Merge branch 'master' of ssh://houllier/home/carl/git/dvdomatic
[dcpomatic.git] / src / lib / ffmpeg_decoder.cc
1 /*
2     Copyright (C) 2012 Carl Hetherington <cth@carlh.net>
3
4     This program is free software; you can redistribute it and/or modify
5     it under the terms of the GNU General Public License as published by
6     the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
7     (at your option) any later version.
8
9     This program is distributed in the hope that it will be useful,
10     but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
11     MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
12     GNU General Public License for more details.
13
14     You should have received a copy of the GNU General Public License
15     along with this program; if not, write to the Free Software
16     Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
17
18 */
19
20 /** @file  src/ffmpeg_decoder.cc
21  *  @brief A decoder using FFmpeg to decode content.
22  */
23
24 #include <stdexcept>
25 #include <vector>
26 #include <sstream>
27 #include <iomanip>
28 #include <iostream>
29 #include <stdint.h>
30 #include <boost/lexical_cast.hpp>
31 extern "C" {
32 #include <tiffio.h>
33 #include <libavcodec/avcodec.h>
34 #include <libavformat/avformat.h>
35 #include <libswscale/swscale.h>
36 #include <libpostproc/postprocess.h>
37 }
38 #include <sndfile.h>
39 #include "film.h"
40 #include "format.h"
41 #include "transcoder.h"
42 #include "job.h"
43 #include "filter.h"
44 #include "options.h"
45 #include "exceptions.h"
46 #include "image.h"
47 #include "util.h"
48 #include "log.h"
49 #include "ffmpeg_decoder.h"
50 #include "filter_graph.h"
51 #include "subtitle.h"
52
53 #include "i18n.h"
54
55 using std::cout;
56 using std::string;
57 using std::vector;
58 using std::stringstream;
59 using std::list;
60 using boost::shared_ptr;
61 using boost::optional;
62 using boost::dynamic_pointer_cast;
63 using libdcp::Size;
64
65 FFmpegDecoder::FFmpegDecoder (shared_ptr<Film> f, DecodeOptions o)
66         : Decoder (f, o)
67         , VideoDecoder (f, o)
68         , AudioDecoder (f, o)
69         , _format_context (0)
70         , _video_stream (-1)
71         , _frame (0)
72         , _video_codec_context (0)
73         , _video_codec (0)
74         , _audio_codec_context (0)
75         , _audio_codec (0)
76         , _subtitle_codec_context (0)
77         , _subtitle_codec (0)
78 {
79         setup_general ();
80         setup_video ();
81         setup_audio ();
82         setup_subtitle ();
83 }
84
85 FFmpegDecoder::~FFmpegDecoder ()
86 {
87         if (_audio_codec_context) {
88                 avcodec_close (_audio_codec_context);
89         }
90         
91         if (_video_codec_context) {
92                 avcodec_close (_video_codec_context);
93         }
94
95         if (_subtitle_codec_context) {
96                 avcodec_close (_subtitle_codec_context);
97         }
98
99         av_free (_frame);
100         
101         avformat_close_input (&_format_context);
102 }       
103
104 void
105 FFmpegDecoder::setup_general ()
106 {
107         av_register_all ();
108
109         if (avformat_open_input (&_format_context, _film->content_path().c_str(), 0, 0) < 0) {
110                 throw OpenFileError (_film->content_path ());
111         }
112
113         if (avformat_find_stream_info (_format_context, 0) < 0) {
114                 throw DecodeError (_("could not find stream information"));
115         }
116
117         /* Find video, audio and subtitle streams and choose the first of each */
118
119         for (uint32_t i = 0; i < _format_context->nb_streams; ++i) {
120                 AVStream* s = _format_context->streams[i];
121                 if (s->codec->codec_type == AVMEDIA_TYPE_VIDEO) {
122                         _video_stream = i;
123                 } else if (s->codec->codec_type == AVMEDIA_TYPE_AUDIO) {
124
125                         /* This is a hack; sometimes it seems that _audio_codec_context->channel_layout isn't set up,
126                            so bodge it here.  No idea why we should have to do this.
127                         */
128
129                         if (s->codec->channel_layout == 0) {
130                                 s->codec->channel_layout = av_get_default_channel_layout (s->codec->channels);
131                         }
132                         
133                         _audio_streams.push_back (
134                                 shared_ptr<AudioStream> (
135                                         new FFmpegAudioStream (stream_name (s), i, s->codec->sample_rate, s->codec->channel_layout)
136                                         )
137                                 );
138                         
139                 } else if (s->codec->codec_type == AVMEDIA_TYPE_SUBTITLE) {
140                         _subtitle_streams.push_back (
141                                 shared_ptr<SubtitleStream> (
142                                         new SubtitleStream (stream_name (s), i)
143                                         )
144                                 );
145                 }
146         }
147
148         if (_video_stream < 0) {
149                 throw DecodeError (N_("could not find video stream"));
150         }
151
152         _frame = avcodec_alloc_frame ();
153         if (_frame == 0) {
154                 throw DecodeError (N_("could not allocate frame"));
155         }
156 }
157
158 void
159 FFmpegDecoder::setup_video ()
160 {
161         _video_codec_context = _format_context->streams[_video_stream]->codec;
162         _video_codec = avcodec_find_decoder (_video_codec_context->codec_id);
163
164         if (_video_codec == 0) {
165                 throw DecodeError (_("could not find video decoder"));
166         }
167
168         if (avcodec_open2 (_video_codec_context, _video_codec, 0) < 0) {
169                 throw DecodeError (N_("could not open video decoder"));
170         }
171 }
172
173 void
174 FFmpegDecoder::setup_audio ()
175 {
176         if (!_audio_stream) {
177                 return;
178         }
179
180         shared_ptr<FFmpegAudioStream> ffa = dynamic_pointer_cast<FFmpegAudioStream> (_audio_stream);
181         assert (ffa);
182         
183         _audio_codec_context = _format_context->streams[ffa->id()]->codec;
184         _audio_codec = avcodec_find_decoder (_audio_codec_context->codec_id);
185
186         if (_audio_codec == 0) {
187                 throw DecodeError (_("could not find audio decoder"));
188         }
189
190         if (avcodec_open2 (_audio_codec_context, _audio_codec, 0) < 0) {
191                 throw DecodeError (N_("could not open audio decoder"));
192         }
193 }
194
195 void
196 FFmpegDecoder::setup_subtitle ()
197 {
198         if (!_subtitle_stream || _subtitle_stream->id() >= int (_format_context->nb_streams)) {
199                 return;
200         }
201
202         _subtitle_codec_context = _format_context->streams[_subtitle_stream->id()]->codec;
203         _subtitle_codec = avcodec_find_decoder (_subtitle_codec_context->codec_id);
204
205         if (_subtitle_codec == 0) {
206                 throw DecodeError (_("could not find subtitle decoder"));
207         }
208         
209         if (avcodec_open2 (_subtitle_codec_context, _subtitle_codec, 0) < 0) {
210                 throw DecodeError (N_("could not open subtitle decoder"));
211         }
212 }
213
214
215 bool
216 FFmpegDecoder::pass ()
217 {
218         int r = av_read_frame (_format_context, &_packet);
219         
220         if (r < 0) {
221                 if (r != AVERROR_EOF) {
222                         /* Maybe we should fail here, but for now we'll just finish off instead */
223                         char buf[256];
224                         av_strerror (r, buf, sizeof(buf));
225                         _film->log()->log (String::compose (N_("error on av_read_frame (%1) (%2)"), buf, r));
226                 }
227
228                 /* Get any remaining frames */
229                 
230                 _packet.data = 0;
231                 _packet.size = 0;
232                 
233                 /* XXX: should we reset _packet.data and size after each *_decode_* call? */
234                 
235                 int frame_finished;
236                 
237                 if (_opt.decode_video) {
238                         while (avcodec_decode_video2 (_video_codec_context, _frame, &frame_finished, &_packet) >= 0 && frame_finished) {
239                                 filter_and_emit_video ();
240                         }
241                 }
242                 
243                 if (_audio_stream && _opt.decode_audio) {
244                         decode_audio_packet ();
245                 }
246                         
247                 return true;
248         }
249
250         avcodec_get_frame_defaults (_frame);
251
252         shared_ptr<FFmpegAudioStream> ffa = dynamic_pointer_cast<FFmpegAudioStream> (_audio_stream);
253
254         if (_packet.stream_index == _video_stream && _opt.decode_video) {
255
256                 int frame_finished;
257                 int const r = avcodec_decode_video2 (_video_codec_context, _frame, &frame_finished, &_packet);
258                 if (r >= 0 && frame_finished) {
259
260                         if (r != _packet.size) {
261                                 _film->log()->log (String::compose (N_("Used only %1 bytes of %2 in packet"), r, _packet.size));
262                         }
263
264                         filter_and_emit_video ();
265                 }
266
267         } else if (ffa && _packet.stream_index == ffa->id() && _opt.decode_audio) {
268                 decode_audio_packet ();
269         } else if (_subtitle_stream && _packet.stream_index == _subtitle_stream->id() && _opt.decode_subtitles) {
270
271                 int got_subtitle;
272                 AVSubtitle sub;
273                 if (avcodec_decode_subtitle2 (_subtitle_codec_context, &sub, &got_subtitle, &_packet) && got_subtitle) {
274                         /* Sometimes we get an empty AVSubtitle, which is used by some codecs to
275                            indicate that the previous subtitle should stop.
276                         */
277                         if (sub.num_rects > 0) {
278                                 shared_ptr<TimedSubtitle> ts;
279                                 try {
280                                         emit_subtitle (shared_ptr<TimedSubtitle> (new TimedSubtitle (sub)));
281                                 } catch (...) {
282                                         /* some problem with the subtitle; we probably didn't understand it */
283                                 }
284                         } else {
285                                 emit_subtitle (shared_ptr<TimedSubtitle> ());
286                         }
287                         avsubtitle_free (&sub);
288                 }
289         }
290         
291         av_free_packet (&_packet);
292         return false;
293 }
294
295 /** @param data pointer to array of pointers to buffers.
296  *  Only the first buffer will be used for non-planar data, otherwise there will be one per channel.
297  */
298 shared_ptr<AudioBuffers>
299 FFmpegDecoder::deinterleave_audio (uint8_t** data, int size)
300 {
301         assert (_film->audio_channels());
302         assert (bytes_per_audio_sample());
303
304         shared_ptr<FFmpegAudioStream> ffa = dynamic_pointer_cast<FFmpegAudioStream> (_audio_stream);
305         assert (ffa);
306         
307         /* Deinterleave and convert to float */
308
309         assert ((size % (bytes_per_audio_sample() * ffa->channels())) == 0);
310
311         int const total_samples = size / bytes_per_audio_sample();
312         int const frames = total_samples / _film->audio_channels();
313         shared_ptr<AudioBuffers> audio (new AudioBuffers (ffa->channels(), frames));
314
315         switch (audio_sample_format()) {
316         case AV_SAMPLE_FMT_S16:
317         {
318                 int16_t* p = reinterpret_cast<int16_t *> (data[0]);
319                 int sample = 0;
320                 int channel = 0;
321                 for (int i = 0; i < total_samples; ++i) {
322                         audio->data(channel)[sample] = float(*p++) / (1 << 15);
323
324                         ++channel;
325                         if (channel == _film->audio_channels()) {
326                                 channel = 0;
327                                 ++sample;
328                         }
329                 }
330         }
331         break;
332
333         case AV_SAMPLE_FMT_S16P:
334         {
335                 int16_t** p = reinterpret_cast<int16_t **> (data);
336                 for (int i = 0; i < _film->audio_channels(); ++i) {
337                         for (int j = 0; j < frames; ++j) {
338                                 audio->data(i)[j] = static_cast<float>(p[i][j]) / (1 << 15);
339                         }
340                 }
341         }
342         break;
343         
344         case AV_SAMPLE_FMT_S32:
345         {
346                 int32_t* p = reinterpret_cast<int32_t *> (data[0]);
347                 int sample = 0;
348                 int channel = 0;
349                 for (int i = 0; i < total_samples; ++i) {
350                         audio->data(channel)[sample] = static_cast<float>(*p++) / (1 << 31);
351
352                         ++channel;
353                         if (channel == _film->audio_channels()) {
354                                 channel = 0;
355                                 ++sample;
356                         }
357                 }
358         }
359         break;
360
361         case AV_SAMPLE_FMT_FLT:
362         {
363                 float* p = reinterpret_cast<float*> (data[0]);
364                 int sample = 0;
365                 int channel = 0;
366                 for (int i = 0; i < total_samples; ++i) {
367                         audio->data(channel)[sample] = *p++;
368
369                         ++channel;
370                         if (channel == _film->audio_channels()) {
371                                 channel = 0;
372                                 ++sample;
373                         }
374                 }
375         }
376         break;
377                 
378         case AV_SAMPLE_FMT_FLTP:
379         {
380                 float** p = reinterpret_cast<float**> (data);
381                 for (int i = 0; i < _film->audio_channels(); ++i) {
382                         memcpy (audio->data(i), p[i], frames * sizeof(float));
383                 }
384         }
385         break;
386
387         default:
388                 throw DecodeError (String::compose (_("Unrecognised audio sample format (%1)"), static_cast<int> (audio_sample_format())));
389         }
390
391         return audio;
392 }
393
394 float
395 FFmpegDecoder::frames_per_second () const
396 {
397         AVStream* s = _format_context->streams[_video_stream];
398
399         if (s->avg_frame_rate.num && s->avg_frame_rate.den) {
400                 return av_q2d (s->avg_frame_rate);
401         }
402
403         return av_q2d (s->r_frame_rate);
404 }
405
406 AVSampleFormat
407 FFmpegDecoder::audio_sample_format () const
408 {
409         if (_audio_codec_context == 0) {
410                 return (AVSampleFormat) 0;
411         }
412         
413         return _audio_codec_context->sample_fmt;
414 }
415
416 libdcp::Size
417 FFmpegDecoder::native_size () const
418 {
419         return libdcp::Size (_video_codec_context->width, _video_codec_context->height);
420 }
421
422 PixelFormat
423 FFmpegDecoder::pixel_format () const
424 {
425         return _video_codec_context->pix_fmt;
426 }
427
428 int
429 FFmpegDecoder::time_base_numerator () const
430 {
431         return _video_codec_context->time_base.num;
432 }
433
434 int
435 FFmpegDecoder::time_base_denominator () const
436 {
437         return _video_codec_context->time_base.den;
438 }
439
440 int
441 FFmpegDecoder::sample_aspect_ratio_numerator () const
442 {
443         return _video_codec_context->sample_aspect_ratio.num;
444 }
445
446 int
447 FFmpegDecoder::sample_aspect_ratio_denominator () const
448 {
449         return _video_codec_context->sample_aspect_ratio.den;
450 }
451
452 string
453 FFmpegDecoder::stream_name (AVStream* s) const
454 {
455         stringstream n;
456
457         if (s->metadata) {
458                 AVDictionaryEntry const * lang = av_dict_get (s->metadata, N_("language"), 0, 0);
459                 if (lang) {
460                         n << lang->value;
461                 }
462                 
463                 AVDictionaryEntry const * title = av_dict_get (s->metadata, N_("title"), 0, 0);
464                 if (title) {
465                         if (!n.str().empty()) {
466                                 n << N_(" ");
467                         }
468                         n << title->value;
469                 }
470         }
471
472         if (n.str().empty()) {
473                 n << N_("unknown");
474         }
475
476         return n.str ();
477 }
478
479 int
480 FFmpegDecoder::bytes_per_audio_sample () const
481 {
482         return av_get_bytes_per_sample (audio_sample_format ());
483 }
484
485 void
486 FFmpegDecoder::set_audio_stream (shared_ptr<AudioStream> s)
487 {
488         AudioDecoder::set_audio_stream (s);
489         setup_audio ();
490 }
491
492 void
493 FFmpegDecoder::set_subtitle_stream (shared_ptr<SubtitleStream> s)
494 {
495         VideoDecoder::set_subtitle_stream (s);
496         setup_subtitle ();
497         OutputChanged ();
498 }
499
500 void
501 FFmpegDecoder::filter_and_emit_video ()
502 {
503         int64_t const bet = av_frame_get_best_effort_timestamp (_frame);
504         if (bet == AV_NOPTS_VALUE) {
505                 _film->log()->log ("Dropping frame without PTS");
506                 return;
507         }
508         
509         shared_ptr<FilterGraph> graph;
510
511         {
512                 boost::mutex::scoped_lock lm (_filter_graphs_mutex);
513                 
514                 list<shared_ptr<FilterGraph> >::iterator i = _filter_graphs.begin();
515                 while (i != _filter_graphs.end() && !(*i)->can_process (libdcp::Size (_frame->width, _frame->height), (AVPixelFormat) _frame->format)) {
516                         ++i;
517                 }
518                 
519                 if (i == _filter_graphs.end ()) {
520                         graph = filter_graph_factory (_film, this, libdcp::Size (_frame->width, _frame->height), (AVPixelFormat) _frame->format);
521                         _filter_graphs.push_back (graph);
522                         _film->log()->log (String::compose (N_("New graph for %1x%2, pixel format %3"), _frame->width, _frame->height, _frame->format));
523                 } else {
524                         graph = *i;
525                 }
526         }
527
528         list<shared_ptr<Image> > images = graph->process (_frame);
529
530         for (list<shared_ptr<Image> >::iterator i = images.begin(); i != images.end(); ++i) {
531                 emit_video (*i, false, bet * av_q2d (_format_context->streams[_video_stream]->time_base));
532         }
533 }
534
535 bool
536 FFmpegDecoder::seek (double p)
537 {
538         return do_seek (p, false, false);
539 }
540
541 bool
542 FFmpegDecoder::seek_to_last ()
543 {
544         /* This AVSEEK_FLAG_BACKWARD in do_seek is a bit of a hack; without it, if we ask for a seek to the same place as last time
545            (used when we change decoder parameters and want to re-fetch the frame) we end up going forwards rather than
546            staying in the same place.
547         */
548         return do_seek (last_source_time(), true, false);
549 }
550
551 void
552 FFmpegDecoder::seek_back ()
553 {
554         do_seek (last_source_time() - 2.5 / frames_per_second (), true, true);
555 }
556
557 void
558 FFmpegDecoder::seek_forward ()
559 {
560         do_seek (last_source_time() - 0.5 / frames_per_second(), true, true);
561 }
562
563 bool
564 FFmpegDecoder::do_seek (double p, bool backwards, bool accurate)
565 {
566         int64_t const vt = p / av_q2d (_format_context->streams[_video_stream]->time_base);
567
568         int const r = av_seek_frame (_format_context, _video_stream, vt, backwards ? AVSEEK_FLAG_BACKWARD : 0);
569
570         avcodec_flush_buffers (_video_codec_context);
571         if (_subtitle_codec_context) {
572                 avcodec_flush_buffers (_subtitle_codec_context);
573         }
574
575         if (accurate) {
576                 while (1) {
577                         int r = av_read_frame (_format_context, &_packet);
578                         if (r < 0) {
579                                 return true;
580                         }
581                         
582                         avcodec_get_frame_defaults (_frame);
583                         
584                         if (_packet.stream_index == _video_stream) {
585                                 int finished = 0;
586                                 int const r = avcodec_decode_video2 (_video_codec_context, _frame, &finished, &_packet);
587                                 if (r >= 0 && finished) {
588                                         int64_t const bet = av_frame_get_best_effort_timestamp (_frame);
589                                         if (bet > vt) {
590                                                 break;
591                                         }
592                                 }
593                         }
594                         
595                         av_free_packet (&_packet);
596                 }
597         }
598                 
599         return r < 0;
600 }
601
602 shared_ptr<FFmpegAudioStream>
603 FFmpegAudioStream::create (string t, optional<int> v)
604 {
605         if (!v) {
606                 /* version < 1; no type in the string, and there's only FFmpeg streams anyway */
607                 return shared_ptr<FFmpegAudioStream> (new FFmpegAudioStream (t, v));
608         }
609
610         stringstream s (t);
611         string type;
612         s >> type;
613         if (type != N_("ffmpeg")) {
614                 return shared_ptr<FFmpegAudioStream> ();
615         }
616
617         return shared_ptr<FFmpegAudioStream> (new FFmpegAudioStream (t, v));
618 }
619
620 FFmpegAudioStream::FFmpegAudioStream (string t, optional<int> version)
621 {
622         stringstream n (t);
623         
624         int name_index = 4;
625         if (!version) {
626                 name_index = 2;
627                 int channels;
628                 n >> _id >> channels;
629                 _channel_layout = av_get_default_channel_layout (channels);
630                 _sample_rate = 0;
631         } else {
632                 string type;
633                 /* Current (marked version 1) */
634                 n >> type >> _id >> _sample_rate >> _channel_layout;
635                 assert (type == N_("ffmpeg"));
636         }
637
638         for (int i = 0; i < name_index; ++i) {
639                 size_t const s = t.find (' ');
640                 if (s != string::npos) {
641                         t = t.substr (s + 1);
642                 }
643         }
644
645         _name = t;
646 }
647
648 string
649 FFmpegAudioStream::to_string () const
650 {
651         return String::compose (N_("ffmpeg %1 %2 %3 %4"), _id, _sample_rate, _channel_layout, _name);
652 }
653
654 void
655 FFmpegDecoder::film_changed (Film::Property p)
656 {
657         switch (p) {
658         case Film::CROP:
659         case Film::FILTERS:
660         {
661                 boost::mutex::scoped_lock lm (_filter_graphs_mutex);
662                 _filter_graphs.clear ();
663         }
664         OutputChanged ();
665         break;
666
667         default:
668                 break;
669         }
670 }
671
672 /** @return Length (in video frames) according to our content's header */
673 SourceFrame
674 FFmpegDecoder::length () const
675 {
676         return (double(_format_context->duration) / AV_TIME_BASE) * frames_per_second();
677 }
678
679 void
680 FFmpegDecoder::decode_audio_packet ()
681 {
682         shared_ptr<FFmpegAudioStream> ffa = dynamic_pointer_cast<FFmpegAudioStream> (_audio_stream);
683         assert (ffa);
684
685         /* Audio packets can contain multiple frames, so we may have to call avcodec_decode_audio4
686            several times.
687         */
688         
689         AVPacket copy_packet = _packet;
690
691         while (copy_packet.size > 0) {
692
693                 int frame_finished;
694                 int const decode_result = avcodec_decode_audio4 (_audio_codec_context, _frame, &frame_finished, &copy_packet);
695                 if (decode_result >= 0) {
696                         if (frame_finished) {
697                         
698                                 /* Where we are in the source, in seconds */
699                                 double const source_pts_seconds = av_q2d (_format_context->streams[copy_packet.stream_index]->time_base)
700                                         * av_frame_get_best_effort_timestamp(_frame);
701                                 
702                                 int const data_size = av_samples_get_buffer_size (
703                                         0, _audio_codec_context->channels, _frame->nb_samples, audio_sample_format (), 1
704                                         );
705                                 
706                                 assert (_audio_codec_context->channels == _film->audio_channels());
707                                 Audio (deinterleave_audio (_frame->data, data_size), source_pts_seconds);
708                         }
709                         
710                         copy_packet.data += decode_result;
711                         copy_packet.size -= decode_result;
712                 }
713         }
714 }