Remove some unneeded conversions from ResampleEffect. Speeds up texture generation...
[movit] / 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         register_uniform_float("num_repeats", &uniform_num_repeats);
29         register_uniform_sampler2d("support_tex", &uniform_support_tex);
30         glGenTextures(1, &tex);
31 }
32
33 FFTPassEffect::~FFTPassEffect()
34 {
35         glDeleteTextures(1, &tex);
36 }
37
38 string FFTPassEffect::output_fragment_shader()
39 {
40         char buf[256];
41         sprintf(buf, "#define DIRECTION_VERTICAL %d\n", (direction == VERTICAL));
42         return buf + read_file("fft_pass_effect.frag");
43 }
44
45 void FFTPassEffect::set_gl_state(GLuint glsl_program_num, const string &prefix, unsigned *sampler_num)
46 {
47         Effect::set_gl_state(glsl_program_num, prefix, sampler_num);
48
49         // This is needed because it counteracts the precision issues we get
50         // because we sample the input texture with normalized coordinates
51         // (especially when the repeat count along the axis is not a power of
52         // two); we very rapidly end up in narrowly missing a texel center,
53         // which causes precision loss to propagate throughout the FFT.
54         Node *self = chain->find_node_for_effect(this);
55         glActiveTexture(chain->get_input_sampler(self, 0));
56         check_error();
57         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
58         check_error();
59         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
60         check_error();
61
62         // Because of the memory layout (see below) and because we use offsets,
63         // the support texture values for many consecutive values will be
64         // the same. Thus, we can store a smaller texture (giving a small
65         // performance boost) and just sample it with NEAREST. Also, this
66         // counteracts any precision issues we might get from linear
67         // interpolation.
68         glActiveTexture(GL_TEXTURE0 + *sampler_num);
69         check_error();
70         glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, tex);
71         check_error();
72         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
73         check_error();
74         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
75         check_error();
76         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
77         check_error();
78
79         int input_size = (direction == VERTICAL) ? input_height : input_width;
80         if (last_fft_size != fft_size ||
81             last_direction != direction ||
82             last_pass_number != pass_number ||
83             last_inverse != inverse ||
84             last_input_size != input_size) {
85                 generate_support_texture();
86         }
87
88         uniform_support_tex = *sampler_num;
89         ++*sampler_num;
90
91         assert(input_size % fft_size == 0);
92         uniform_num_repeats = input_size / fft_size;
93 }
94
95 void FFTPassEffect::generate_support_texture()
96 {
97         int input_size = (direction == VERTICAL) ? input_height : input_width;
98
99         // The memory layout follows figure 5.2 on page 25 of
100         // http://gpuwave.sesse.net/gpuwave.pdf -- it can be a bit confusing
101         // at first, but is classically explained more or less as follows:
102         //
103         // The classic Cooley-Tukey decimation-in-time FFT algorithm works
104         // by first splitting input data into odd and even elements
105         // (e.g. bit-wise xxxxx0 and xxxxx1 for a size-32 FFT), then FFTing
106         // them separately and combining them using twiddle factors.
107         // So the outer pass (done _last_) looks only at the last bit,
108         // and does one such merge pass of sub-size N/2 (FFT size N).
109         //
110         // FFT of the first part must then necessarily be split into xxxx00 and
111         // xxxx10, and similarly xxxx01 and xxxx11 for the other part. Since
112         // these two FFTs are handled identically, it means we split into xxxx0x
113         // and xxxx1x, so that the second-outer pass (done second-to-last)
114         // looks only at the second last bit, and so on. We do two such merge
115         // passes of sub-size N/4 (sub-FFT size N/2).
116         //
117         // Thus, the inner, Nth pass (done first) splits at the first bit,
118         // so 0 is paired with 16, 1 with 17 and so on, doing N/2 such merge
119         // passes of sub-size 1 (sub-FFT size 2). We say that the stride is 16.
120         // The second-inner, (N-1)th pass (done second) splits at the second
121         // bit, so the stride is 8, and so on.
122
123         assert((fft_size & (fft_size - 1)) == 0);  // Must be power of two.
124         int subfft_size = 1 << pass_number;
125         fp16_int_t *tmp = new fp16_int_t[subfft_size * 4];
126         double mulfac;
127         if (inverse) {
128                 mulfac = 2.0 * M_PI;
129         } else {
130                 mulfac = -2.0 * M_PI;
131         }
132
133         assert((fft_size & (fft_size - 1)) == 0);  // Must be power of two.
134         assert(fft_size % subfft_size == 0);
135         int stride = fft_size / subfft_size;
136         for (int i = 0; i < subfft_size; i++) {
137                 int k = i;
138                 double twiddle_real, twiddle_imag;
139
140                 if (k < subfft_size / 2) {
141                         twiddle_real = cos(mulfac * (k / double(subfft_size)));
142                         twiddle_imag = sin(mulfac * (k / double(subfft_size)));
143                 } else {
144                         // This is mathematically equivalent to the twiddle factor calculations
145                         // in the other branch of the if, but not numerically; the range
146                         // reductions on x87 are not all that precise, and this keeps us within
147                         // [0,pi>.
148                         k -= subfft_size / 2;
149                         twiddle_real = -cos(mulfac * (k / double(subfft_size)));
150                         twiddle_imag = -sin(mulfac * (k / double(subfft_size)));
151                 }
152
153                 // The support texture contains everything we need for the FFT:
154                 // Obviously, the twiddle factor (in the Z and W components), but also
155                 // which two samples to fetch. These are stored as normalized
156                 // X coordinate offsets (Y coordinate for a vertical FFT); the reason
157                 // for using offsets and not direct coordinates as in GPUwave
158                 // is that we can have multiple FFTs along the same line,
159                 // and want to reuse the support texture by repeating it.
160                 int base = k * stride * 2;
161                 int support_texture_index = i;
162                 int src1 = base;
163                 int src2 = base + stride;
164                 double sign = 1.0;
165                 if (direction == FFTPassEffect::VERTICAL) {
166                         // Compensate for OpenGL's bottom-left convention.
167                         support_texture_index = subfft_size - support_texture_index - 1;
168                         sign = -1.0;
169                 }
170                 tmp[support_texture_index * 4 + 0] = fp32_to_fp16(sign * (src1 - i * stride) / double(input_size));
171                 tmp[support_texture_index * 4 + 1] = fp32_to_fp16(sign * (src2 - i * stride) / double(input_size));
172                 tmp[support_texture_index * 4 + 2] = fp32_to_fp16(twiddle_real);
173                 tmp[support_texture_index * 4 + 3] = fp32_to_fp16(twiddle_imag);
174         }
175
176         // Supposedly FFTs are very sensitive to inaccuracies in the twiddle factors,
177         // at least according to a paper by Schatzman (see gpuwave.pdf reference [30]
178         // for the full reference); however, practical testing indicates that it's
179         // not a problem to keep the twiddle factors at 16-bit, at least as long as
180         // we round them properly--it would seem that Schatzman were mainly talking
181         // about poor sin()/cos() approximations. Thus, we store them in 16-bit,
182         // which gives a nice speed boost.
183         //
184         // Note that the source coordinates become somewhat less accurate too, though.
185         glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA16F, subfft_size, 1, 0, GL_RGBA, GL_HALF_FLOAT, tmp);
186         check_error();
187
188         delete[] tmp;
189
190         last_fft_size = fft_size;
191         last_direction = direction;
192         last_pass_number = pass_number;
193         last_inverse = inverse;
194         last_input_size = input_size;
195 }
196
197 }  // namespace movit