git.sesse.net Git - movit/blob - 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 }