git.sesse.net Git - movit/blob - fft_pass_effect.cpp

   1 #include <epoxy/gl.h>
   2 #include <math.h>
   3
   4 #include "effect_chain.h"
   5 #include "effect_util.h"
   6 #include "fp16.h"
   7 #include "fft_pass_effect.h"
   8 #include "util.h"
   9
  10 using namespace std;
  11
  12 namespace movit {
  13
  14 FFTPassEffect::FFTPassEffect()
  15         : input_width(1280),
  16           input_height(720),
  17           direction(HORIZONTAL),
  18           last_fft_size(-1),
  19           last_direction(INVALID),
  20           last_pass_number(-1),
  21           last_inverse(-1),
  22           last_input_size(-1)
  23 {
  24         register_int("fft_size", &fft_size);
  25         register_int("direction", (int *)&direction);
  26         register_int("pass_number", &pass_number);
  27         register_int("inverse", &inverse);
  28         glGenTextures(1, &tex);
  29 }
  30
  31 FFTPassEffect::~FFTPassEffect()
  32 {
  33         glDeleteTextures(1, &tex);
  34 }
  35
  36 string FFTPassEffect::output_fragment_shader()
  37 {
  38         char buf[256];
  39         sprintf(buf, "#define DIRECTION_VERTICAL %d\n", (direction == VERTICAL));
  40         return buf + read_file("fft_pass_effect.frag");
  41 }
  42
  43 void FFTPassEffect::set_gl_state(GLuint glsl_program_num, const string &prefix, unsigned *sampler_num)
  44 {
  45         Effect::set_gl_state(glsl_program_num, prefix, sampler_num);
  46
  47         // This is needed because it counteracts the precision issues we get
  48         // because we sample the input texture with normalized coordinates
  49         // (especially when the repeat count along the axis is not a power of
  50         // two); we very rapidly end up in narrowly missing a texel center,
  51         // which causes precision loss to propagate throughout the FFT.
  52         Node *self = chain->find_node_for_effect(this);
  53         glActiveTexture(chain->get_input_sampler(self, 0));
  54         check_error();
  55         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
  56         check_error();
  57         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
  58         check_error();
  59
  60         // Because of the memory layout (see below) and because we use offsets,
  61         // the support texture values for many consecutive values will be
  62         // the same. Thus, we can store a smaller texture (giving a small
  63         // performance boost) and just sample it with NEAREST. Also, this
  64         // counteracts any precision issues we might get from linear
  65         // interpolation.
  66         glActiveTexture(GL_TEXTURE0 + *sampler_num);
  67         check_error();
  68         glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, tex);
  69         check_error();
  70         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
  71         check_error();
  72         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
  73         check_error();
  74         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
  75         check_error();
  76
  77         int input_size = (direction == VERTICAL) ? input_height : input_width;
  78         if (last_fft_size != fft_size ||
  79             last_direction != direction ||
  80             last_pass_number != pass_number ||
  81             last_inverse != inverse ||
  82             last_input_size != input_size) {
  83                 generate_support_texture();
  84         }
  85
  86         set_uniform_int(glsl_program_num, prefix, "support_tex", *sampler_num);
  87         ++*sampler_num;
  88
  89         assert(input_size % fft_size == 0);
  90         set_uniform_float(glsl_program_num, prefix, "num_repeats", input_size / fft_size);
  91 }
  92
  93 void FFTPassEffect::generate_support_texture()
  94 {
  95         int input_size = (direction == VERTICAL) ? input_height : input_width;
  96
  97         // The memory layout follows figure 5.2 on page 25 of
  98         // http://gpuwave.sesse.net/gpuwave.pdf -- it can be a bit confusing
  99         // at first, but is classically explained more or less as follows:
 100         //
 101         // The classic Cooley-Tukey decimation-in-time FFT algorithm works
 102         // by first splitting input data into odd and even elements
 103         // (e.g. bit-wise xxxxx0 and xxxxx1 for a size-32 FFT), then FFTing
 104         // them separately and combining them using twiddle factors.
 105         // So the outer pass (done _last_) looks only at the last bit,
 106         // and does one such merge pass of sub-size N/2 (FFT size N).
 107         //
 108         // FFT of the first part must then necessarily be split into xxxx00 and
 109         // xxxx10, and similarly xxxx01 and xxxx11 for the other part. Since
 110         // these two FFTs are handled identically, it means we split into xxxx0x
 111         // and xxxx1x, so that the second-outer pass (done second-to-last)
 112         // looks only at the second last bit, and so on. We do two such merge
 113         // passes of sub-size N/4 (sub-FFT size N/2).
 114         //
 115         // Thus, the inner, Nth pass (done first) splits at the first bit,
 116         // so 0 is paired with 16, 1 with 17 and so on, doing N/2 such merge
 117         // passes of sub-size 1 (sub-FFT size 2). We say that the stride is 16.
 118         // The second-inner, (N-1)th pass (done second) splits at the second
 119         // bit, so the stride is 8, and so on.
 120
 121         assert((fft_size & (fft_size - 1)) == 0);  // Must be power of two.
 122         int subfft_size = 1 << pass_number;
 123         fp16_int_t *tmp = new fp16_int_t[subfft_size * 4];
 124         double mulfac;
 125         if (inverse) {
 126                 mulfac = 2.0 * M_PI;
 127         } else {
 128                 mulfac = -2.0 * M_PI;
 129         }
 130
 131         assert((fft_size & (fft_size - 1)) == 0);  // Must be power of two.
 132         assert(fft_size % subfft_size == 0);
 133         int stride = fft_size / subfft_size;
 134         for (int i = 0; i < subfft_size; i++) {
 135                 int k = i;
 136                 double twiddle_real, twiddle_imag;
 137
 138                 if (k < subfft_size / 2) {
 139                         twiddle_real = cos(mulfac * (k / double(subfft_size)));
 140                         twiddle_imag = sin(mulfac * (k / double(subfft_size)));
 141                 } else {
 142                         // This is mathematically equivalent to the twiddle factor calculations
 143                         // in the other branch of the if, but not numerically; the range
 144                         // reductions on x87 are not all that precise, and this keeps us within
 145                         // [0,pi>.
 146                         k -= subfft_size / 2;
 147                         twiddle_real = -cos(mulfac * (k / double(subfft_size)));
 148                         twiddle_imag = -sin(mulfac * (k / double(subfft_size)));
 149                 }
 150
 151                 // The support texture contains everything we need for the FFT:
 152                 // Obviously, the twiddle factor (in the Z and W components), but also
 153                 // which two samples to fetch. These are stored as normalized
 154                 // X coordinate offsets (Y coordinate for a vertical FFT); the reason
 155                 // for using offsets and not direct coordinates as in GPUwave
 156                 // is that we can have multiple FFTs along the same line,
 157                 // and want to reuse the support texture by repeating it.
 158                 int base = k * stride * 2;
 159                 int support_texture_index = i;
 160                 int src1 = base;
 161                 int src2 = base + stride;
 162                 double sign = 1.0;
 163                 if (direction == FFTPassEffect::VERTICAL) {
 164                         // Compensate for OpenGL's bottom-left convention.
 165                         support_texture_index = subfft_size - support_texture_index - 1;
 166                         sign = -1.0;
 167                 }
 168                 tmp[support_texture_index * 4 + 0] = fp64_to_fp16(sign * (src1 - i * stride) / double(input_size));
 169                 tmp[support_texture_index * 4 + 1] = fp64_to_fp16(sign * (src2 - i * stride) / double(input_size));
 170                 tmp[support_texture_index * 4 + 2] = fp64_to_fp16(twiddle_real);
 171                 tmp[support_texture_index * 4 + 3] = fp64_to_fp16(twiddle_imag);
 172         }
 173
 174         // Supposedly FFTs are very sensitive to inaccuracies in the twiddle factors,
 175         // at least according to a paper by Schatzman (see gpuwave.pdf reference [30]
 176         // for the full reference); however, practical testing indicates that it's
 177         // not a problem to keep the twiddle factors at 16-bit, at least as long as
 178         // we round them properly--it would seem that Schatzman were mainly talking
 179         // about poor sin()/cos() approximations. Thus, we store them in 16-bit,
 180         // which gives a nice speed boost.
 181         //
 182         // Note that the source coordinates become somewhat less accurate too, though.
 183         glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA16F, subfft_size, 1, 0, GL_RGBA, GL_HALF_FLOAT, tmp);
 184         check_error();
 185
 186         delete[] tmp;
 187
 188         last_fft_size = fft_size;
 189         last_direction = direction;
 190         last_pass_number = pass_number;
 191         last_inverse = inverse;
 192         last_input_size = input_size;
 193 }
 194
 195 }  // namespace movit