Check for SYS/GL during library init. Reason is that
[AROS.git] / workbench / libs / jpeg / structure.txt
blob44e48ca8a63844e99a3a2b0db1aab843afed5f05
1 IJG JPEG LIBRARY:  SYSTEM ARCHITECTURE
3 Copyright (C) 1991-2012, Thomas G. Lane, Guido Vollbeding.
4 This file is part of the Independent JPEG Group's software.
5 For conditions of distribution and use, see the accompanying README file.
8 This file provides an overview of the architecture of the IJG JPEG software;
9 that is, the functions of the various modules in the system and the interfaces
10 between modules.  For more precise details about any data structure or calling
11 convention, see the include files and comments in the source code.
13 We assume that the reader is already somewhat familiar with the JPEG standard.
14 The README file includes references for learning about JPEG.  The file
15 libjpeg.txt describes the library from the viewpoint of an application
16 programmer using the library; it's best to read that file before this one.
17 Also, the file coderules.txt describes the coding style conventions we use.
19 In this document, JPEG-specific terminology follows the JPEG standard:
20   A "component" means a color channel, e.g., Red or Luminance.
21   A "sample" is a single component value (i.e., one number in the image data).
22   A "coefficient" is a frequency coefficient (a DCT transform output number).
23   A "block" is an array of samples or coefficients.
24   An "MCU" (minimum coded unit) is an interleaved set of blocks of size
25         determined by the sampling factors, or a single block in a
26         noninterleaved scan.
27 We do not use the terms "pixel" and "sample" interchangeably.  When we say
28 pixel, we mean an element of the full-size image, while a sample is an element
29 of the downsampled image.  Thus the number of samples may vary across
30 components while the number of pixels does not.  (This terminology is not used
31 rigorously throughout the code, but it is used in places where confusion would
32 otherwise result.)
35 *** System features ***
37 The IJG distribution contains two parts:
38   * A subroutine library for JPEG compression and decompression.
39   * cjpeg/djpeg, two sample applications that use the library to transform
40     JFIF JPEG files to and from several other image formats.
41 cjpeg/djpeg are of no great intellectual complexity: they merely add a simple
42 command-line user interface and I/O routines for several uncompressed image
43 formats.  This document concentrates on the library itself.
45 We desire the library to be capable of supporting all JPEG baseline, extended
46 sequential, and progressive DCT processes.  The library does not support the
47 hierarchical or lossless processes defined in the standard.
49 Within these limits, any set of compression parameters allowed by the JPEG
50 spec should be readable for decompression.  (We can be more restrictive about
51 what formats we can generate.)  Although the system design allows for all
52 parameter values, some uncommon settings are not yet implemented and may
53 never be; nonintegral sampling ratios are the prime example.  Furthermore,
54 we treat 8-bit vs. 12-bit data precision as a compile-time switch, not a
55 run-time option, because most machines can store 8-bit pixels much more
56 compactly than 12-bit.
58 By itself, the library handles only interchange JPEG datastreams --- in
59 particular the widely used JFIF file format.  The library can be used by
60 surrounding code to process interchange or abbreviated JPEG datastreams that
61 are embedded in more complex file formats.  (For example, libtiff uses this
62 library to implement JPEG compression within the TIFF file format.)
64 The library includes a substantial amount of code that is not covered by the
65 JPEG standard but is necessary for typical applications of JPEG.  These
66 functions preprocess the image before JPEG compression or postprocess it after
67 decompression.  They include colorspace conversion, downsampling/upsampling,
68 and color quantization.  This code can be omitted if not needed.
70 A wide range of quality vs. speed tradeoffs are possible in JPEG processing,
71 and even more so in decompression postprocessing.  The decompression library
72 provides multiple implementations that cover most of the useful tradeoffs,
73 ranging from very-high-quality down to fast-preview operation.  On the
74 compression side we have generally not provided low-quality choices, since
75 compression is normally less time-critical.  It should be understood that the
76 low-quality modes may not meet the JPEG standard's accuracy requirements;
77 nonetheless, they are useful for viewers.
80 *** Portability issues ***
82 Portability is an essential requirement for the library.  The key portability
83 issues that show up at the level of system architecture are:
85 1.  Memory usage.  We want the code to be able to run on PC-class machines
86 with limited memory.  Images should therefore be processed sequentially (in
87 strips), to avoid holding the whole image in memory at once.  Where a
88 full-image buffer is necessary, we should be able to use either virtual memory
89 or temporary files.
91 2.  Near/far pointer distinction.  To run efficiently on 80x86 machines, the
92 code should distinguish "small" objects (kept in near data space) from
93 "large" ones (kept in far data space).  This is an annoying restriction, but
94 fortunately it does not impact code quality for less brain-damaged machines,
95 and the source code clutter turns out to be minimal with sufficient use of
96 pointer typedefs.
98 3. Data precision.  We assume that "char" is at least 8 bits, "short" and
99 "int" at least 16, "long" at least 32.  The code will work fine with larger
100 data sizes, although memory may be used inefficiently in some cases.  However,
101 the JPEG compressed datastream must ultimately appear on external storage as a
102 sequence of 8-bit bytes if it is to conform to the standard.  This may pose a
103 problem on machines where char is wider than 8 bits.  The library represents
104 compressed data as an array of values of typedef JOCTET.  If no data type
105 exactly 8 bits wide is available, custom data source and data destination
106 modules must be written to unpack and pack the chosen JOCTET datatype into
107 8-bit external representation.
110 *** System overview ***
112 The compressor and decompressor are each divided into two main sections:
113 the JPEG compressor or decompressor proper, and the preprocessing or
114 postprocessing functions.  The interface between these two sections is the
115 image data that the official JPEG spec regards as its input or output: this
116 data is in the colorspace to be used for compression, and it is downsampled
117 to the sampling factors to be used.  The preprocessing and postprocessing
118 steps are responsible for converting a normal image representation to or from
119 this form.  (Those few applications that want to deal with YCbCr downsampled
120 data can skip the preprocessing or postprocessing step.)
122 Looking more closely, the compressor library contains the following main
123 elements:
125   Preprocessing:
126     * Color space conversion (e.g., RGB to YCbCr).
127     * Edge expansion and downsampling.  Optionally, this step can do simple
128       smoothing --- this is often helpful for low-quality source data.
129   JPEG proper:
130     * MCU assembly, DCT, quantization.
131     * Entropy coding (sequential or progressive, Huffman or arithmetic).
133 In addition to these modules we need overall control, marker generation,
134 and support code (memory management & error handling).  There is also a
135 module responsible for physically writing the output data --- typically
136 this is just an interface to fwrite(), but some applications may need to
137 do something else with the data.
139 The decompressor library contains the following main elements:
141   JPEG proper:
142     * Entropy decoding (sequential or progressive, Huffman or arithmetic).
143     * Dequantization, inverse DCT, MCU disassembly.
144   Postprocessing:
145     * Upsampling.  Optionally, this step may be able to do more general
146       rescaling of the image.
147     * Color space conversion (e.g., YCbCr to RGB).  This step may also
148       provide gamma adjustment [ currently it does not ].
149     * Optional color quantization (e.g., reduction to 256 colors).
150     * Optional color precision reduction (e.g., 24-bit to 15-bit color).
151       [This feature is not currently implemented.]
153 We also need overall control, marker parsing, and a data source module.
154 The support code (memory management & error handling) can be shared with
155 the compression half of the library.
157 There may be several implementations of each of these elements, particularly
158 in the decompressor, where a wide range of speed/quality tradeoffs is very
159 useful.  It must be understood that some of the best speedups involve
160 merging adjacent steps in the pipeline.  For example, upsampling, color space
161 conversion, and color quantization might all be done at once when using a
162 low-quality ordered-dither technique.  The system architecture is designed to
163 allow such merging where appropriate.
166 Note: it is convenient to regard edge expansion (padding to block boundaries)
167 as a preprocessing/postprocessing function, even though the JPEG spec includes
168 it in compression/decompression.  We do this because downsampling/upsampling
169 can be simplified a little if they work on padded data: it's not necessary to
170 have special cases at the right and bottom edges.  Therefore the interface
171 buffer is always an integral number of blocks wide and high, and we expect
172 compression preprocessing to pad the source data properly.  Padding will occur
173 only to the next block (N-sample) boundary.  In an interleaved-scan situation,
174 additional dummy blocks may be used to fill out MCUs, but the MCU assembly and
175 disassembly logic will create or discard these blocks internally.  (This is
176 advantageous for speed reasons, since we avoid DCTing the dummy blocks.
177 It also permits a small reduction in file size, because the compressor can
178 choose dummy block contents so as to minimize their size in compressed form.
179 Finally, it makes the interface buffer specification independent of whether
180 the file is actually interleaved or not.)  Applications that wish to deal
181 directly with the downsampled data must provide similar buffering and padding
182 for odd-sized images.
185 *** Poor man's object-oriented programming ***
187 It should be clear by now that we have a lot of quasi-independent processing
188 steps, many of which have several possible behaviors.  To avoid cluttering the
189 code with lots of switch statements, we use a simple form of object-style
190 programming to separate out the different possibilities.
192 For example, two different color quantization algorithms could be implemented
193 as two separate modules that present the same external interface; at runtime,
194 the calling code will access the proper module indirectly through an "object".
196 We can get the limited features we need while staying within portable C.
197 The basic tool is a function pointer.  An "object" is just a struct
198 containing one or more function pointer fields, each of which corresponds to
199 a method name in real object-oriented languages.  During initialization we
200 fill in the function pointers with references to whichever module we have
201 determined we need to use in this run.  Then invocation of the module is done
202 by indirecting through a function pointer; on most machines this is no more
203 expensive than a switch statement, which would be the only other way of
204 making the required run-time choice.  The really significant benefit, of
205 course, is keeping the source code clean and well structured.
207 We can also arrange to have private storage that varies between different
208 implementations of the same kind of object.  We do this by making all the
209 module-specific object structs be separately allocated entities, which will
210 be accessed via pointers in the master compression or decompression struct.
211 The "public" fields or methods for a given kind of object are specified by
212 a commonly known struct.  But a module's initialization code can allocate
213 a larger struct that contains the common struct as its first member, plus
214 additional private fields.  With appropriate pointer casting, the module's
215 internal functions can access these private fields.  (For a simple example,
216 see jdatadst.c, which implements the external interface specified by struct
217 jpeg_destination_mgr, but adds extra fields.)
219 (Of course this would all be a lot easier if we were using C++, but we are
220 not yet prepared to assume that everyone has a C++ compiler.)
222 An important benefit of this scheme is that it is easy to provide multiple
223 versions of any method, each tuned to a particular case.  While a lot of
224 precalculation might be done to select an optimal implementation of a method,
225 the cost per invocation is constant.  For example, the upsampling step might
226 have a "generic" method, plus one or more "hardwired" methods for the most
227 popular sampling factors; the hardwired methods would be faster because they'd
228 use straight-line code instead of for-loops.  The cost to determine which
229 method to use is paid only once, at startup, and the selection criteria are
230 hidden from the callers of the method.
232 This plan differs a little bit from usual object-oriented structures, in that
233 only one instance of each object class will exist during execution.  The
234 reason for having the class structure is that on different runs we may create
235 different instances (choose to execute different modules).  You can think of
236 the term "method" as denoting the common interface presented by a particular
237 set of interchangeable functions, and "object" as denoting a group of related
238 methods, or the total shared interface behavior of a group of modules.
241 *** Overall control structure ***
243 We previously mentioned the need for overall control logic in the compression
244 and decompression libraries.  In IJG implementations prior to v5, overall
245 control was mostly provided by "pipeline control" modules, which proved to be
246 large, unwieldy, and hard to understand.  To improve the situation, the
247 control logic has been subdivided into multiple modules.  The control modules
248 consist of:
250 1. Master control for module selection and initialization.  This has two
251 responsibilities:
253    1A.  Startup initialization at the beginning of image processing.
254         The individual processing modules to be used in this run are selected
255         and given initialization calls.
257    1B.  Per-pass control.  This determines how many passes will be performed
258         and calls each active processing module to configure itself
259         appropriately at the beginning of each pass.  End-of-pass processing,
260         where necessary, is also invoked from the master control module.
262    Method selection is partially distributed, in that a particular processing
263    module may contain several possible implementations of a particular method,
264    which it will select among when given its initialization call.  The master
265    control code need only be concerned with decisions that affect more than
266    one module.
268 2. Data buffering control.  A separate control module exists for each
269    inter-processing-step data buffer.  This module is responsible for
270    invoking the processing steps that write or read that data buffer.
272 Each buffer controller sees the world as follows:
274 input data => processing step A => buffer => processing step B => output data
275                       |              |               |
276               ------------------ controller ------------------
278 The controller knows the dataflow requirements of steps A and B: how much data
279 they want to accept in one chunk and how much they output in one chunk.  Its
280 function is to manage its buffer and call A and B at the proper times.
282 A data buffer control module may itself be viewed as a processing step by a
283 higher-level control module; thus the control modules form a binary tree with
284 elementary processing steps at the leaves of the tree.
286 The control modules are objects.  A considerable amount of flexibility can
287 be had by replacing implementations of a control module.  For example:
288 * Merging of adjacent steps in the pipeline is done by replacing a control
289   module and its pair of processing-step modules with a single processing-
290   step module.  (Hence the possible merges are determined by the tree of
291   control modules.)
292 * In some processing modes, a given interstep buffer need only be a "strip"
293   buffer large enough to accommodate the desired data chunk sizes.  In other
294   modes, a full-image buffer is needed and several passes are required.
295   The control module determines which kind of buffer is used and manipulates
296   virtual array buffers as needed.  One or both processing steps may be
297   unaware of the multi-pass behavior.
299 In theory, we might be able to make all of the data buffer controllers
300 interchangeable and provide just one set of implementations for all.  In
301 practice, each one contains considerable special-case processing for its
302 particular job.  The buffer controller concept should be regarded as an
303 overall system structuring principle, not as a complete description of the
304 task performed by any one controller.
307 *** Compression object structure ***
309 Here is a sketch of the logical structure of the JPEG compression library:
311                                                  |-- Colorspace conversion
312                   |-- Preprocessing controller --|
313                   |                              |-- Downsampling
314 Main controller --|
315                   |                            |-- Forward DCT, quantize
316                   |-- Coefficient controller --|
317                                                |-- Entropy encoding
319 This sketch also describes the flow of control (subroutine calls) during
320 typical image data processing.  Each of the components shown in the diagram is
321 an "object" which may have several different implementations available.  One
322 or more source code files contain the actual implementation(s) of each object.
324 The objects shown above are:
326 * Main controller: buffer controller for the subsampled-data buffer, which
327   holds the preprocessed input data.  This controller invokes preprocessing to
328   fill the subsampled-data buffer, and JPEG compression to empty it.  There is
329   usually no need for a full-image buffer here; a strip buffer is adequate.
331 * Preprocessing controller: buffer controller for the downsampling input data
332   buffer, which lies between colorspace conversion and downsampling.  Note
333   that a unified conversion/downsampling module would probably replace this
334   controller entirely.
336 * Colorspace conversion: converts application image data into the desired
337   JPEG color space; also changes the data from pixel-interleaved layout to
338   separate component planes.  Processes one pixel row at a time.
340 * Downsampling: performs reduction of chroma components as required.
341   Optionally may perform pixel-level smoothing as well.  Processes a "row
342   group" at a time, where a row group is defined as Vmax pixel rows of each
343   component before downsampling, and Vk sample rows afterwards (remember Vk
344   differs across components).  Some downsampling or smoothing algorithms may
345   require context rows above and below the current row group; the
346   preprocessing controller is responsible for supplying these rows via proper
347   buffering.  The downsampler is responsible for edge expansion at the right
348   edge (i.e., extending each sample row to a multiple of N samples); but the
349   preprocessing controller is responsible for vertical edge expansion (i.e.,
350   duplicating the bottom sample row as needed to make a multiple of N rows).
352 * Coefficient controller: buffer controller for the DCT-coefficient data.
353   This controller handles MCU assembly, including insertion of dummy DCT
354   blocks when needed at the right or bottom edge.  When performing
355   Huffman-code optimization or emitting a multiscan JPEG file, this
356   controller is responsible for buffering the full image.  The equivalent of
357   one fully interleaved MCU row of subsampled data is processed per call,
358   even when the JPEG file is noninterleaved.
360 * Forward DCT and quantization: Perform DCT, quantize, and emit coefficients.
361   Works on one or more DCT blocks at a time.  (Note: the coefficients are now
362   emitted in normal array order, which the entropy encoder is expected to
363   convert to zigzag order as necessary.  Prior versions of the IJG code did
364   the conversion to zigzag order within the quantization step.)
366 * Entropy encoding: Perform Huffman or arithmetic entropy coding and emit the
367   coded data to the data destination module.  Works on one MCU per call.
368   For progressive JPEG, the same DCT blocks are fed to the entropy coder
369   during each pass, and the coder must emit the appropriate subset of
370   coefficients.
372 In addition to the above objects, the compression library includes these
373 objects:
375 * Master control: determines the number of passes required, controls overall
376   and per-pass initialization of the other modules.
378 * Marker writing: generates JPEG markers (except for RSTn, which is emitted
379   by the entropy encoder when needed).
381 * Data destination manager: writes the output JPEG datastream to its final
382   destination (e.g., a file).  The destination manager supplied with the
383   library knows how to write to a stdio stream or to a memory buffer;
384   for other behaviors, the surrounding application may provide its own
385   destination manager.
387 * Memory manager: allocates and releases memory, controls virtual arrays
388   (with backing store management, where required).
390 * Error handler: performs formatting and output of error and trace messages;
391   determines handling of nonfatal errors.  The surrounding application may
392   override some or all of this object's methods to change error handling.
394 * Progress monitor: supports output of "percent-done" progress reports.
395   This object represents an optional callback to the surrounding application:
396   if wanted, it must be supplied by the application.
398 The error handler, destination manager, and progress monitor objects are
399 defined as separate objects in order to simplify application-specific
400 customization of the JPEG library.  A surrounding application may override
401 individual methods or supply its own all-new implementation of one of these
402 objects.  The object interfaces for these objects are therefore treated as
403 part of the application interface of the library, whereas the other objects
404 are internal to the library.
406 The error handler and memory manager are shared by JPEG compression and
407 decompression; the progress monitor, if used, may be shared as well.
410 *** Decompression object structure ***
412 Here is a sketch of the logical structure of the JPEG decompression library:
414                                                |-- Entropy decoding
415                   |-- Coefficient controller --|
416                   |                            |-- Dequantize, Inverse DCT
417 Main controller --|
418                   |                               |-- Upsampling
419                   |-- Postprocessing controller --|   |-- Colorspace conversion
420                                                   |-- Color quantization
421                                                   |-- Color precision reduction
423 As before, this diagram also represents typical control flow.  The objects
424 shown are:
426 * Main controller: buffer controller for the subsampled-data buffer, which
427   holds the output of JPEG decompression proper.  This controller's primary
428   task is to feed the postprocessing procedure.  Some upsampling algorithms
429   may require context rows above and below the current row group; when this
430   is true, the main controller is responsible for managing its buffer so as
431   to make context rows available.  In the current design, the main buffer is
432   always a strip buffer; a full-image buffer is never required.
434 * Coefficient controller: buffer controller for the DCT-coefficient data.
435   This controller handles MCU disassembly, including deletion of any dummy
436   DCT blocks at the right or bottom edge.  When reading a multiscan JPEG
437   file, this controller is responsible for buffering the full image.
438   (Buffering DCT coefficients, rather than samples, is necessary to support
439   progressive JPEG.)  The equivalent of one fully interleaved MCU row of
440   subsampled data is processed per call, even when the source JPEG file is
441   noninterleaved.
443 * Entropy decoding: Read coded data from the data source module and perform
444   Huffman or arithmetic entropy decoding.  Works on one MCU per call.
445   For progressive JPEG decoding, the coefficient controller supplies the prior
446   coefficients of each MCU (initially all zeroes), which the entropy decoder
447   modifies in each scan.
449 * Dequantization and inverse DCT: like it says.  Note that the coefficients
450   buffered by the coefficient controller have NOT been dequantized; we
451   merge dequantization and inverse DCT into a single step for speed reasons.
452   When scaled-down output is asked for, simplified DCT algorithms may be used
453   that need fewer coefficients and emit fewer samples per DCT block, not the
454   full 8x8.  Works on one DCT block at a time.
456 * Postprocessing controller: buffer controller for the color quantization
457   input buffer, when quantization is in use.  (Without quantization, this
458   controller just calls the upsampler.)  For two-pass quantization, this
459   controller is responsible for buffering the full-image data.
461 * Upsampling: restores chroma components to full size.  (May support more
462   general output rescaling, too.  Note that if undersized DCT outputs have
463   been emitted by the DCT module, this module must adjust so that properly
464   sized outputs are created.)  Works on one row group at a time.  This module
465   also calls the color conversion module, so its top level is effectively a
466   buffer controller for the upsampling->color conversion buffer.  However, in
467   all but the highest-quality operating modes, upsampling and color
468   conversion are likely to be merged into a single step.
470 * Colorspace conversion: convert from JPEG color space to output color space,
471   and change data layout from separate component planes to pixel-interleaved.
472   Works on one pixel row at a time.
474 * Color quantization: reduce the data to colormapped form, using either an
475   externally specified colormap or an internally generated one.  This module
476   is not used for full-color output.  Works on one pixel row at a time; may
477   require two passes to generate a color map.  Note that the output will
478   always be a single component representing colormap indexes.  In the current
479   design, the output values are JSAMPLEs, so an 8-bit compilation cannot
480   quantize to more than 256 colors.  This is unlikely to be a problem in
481   practice.
483 * Color reduction: this module handles color precision reduction, e.g.,
484   generating 15-bit color (5 bits/primary) from JPEG's 24-bit output.
485   Not quite clear yet how this should be handled... should we merge it with
486   colorspace conversion???
488 Note that some high-speed operating modes might condense the entire
489 postprocessing sequence to a single module (upsample, color convert, and
490 quantize in one step).
492 In addition to the above objects, the decompression library includes these
493 objects:
495 * Master control: determines the number of passes required, controls overall
496   and per-pass initialization of the other modules.  This is subdivided into
497   input and output control: jdinput.c controls only input-side processing,
498   while jdmaster.c handles overall initialization and output-side control.
500 * Marker reading: decodes JPEG markers (except for RSTn).
502 * Data source manager: supplies the input JPEG datastream.  The source
503   manager supplied with the library knows how to read from a stdio stream
504   or from a memory buffer;  for other behaviors, the surrounding application
505   may provide its own source manager.
507 * Memory manager: same as for compression library.
509 * Error handler: same as for compression library.
511 * Progress monitor: same as for compression library.
513 As with compression, the data source manager, error handler, and progress
514 monitor are candidates for replacement by a surrounding application.
517 *** Decompression input and output separation ***
519 To support efficient incremental display of progressive JPEG files, the
520 decompressor is divided into two sections that can run independently:
522 1. Data input includes marker parsing, entropy decoding, and input into the
523    coefficient controller's DCT coefficient buffer.  Note that this
524    processing is relatively cheap and fast.
526 2. Data output reads from the DCT coefficient buffer and performs the IDCT
527    and all postprocessing steps.
529 For a progressive JPEG file, the data input processing is allowed to get
530 arbitrarily far ahead of the data output processing.  (This occurs only
531 if the application calls jpeg_consume_input(); otherwise input and output
532 run in lockstep, since the input section is called only when the output
533 section needs more data.)  In this way the application can avoid making
534 extra display passes when data is arriving faster than the display pass
535 can run.  Furthermore, it is possible to abort an output pass without
536 losing anything, since the coefficient buffer is read-only as far as the
537 output section is concerned.  See libjpeg.txt for more detail.
539 A full-image coefficient array is only created if the JPEG file has multiple
540 scans (or if the application specifies buffered-image mode anyway).  When
541 reading a single-scan file, the coefficient controller normally creates only
542 a one-MCU buffer, so input and output processing must run in lockstep in this
543 case.  jpeg_consume_input() is effectively a no-op in this situation.
545 The main impact of dividing the decompressor in this fashion is that we must
546 be very careful with shared variables in the cinfo data structure.  Each
547 variable that can change during the course of decompression must be
548 classified as belonging to data input or data output, and each section must
549 look only at its own variables.  For example, the data output section may not
550 depend on any of the variables that describe the current scan in the JPEG
551 file, because these may change as the data input section advances into a new
552 scan.
554 The progress monitor is (somewhat arbitrarily) defined to treat input of the
555 file as one pass when buffered-image mode is not used, and to ignore data
556 input work completely when buffered-image mode is used.  Note that the
557 library has no reliable way to predict the number of passes when dealing
558 with a progressive JPEG file, nor can it predict the number of output passes
559 in buffered-image mode.  So the work estimate is inherently bogus anyway.
561 No comparable division is currently made in the compression library, because
562 there isn't any real need for it.
565 *** Data formats ***
567 Arrays of pixel sample values use the following data structure:
569     typedef something JSAMPLE;          a pixel component value, 0..MAXJSAMPLE
570     typedef JSAMPLE *JSAMPROW;          ptr to a row of samples
571     typedef JSAMPROW *JSAMPARRAY;       ptr to a list of rows
572     typedef JSAMPARRAY *JSAMPIMAGE;     ptr to a list of color-component arrays
574 The basic element type JSAMPLE will typically be one of unsigned char,
575 (signed) char, or short.  Short will be used if samples wider than 8 bits are
576 to be supported (this is a compile-time option).  Otherwise, unsigned char is
577 used if possible.  If the compiler only supports signed chars, then it is
578 necessary to mask off the value when reading.  Thus, all reads of JSAMPLE
579 values must be coded as "GETJSAMPLE(value)", where the macro will be defined
580 as "((value) & 0xFF)" on signed-char machines and "((int) (value))" elsewhere.
582 With these conventions, JSAMPLE values can be assumed to be >= 0.  This helps
583 simplify correct rounding during downsampling, etc.  The JPEG standard's
584 specification that sample values run from -128..127 is accommodated by
585 subtracting 128 from the sample value in the DCT step.  Similarly, during
586 decompression the output of the IDCT step will be immediately shifted back to
587 0..255.  (NB: different values are required when 12-bit samples are in use.
588 The code is written in terms of MAXJSAMPLE and CENTERJSAMPLE, which will be
589 defined as 255 and 128 respectively in an 8-bit implementation, and as 4095
590 and 2048 in a 12-bit implementation.)
592 We use a pointer per row, rather than a two-dimensional JSAMPLE array.  This
593 choice costs only a small amount of memory and has several benefits:
594 * Code using the data structure doesn't need to know the allocated width of
595   the rows.  This simplifies edge expansion/compression, since we can work
596   in an array that's wider than the logical picture width.
597 * Indexing doesn't require multiplication; this is a performance win on many
598   machines.
599 * Arrays with more than 64K total elements can be supported even on machines
600   where malloc() cannot allocate chunks larger than 64K.
601 * The rows forming a component array may be allocated at different times
602   without extra copying.  This trick allows some speedups in smoothing steps
603   that need access to the previous and next rows.
605 Note that each color component is stored in a separate array; we don't use the
606 traditional layout in which the components of a pixel are stored together.
607 This simplifies coding of modules that work on each component independently,
608 because they don't need to know how many components there are.  Furthermore,
609 we can read or write each component to a temporary file independently, which
610 is helpful when dealing with noninterleaved JPEG files.
612 In general, a specific sample value is accessed by code such as
613         GETJSAMPLE(image[colorcomponent][row][col])
614 where col is measured from the image left edge, but row is measured from the
615 first sample row currently in memory.  Either of the first two indexings can
616 be precomputed by copying the relevant pointer.
619 Since most image-processing applications prefer to work on images in which
620 the components of a pixel are stored together, the data passed to or from the
621 surrounding application uses the traditional convention: a single pixel is
622 represented by N consecutive JSAMPLE values, and an image row is an array of
623 (# of color components)*(image width) JSAMPLEs.  One or more rows of data can
624 be represented by a pointer of type JSAMPARRAY in this scheme.  This scheme is
625 converted to component-wise storage inside the JPEG library.  (Applications
626 that want to skip JPEG preprocessing or postprocessing will have to contend
627 with component-wise storage.)
630 Arrays of DCT-coefficient values use the following data structure:
632     typedef short JCOEF;                a 16-bit signed integer
633     typedef JCOEF JBLOCK[DCTSIZE2];     an 8x8 block of coefficients
634     typedef JBLOCK *JBLOCKROW;          ptr to one horizontal row of 8x8 blocks
635     typedef JBLOCKROW *JBLOCKARRAY;     ptr to a list of such rows
636     typedef JBLOCKARRAY *JBLOCKIMAGE;   ptr to a list of color component arrays
638 The underlying type is at least a 16-bit signed integer; while "short" is big
639 enough on all machines of interest, on some machines it is preferable to use
640 "int" for speed reasons, despite the storage cost.  Coefficients are grouped
641 into 8x8 blocks (but we always use #defines DCTSIZE and DCTSIZE2 rather than
642 "8" and "64").
644 The contents of a coefficient block may be in either "natural" or zigzagged
645 order, and may be true values or divided by the quantization coefficients,
646 depending on where the block is in the processing pipeline.  In the current
647 library, coefficient blocks are kept in natural order everywhere; the entropy
648 codecs zigzag or dezigzag the data as it is written or read.  The blocks
649 contain quantized coefficients everywhere outside the DCT/IDCT subsystems.
650 (This latter decision may need to be revisited to support variable
651 quantization a la JPEG Part 3.)
653 Notice that the allocation unit is now a row of 8x8 coefficient blocks,
654 corresponding to N rows of samples.  Otherwise the structure is much the same
655 as for samples, and for the same reasons.
657 On machines where malloc() can't handle a request bigger than 64Kb, this data
658 structure limits us to rows of less than 512 JBLOCKs, or a picture width of
659 4000+ pixels.  This seems an acceptable restriction.
662 On 80x86 machines, the bottom-level pointer types (JSAMPROW and JBLOCKROW)
663 must be declared as "far" pointers, but the upper levels can be "near"
664 (implying that the pointer lists are allocated in the DS segment).
665 We use a #define symbol FAR, which expands to the "far" keyword when
666 compiling on 80x86 machines and to nothing elsewhere.
669 *** Suspendable processing ***
671 In some applications it is desirable to use the JPEG library as an
672 incremental, memory-to-memory filter.  In this situation the data source or
673 destination may be a limited-size buffer, and we can't rely on being able to
674 empty or refill the buffer at arbitrary times.  Instead the application would
675 like to have control return from the library at buffer overflow/underrun, and
676 then resume compression or decompression at a later time.
678 This scenario is supported for simple cases.  (For anything more complex, we
679 recommend that the application "bite the bullet" and develop real multitasking
680 capability.)  The libjpeg.txt file goes into more detail about the usage and
681 limitations of this capability; here we address the implications for library
682 structure.
684 The essence of the problem is that the entropy codec (coder or decoder) must
685 be prepared to stop at arbitrary times.  In turn, the controllers that call
686 the entropy codec must be able to stop before having produced or consumed all
687 the data that they normally would handle in one call.  That part is reasonably
688 straightforward: we make the controller call interfaces include "progress
689 counters" which indicate the number of data chunks successfully processed, and
690 we require callers to test the counter rather than just assume all of the data
691 was processed.
693 Rather than trying to restart at an arbitrary point, the current Huffman
694 codecs are designed to restart at the beginning of the current MCU after a
695 suspension due to buffer overflow/underrun.  At the start of each call, the
696 codec's internal state is loaded from permanent storage (in the JPEG object
697 structures) into local variables.  On successful completion of the MCU, the
698 permanent state is updated.  (This copying is not very expensive, and may even
699 lead to *improved* performance if the local variables can be registerized.)
700 If a suspension occurs, the codec simply returns without updating the state,
701 thus effectively reverting to the start of the MCU.  Note that this implies
702 leaving some data unprocessed in the source/destination buffer (ie, the
703 compressed partial MCU).  The data source/destination module interfaces are
704 specified so as to make this possible.  This also implies that the data buffer
705 must be large enough to hold a worst-case compressed MCU; a couple thousand
706 bytes should be enough.
708 In a successive-approximation AC refinement scan, the progressive Huffman
709 decoder has to be able to undo assignments of newly nonzero coefficients if it
710 suspends before the MCU is complete, since decoding requires distinguishing
711 previously-zero and previously-nonzero coefficients.  This is a bit tedious
712 but probably won't have much effect on performance.  Other variants of Huffman
713 decoding need not worry about this, since they will just store the same values
714 again if forced to repeat the MCU.
716 This approach would probably not work for an arithmetic codec, since its
717 modifiable state is quite large and couldn't be copied cheaply.  Instead it
718 would have to suspend and resume exactly at the point of the buffer end.
720 The JPEG marker reader is designed to cope with suspension at an arbitrary
721 point.  It does so by backing up to the start of the marker parameter segment,
722 so the data buffer must be big enough to hold the largest marker of interest.
723 Again, a couple KB should be adequate.  (A special "skip" convention is used
724 to bypass COM and APPn markers, so these can be larger than the buffer size
725 without causing problems; otherwise a 64K buffer would be needed in the worst
726 case.)
728 The JPEG marker writer currently does *not* cope with suspension.
729 We feel that this is not necessary; it is much easier simply to require
730 the application to ensure there is enough buffer space before starting.  (An
731 empty 2K buffer is more than sufficient for the header markers; and ensuring
732 there are a dozen or two bytes available before calling jpeg_finish_compress()
733 will suffice for the trailer.)  This would not work for writing multi-scan
734 JPEG files, but we simply do not intend to support that capability with
735 suspension.
738 *** Memory manager services ***
740 The JPEG library's memory manager controls allocation and deallocation of
741 memory, and it manages large "virtual" data arrays on machines where the
742 operating system does not provide virtual memory.  Note that the same
743 memory manager serves both compression and decompression operations.
745 In all cases, allocated objects are tied to a particular compression or
746 decompression master record, and they will be released when that master
747 record is destroyed.
749 The memory manager does not provide explicit deallocation of objects.
750 Instead, objects are created in "pools" of free storage, and a whole pool
751 can be freed at once.  This approach helps prevent storage-leak bugs, and
752 it speeds up operations whenever malloc/free are slow (as they often are).
753 The pools can be regarded as lifetime identifiers for objects.  Two
754 pools/lifetimes are defined:
755   * JPOOL_PERMANENT     lasts until master record is destroyed
756   * JPOOL_IMAGE         lasts until done with image (JPEG datastream)
757 Permanent lifetime is used for parameters and tables that should be carried
758 across from one datastream to another; this includes all application-visible
759 parameters.  Image lifetime is used for everything else.  (A third lifetime,
760 JPOOL_PASS = one processing pass, was originally planned.  However it was
761 dropped as not being worthwhile.  The actual usage patterns are such that the
762 peak memory usage would be about the same anyway; and having per-pass storage
763 substantially complicates the virtual memory allocation rules --- see below.)
765 The memory manager deals with three kinds of object:
766 1. "Small" objects.  Typically these require no more than 10K-20K total.
767 2. "Large" objects.  These may require tens to hundreds of K depending on
768    image size.  Semantically they behave the same as small objects, but we
769    distinguish them for two reasons:
770      * On MS-DOS machines, large objects are referenced by FAR pointers,
771        small objects by NEAR pointers.
772      * Pool allocation heuristics may differ for large and small objects.
773    Note that individual "large" objects cannot exceed the size allowed by
774    type size_t, which may be 64K or less on some machines.
775 3. "Virtual" objects.  These are large 2-D arrays of JSAMPLEs or JBLOCKs
776    (typically large enough for the entire image being processed).  The
777    memory manager provides stripwise access to these arrays.  On machines
778    without virtual memory, the rest of the array may be swapped out to a
779    temporary file.
781 (Note: JSAMPARRAY and JBLOCKARRAY data structures are a combination of large
782 objects for the data proper and small objects for the row pointers.  For
783 convenience and speed, the memory manager provides single routines to create
784 these structures.  Similarly, virtual arrays include a small control block
785 and a JSAMPARRAY or JBLOCKARRAY working buffer, all created with one call.)
787 In the present implementation, virtual arrays are only permitted to have image
788 lifespan.  (Permanent lifespan would not be reasonable, and pass lifespan is
789 not very useful since a virtual array's raison d'etre is to store data for
790 multiple passes through the image.)  We also expect that only "small" objects
791 will be given permanent lifespan, though this restriction is not required by
792 the memory manager.
794 In a non-virtual-memory machine, some performance benefit can be gained by
795 making the in-memory buffers for virtual arrays be as large as possible.
796 (For small images, the buffers might fit entirely in memory, so blind
797 swapping would be very wasteful.)  The memory manager will adjust the height
798 of the buffers to fit within a prespecified maximum memory usage.  In order
799 to do this in a reasonably optimal fashion, the manager needs to allocate all
800 of the virtual arrays at once.  Therefore, there isn't a one-step allocation
801 routine for virtual arrays; instead, there is a "request" routine that simply
802 allocates the control block, and a "realize" routine (called just once) that
803 determines space allocation and creates all of the actual buffers.  The
804 realize routine must allow for space occupied by non-virtual large objects.
805 (We don't bother to factor in the space needed for small objects, on the
806 grounds that it isn't worth the trouble.)
808 To support all this, we establish the following protocol for doing business
809 with the memory manager:
810   1. Modules must request virtual arrays (which may have only image lifespan)
811      during the initial setup phase, i.e., in their jinit_xxx routines.
812   2. All "large" objects (including JSAMPARRAYs and JBLOCKARRAYs) must also be
813      allocated during initial setup.
814   3. realize_virt_arrays will be called at the completion of initial setup.
815      The above conventions ensure that sufficient information is available
816      for it to choose a good size for virtual array buffers.
817 Small objects of any lifespan may be allocated at any time.  We expect that
818 the total space used for small objects will be small enough to be negligible
819 in the realize_virt_arrays computation.
821 In a virtual-memory machine, we simply pretend that the available space is
822 infinite, thus causing realize_virt_arrays to decide that it can allocate all
823 the virtual arrays as full-size in-memory buffers.  The overhead of the
824 virtual-array access protocol is very small when no swapping occurs.
826 A virtual array can be specified to be "pre-zeroed"; when this flag is set,
827 never-yet-written sections of the array are set to zero before being made
828 available to the caller.  If this flag is not set, never-written sections
829 of the array contain garbage.  (This feature exists primarily because the
830 equivalent logic would otherwise be needed in jdcoefct.c for progressive
831 JPEG mode; we may as well make it available for possible other uses.)
833 The first write pass on a virtual array is required to occur in top-to-bottom
834 order; read passes, as well as any write passes after the first one, may
835 access the array in any order.  This restriction exists partly to simplify
836 the virtual array control logic, and partly because some file systems may not
837 support seeking beyond the current end-of-file in a temporary file.  The main
838 implication of this restriction is that rearrangement of rows (such as
839 converting top-to-bottom data order to bottom-to-top) must be handled while
840 reading data out of the virtual array, not while putting it in.
843 *** Memory manager internal structure ***
845 To isolate system dependencies as much as possible, we have broken the
846 memory manager into two parts.  There is a reasonably system-independent
847 "front end" (jmemmgr.c) and a "back end" that contains only the code
848 likely to change across systems.  All of the memory management methods
849 outlined above are implemented by the front end.  The back end provides
850 the following routines for use by the front end (none of these routines
851 are known to the rest of the JPEG code):
853 jpeg_mem_init, jpeg_mem_term    system-dependent initialization/shutdown
855 jpeg_get_small, jpeg_free_small interface to malloc and free library routines
856                                 (or their equivalents)
858 jpeg_get_large, jpeg_free_large interface to FAR malloc/free in MSDOS machines;
859                                 else usually the same as
860                                 jpeg_get_small/jpeg_free_small
862 jpeg_mem_available              estimate available memory
864 jpeg_open_backing_store         create a backing-store object
866 read_backing_store,             manipulate a backing-store object
867 write_backing_store,
868 close_backing_store
870 On some systems there will be more than one type of backing-store object
871 (specifically, in MS-DOS a backing store file might be an area of extended
872 memory as well as a disk file).  jpeg_open_backing_store is responsible for
873 choosing how to implement a given object.  The read/write/close routines
874 are method pointers in the structure that describes a given object; this
875 lets them be different for different object types.
877 It may be necessary to ensure that backing store objects are explicitly
878 released upon abnormal program termination.  For example, MS-DOS won't free
879 extended memory by itself.  To support this, we will expect the main program
880 or surrounding application to arrange to call self_destruct (typically via
881 jpeg_destroy) upon abnormal termination.  This may require a SIGINT signal
882 handler or equivalent.  We don't want to have the back end module install its
883 own signal handler, because that would pre-empt the surrounding application's
884 ability to control signal handling.
886 The IJG distribution includes several memory manager back end implementations.
887 Usually the same back end should be suitable for all applications on a given
888 system, but it is possible for an application to supply its own back end at
889 need.
892 *** Implications of DNL marker ***
894 Some JPEG files may use a DNL marker to postpone definition of the image
895 height (this would be useful for a fax-like scanner's output, for instance).
896 In these files the SOF marker claims the image height is 0, and you only
897 find out the true image height at the end of the first scan.
899 We could read these files as follows:
900 1. Upon seeing zero image height, replace it by 65535 (the maximum allowed).
901 2. When the DNL is found, update the image height in the global image
902    descriptor.
903 This implies that control modules must avoid making copies of the image
904 height, and must re-test for termination after each MCU row.  This would
905 be easy enough to do.
907 In cases where image-size data structures are allocated, this approach will
908 result in very inefficient use of virtual memory or much-larger-than-necessary
909 temporary files.  This seems acceptable for something that probably won't be a
910 mainstream usage.  People might have to forgo use of memory-hogging options
911 (such as two-pass color quantization or noninterleaved JPEG files) if they
912 want efficient conversion of such files.  (One could improve efficiency by
913 demanding a user-supplied upper bound for the height, less than 65536; in most
914 cases it could be much less.)
916 The standard also permits the SOF marker to overestimate the image height,
917 with a DNL to give the true, smaller height at the end of the first scan.
918 This would solve the space problems if the overestimate wasn't too great.
919 However, it implies that you don't even know whether DNL will be used.
921 This leads to a couple of very serious objections:
922 1. Testing for a DNL marker must occur in the inner loop of the decompressor's
923    Huffman decoder; this implies a speed penalty whether the feature is used
924    or not.
925 2. There is no way to hide the last-minute change in image height from an
926    application using the decoder.  Thus *every* application using the IJG
927    library would suffer a complexity penalty whether it cared about DNL or
928    not.
929 We currently do not support DNL because of these problems.
931 A different approach is to insist that DNL-using files be preprocessed by a
932 separate program that reads ahead to the DNL, then goes back and fixes the SOF
933 marker.  This is a much simpler solution and is probably far more efficient.
934 Even if one wants piped input, buffering the first scan of the JPEG file needs
935 a lot smaller temp file than is implied by the maximum-height method.  For
936 this approach we'd simply treat DNL as a no-op in the decompressor (at most,
937 check that it matches the SOF image height).
939 We will not worry about making the compressor capable of outputting DNL.
940 Something similar to the first scheme above could be applied if anyone ever
941 wants to make that work.