits_left -= bits;
168 }
169
170 long ec_enc_tell(ec_enc *_this,int _b){
171   ec_uint32 r;
172   int       l;
173   long      nbits;
174   nbits=(ec_byte_bytes(_this->buf)+(_this->rem>=0)+_this->ext)*EC_SYM_BITS;
175   /*To handle the non-integral number of bits still left in the encoder state,
176      we compute the number of bits of low that must be encoded to ensure that
177      the value is inside the range for any possible subsequent bits.*/
178   nbits+=EC_CODE_BITS+1+_this->nb_end_bits;
179   nbits<<=_b;
180   l=EC_ILOG(_this->rng);
181   r=_this->rng>>l-16;
182   while(_b-->0){
183     int b;
184     r=r*r>>15;
185     b=(int)(r>>16);
186     l=l<<1|b;
187     r>>=b;
188   }
189   return nbits-l;
190 }
191
192 void ec_enc_done(ec_enc *_this){
193   ec_uint32 msk;
194   ec_uint32 end;
195   int       l;
196   /*We output the minimum number of bits that ensures that the symbols encoded
197      thus far will be decoded correctly regardless of the bits that follow.*/
198   l=EC_CODE_BITS-EC_ILOG(_this->rng);
199   msk=EC_CODE_TOP-1>>l;
200   end=_this->low+msk&~msk;
201   if((end|msk)>=_this->low+_this->rng){
202     l++;
203     msk>>=1;
204     end=_this->low+msk&~msk;
205   }
206   while(l>0){
207     ec_enc_carry_out(_this,(int)(end>>EC_CODE_SHIFT));
208     end=end<<EC_SYM_BITS&EC_CODE_TOP-1;
209     l-=EC_SYM_BITS;
210   }
211   /*If we have a buffered byte flush it into the output buffer.*/
212   if(_this->rem>=0||_this->ext>0){
213     ec_enc_carry_out(_this,0);
214     _this->rem=-1;
215   }
216   {
217     unsigned char *ptr = _this->buf->ptr;
218     while (ptr<= _this->buf->end_ptr)
219       *ptr++ = 0;
220     if (_this->end_bits_left != 8)
221       *_this->buf->end_ptr |= _this->end_byte;
222   }
223 }