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[movit] / fft_pass_effect.cpp
1 #include <GL/glew.h>
2
3 #include "fft_pass_effect.h"
4 #include "effect_util.h"
5 #include "util.h"
6
7 using namespace std;
8
9 FFTPassEffect::FFTPassEffect()
10         : input_width(1280),
11           input_height(720),
12           direction(HORIZONTAL)
13 {
14         register_int("fft_size", &fft_size);
15         register_int("direction", (int *)&direction);
16         register_int("pass_number", &pass_number);
17         register_int("inverse", &inverse);
18         glGenTextures(1, &tex);
19 }
20
21 FFTPassEffect::~FFTPassEffect()
22 {
23         glDeleteTextures(1, &tex);
24 }
25
26 string FFTPassEffect::output_fragment_shader()
27 {
28         char buf[256];
29         sprintf(buf, "#define DIRECTION_VERTICAL %d\n", (direction == VERTICAL));
30         return buf + read_file("fft_pass_effect.frag");
31 }
32
33 void FFTPassEffect::set_gl_state(GLuint glsl_program_num, const string &prefix, unsigned *sampler_num)
34 {
35         Effect::set_gl_state(glsl_program_num, prefix, sampler_num);
36
37         int input_size = (direction == VERTICAL) ? input_height : input_width;
38
39         // See the comments on changes_output_size() in the .h file to see
40         // why this is legal. It is _needed_ because it counteracts the
41         // precision issues we get because we sample the input texture with
42         // normalized coordinates (especially when the repeat count along
43         // the axis is not a power of two); we very rapidly end up in narrowly
44         // missing a texel center, which causes precision loss to propagate
45         // throughout the FFT.
46         assert(*sampler_num == 1);
47         glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
48         check_error();
49         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
50         check_error();
51         glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
52         check_error();
53
54         // The memory layout follows figure 5.2 on page 25 of
55         // http://gpuwave.sesse.net/gpuwave.pdf -- it can be a bit confusing
56         // at first, but is classically explained more or less as follows:
57         //
58         // The classic Cooley-Tukey decimation-in-time FFT algorithm works
59         // by first splitting input data into odd and even elements
60         // (e.g. bit-wise xxxxx0 and xxxxx1 for a size-32 FFT), then FFTing
61         // them separately and combining them using twiddle factors.
62         // So the outer pass (done _last_) looks only at the last bit,
63         // and does one such merge pass of sub-size N/2 (FFT size N).
64         //
65         // FFT of the first part must then necessarily be split into xxxx00 and
66         // xxxx10, and similarly xxxx01 and xxxx11 for the other part. Since
67         // these two FFTs are handled identically, it means we split into xxxx0x
68         // and xxxx1x, so that the second-outer pass (done second-to-last)
69         // looks only at the second last bit, and so on. We do two such merge
70         // passes of sub-size N/4 (sub-FFT size N/2).
71         //
72         // Thus, the inner, Nth pass (done first) splits at the first bit,
73         // so 0 is paired with 16, 1 with 17 and so on, doing N/2 such merge
74         // passes of sub-size 1 (sub-FFT size 2). We say that the stride is 16.
75         // The second-inner, (N-1)th pass (done second) splits at the second
76         // bit, so the stride is 8, and so on.
77
78         assert((fft_size & (fft_size - 1)) == 0);  // Must be power of two.
79         float *tmp = new float[fft_size * 4];
80         int subfft_size = 1 << pass_number;
81         double mulfac;
82         if (inverse) {
83                 mulfac = 2.0 * M_PI;
84         } else {
85                 mulfac = -2.0 * M_PI;
86         }
87
88         assert((fft_size & (fft_size - 1)) == 0);  // Must be power of two.
89         assert(fft_size % subfft_size == 0);
90         int stride = fft_size / subfft_size;
91         for (int i = 0; i < fft_size; ++i) {
92                 int k = i / stride;         // Element number within this sub-FFT.
93                 int offset = i % stride;    // Sub-FFT number.
94                 double twiddle_real, twiddle_imag;
95
96                 if (k < subfft_size / 2) {
97                         twiddle_real = cos(mulfac * (k / double(subfft_size)));
98                         twiddle_imag = sin(mulfac * (k / double(subfft_size)));
99                 } else {
100                         // This is mathematically equivalent to the twiddle factor calculations
101                         // in the other branch of the if, but not numerically; the range
102                         // reductions on x87 are not all that precise, and this keeps us within
103                         // [0,pi>.
104                         k -= subfft_size / 2;
105                         twiddle_real = -cos(mulfac * (k / double(subfft_size)));
106                         twiddle_imag = -sin(mulfac * (k / double(subfft_size)));
107                 }
108
109                 // The support texture contains everything we need for the FFT:
110                 // Obviously, the twiddle factor (in the Z and W components), but also
111                 // which two samples to fetch. These are stored as normalized
112                 // X coordinate offsets (Y coordinate for a vertical FFT); the reason
113                 // for using offsets and not direct coordinates as in GPUwave
114                 // is that we can have multiple FFTs along the same line,
115                 // and want to reuse the support texture by repeating it.
116                 int base = k * stride * 2 + offset;
117                 int support_texture_index;
118                 if (direction == FFTPassEffect::VERTICAL) {
119                         // Compensate for OpenGL's bottom-left convention.
120                         support_texture_index = fft_size - i - 1;
121                 } else {
122                         support_texture_index = i;
123                 }
124                 tmp[support_texture_index * 4 + 0] = (base - support_texture_index) / double(input_size);
125                 tmp[support_texture_index * 4 + 1] = (base + stride - support_texture_index) / double(input_size);
126                 tmp[support_texture_index * 4 + 2] = twiddle_real;
127                 tmp[support_texture_index * 4 + 3] = twiddle_imag;
128         }
129
130         glActiveTexture(GL_TEXTURE0 + *sampler_num);
131         check_error();
132         glBindTexture(GL_TEXTURE_1D, tex);
133         check_error();
134         glTexParameteri(GL_TEXTURE_1D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
135         check_error();
136         glTexParameteri(GL_TEXTURE_1D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
137         check_error();
138         glTexParameteri(GL_TEXTURE_1D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
139         check_error();
140
141         // Supposedly FFTs are very sensitive to inaccuracies in the twiddle factors,
142         // at least according to a paper by Schatzman (see gpuwave.pdf reference [30]
143         // for the full reference), so we keep them at 32-bit. However, for
144         // small sizes, all components are exact anyway, so we can cheat there
145         // (although noting that the source coordinates become somewhat less
146         // accurate then, too).
147         glTexImage1D(GL_TEXTURE_1D, 0, (subfft_size <= 4) ? GL_RGBA16F : GL_RGBA32F, fft_size, 0, GL_RGBA, GL_FLOAT, tmp);
148         check_error();
149
150         delete[] tmp;
151
152         set_uniform_int(glsl_program_num, prefix, "support_tex", *sampler_num);
153         ++*sampler_num;
154
155         assert(input_size % fft_size == 0);
156         set_uniform_float(glsl_program_num, prefix, "num_repeats", input_size / fft_size);
157 }