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

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