git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavcodec/fft-test.c

   1 /*
   2  * (c) 2002 Fabrice Bellard
   3  *
   4  * This file is part of Libav.
   5  *
   6  * Libav is free software; you can redistribute it and/or
   7  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   8  * License as published by the Free Software Foundation; either
   9  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  10  *
  11  * Libav is distributed in the hope that it will be useful,
  12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  14  * Lesser General Public License for more details.
  15  *
  16  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  17  * License along with Libav; if not, write to the Free Software
  18  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  19  */
  20
  21 /**
  22  * @file
  23  * FFT and MDCT tests.
  24  */
  25
  26 #include "libavutil/cpu.h"
  27 #include "libavutil/mathematics.h"
  28 #include "libavutil/lfg.h"
  29 #include "libavutil/log.h"
  30 #include "fft.h"
  31 #if CONFIG_FFT_FLOAT
  32 #include "dct.h"
  33 #include "rdft.h"
  34 #endif
  35 #include <math.h>
  36 #include <unistd.h>
  37 #include <sys/time.h>
  38 #include <stdlib.h>
  39 #include <string.h>
  40
  41 /* reference fft */
  42
  43 #define MUL16(a,b) ((a) * (b))
  44
  45 #define CMAC(pre, pim, are, aim, bre, bim) \
  46 {\
  47    pre += (MUL16(are, bre) - MUL16(aim, bim));\
  48    pim += (MUL16(are, bim) + MUL16(bre, aim));\
  49 }
  50
  51 #if CONFIG_FFT_FLOAT
  52 #   define RANGE 1.0
  53 #   define REF_SCALE(x, bits)  (x)
  54 #   define FMT "%10.6f"
  55 #else
  56 #   define RANGE 16384
  57 #   define REF_SCALE(x, bits) ((x) / (1<<(bits)))
  58 #   define FMT "%6d"
  59 #endif
  60
  61 struct {
  62     float re, im;
  63 } *exptab;
  64
  65 static void fft_ref_init(int nbits, int inverse)
  66 {
  67     int n, i;
  68     double c1, s1, alpha;
  69
  70     n = 1 << nbits;
  71     exptab = av_malloc((n / 2) * sizeof(*exptab));
  72
  73     for (i = 0; i < (n/2); i++) {
  74         alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
  75         c1 = cos(alpha);
  76         s1 = sin(alpha);
  77         if (!inverse)
  78             s1 = -s1;
  79         exptab[i].re = c1;
  80         exptab[i].im = s1;
  81     }
  82 }
  83
  84 static void fft_ref(FFTComplex *tabr, FFTComplex *tab, int nbits)
  85 {
  86     int n, i, j, k, n2;
  87     double tmp_re, tmp_im, s, c;
  88     FFTComplex *q;
  89
  90     n = 1 << nbits;
  91     n2 = n >> 1;
  92     for (i = 0; i < n; i++) {
  93         tmp_re = 0;
  94         tmp_im = 0;
  95         q = tab;
  96         for (j = 0; j < n; j++) {
  97             k = (i * j) & (n - 1);
  98             if (k >= n2) {
  99                 c = -exptab[k - n2].re;
 100                 s = -exptab[k - n2].im;
 101             } else {
 102                 c = exptab[k].re;
 103                 s = exptab[k].im;
 104             }
 105             CMAC(tmp_re, tmp_im, c, s, q->re, q->im);
 106             q++;
 107         }
 108         tabr[i].re = REF_SCALE(tmp_re, nbits);
 109         tabr[i].im = REF_SCALE(tmp_im, nbits);
 110     }
 111 }
 112
 113 static void imdct_ref(FFTSample *out, FFTSample *in, int nbits)
 114 {
 115     int n = 1<<nbits;
 116     int k, i, a;
 117     double sum, f;
 118
 119     for (i = 0; i < n; i++) {
 120         sum = 0;
 121         for (k = 0; k < n/2; k++) {
 122             a = (2 * i + 1 + (n / 2)) * (2 * k + 1);
 123             f = cos(M_PI * a / (double)(2 * n));
 124             sum += f * in[k];
 125         }
 126         out[i] = REF_SCALE(-sum, nbits - 2);
 127     }
 128 }
 129
 130 /* NOTE: no normalisation by 1 / N is done */
 131 static void mdct_ref(FFTSample *output, FFTSample *input, int nbits)
 132 {
 133     int n = 1<<nbits;
 134     int k, i;
 135     double a, s;
 136
 137     /* do it by hand */
 138     for (k = 0; k < n/2; k++) {
 139         s = 0;
 140         for (i = 0; i < n; i++) {
 141             a = (2*M_PI*(2*i+1+n/2)*(2*k+1) / (4 * n));
 142             s += input[i] * cos(a);
 143         }
 144         output[k] = REF_SCALE(s, nbits - 1);
 145     }
 146 }
 147
 148 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 149 static void idct_ref(float *output, float *input, int nbits)
 150 {
 151     int n = 1<<nbits;
 152     int k, i;
 153     double a, s;
 154
 155     /* do it by hand */
 156     for (i = 0; i < n; i++) {
 157         s = 0.5 * input[0];
 158         for (k = 1; k < n; k++) {
 159             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 160             s += input[k] * cos(a);
 161         }
 162         output[i] = 2 * s / n;
 163     }
 164 }
 165 static void dct_ref(float *output, float *input, int nbits)
 166 {
 167     int n = 1<<nbits;
 168     int k, i;
 169     double a, s;
 170
 171     /* do it by hand */
 172     for (k = 0; k < n; k++) {
 173         s = 0;
 174         for (i = 0; i < n; i++) {
 175             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 176             s += input[i] * cos(a);
 177         }
 178         output[k] = s;
 179     }
 180 }
 181 #endif
 182
 183
 184 static FFTSample frandom(AVLFG *prng)
 185 {
 186     return (int16_t)av_lfg_get(prng) / 32768.0 * RANGE;
 187 }
 188
 189 static int64_t gettime(void)
 190 {
 191     struct timeval tv;
 192     gettimeofday(&tv,NULL);
 193     return (int64_t)tv.tv_sec * 1000000 + tv.tv_usec;
 194 }
 195
 196 static int check_diff(FFTSample *tab1, FFTSample *tab2, int n, double scale)
 197 {
 198     int i;
 199     double max= 0;
 200     double error= 0;
 201     int err = 0;
 202
 203     for (i = 0; i < n; i++) {
 204         double e = fabsf(tab1[i] - (tab2[i] / scale)) / RANGE;
 205         if (e >= 1e-3) {
 206             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "ERROR %5d: "FMT" "FMT"\n",
 207                    i, tab1[i], tab2[i]);
 208             err = 1;
 209         }
 210         error+= e*e;
 211         if(e>max) max= e;
 212     }
 213     av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "max:%f e:%g\n", max, sqrt(error)/n);
 214     return err;
 215 }
 216
 217
 218 static void help(void)
 219 {
 220     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"usage: fft-test [-h] [-s] [-i] [-n b]\n"
 221            "-h     print this help\n"
 222            "-s     speed test\n"
 223            "-m     (I)MDCT test\n"
 224            "-d     (I)DCT test\n"
 225            "-r     (I)RDFT test\n"
 226            "-i     inverse transform test\n"
 227            "-n b   set the transform size to 2^b\n"
 228            "-f x   set scale factor for output data of (I)MDCT to x\n"
 229            );
 230 }
 231
 232 enum tf_transform {
 233     TRANSFORM_FFT,
 234     TRANSFORM_MDCT,
 235     TRANSFORM_RDFT,
 236     TRANSFORM_DCT,
 237 };
 238
 239 int main(int argc, char **argv)
 240 {
 241     FFTComplex *tab, *tab1, *tab_ref;
 242     FFTSample *tab2;
 243     int it, i, c;
 244     int cpuflags;
 245     int do_speed = 0;
 246     int err = 1;
 247     enum tf_transform transform = TRANSFORM_FFT;
 248     int do_inverse = 0;
 249     FFTContext s1, *s = &s1;
 250     FFTContext m1, *m = &m1;
 251 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 252     RDFTContext r1, *r = &r1;
 253     DCTContext d1, *d = &d1;
 254     int fft_size_2;
 255 #endif
 256     int fft_nbits, fft_size;
 257     double scale = 1.0;
 258     AVLFG prng;
 259     av_lfg_init(&prng, 1);
 260
 261     fft_nbits = 9;
 262     for(;;) {
 263         c = getopt(argc, argv, "hsimrdn:f:c:");
 264         if (c == -1)
 265             break;
 266         switch(c) {
 267         case 'h':
 268             help();
 269             return 1;
 270         case 's':
 271             do_speed = 1;
 272             break;
 273         case 'i':
 274             do_inverse = 1;
 275             break;
 276         case 'm':
 277             transform = TRANSFORM_MDCT;
 278             break;
 279         case 'r':
 280             transform = TRANSFORM_RDFT;
 281             break;
 282         case 'd':
 283             transform = TRANSFORM_DCT;
 284             break;
 285         case 'n':
 286             fft_nbits = atoi(optarg);
 287             break;
 288         case 'f':
 289             scale = atof(optarg);
 290             break;
 291         case 'c':
 292             cpuflags = av_parse_cpu_flags(optarg);
 293             if (cpuflags < 0)
 294                 return 1;
 295             av_set_cpu_flags_mask(cpuflags);
 296             break;
 297         }
 298     }
 299
 300     fft_size = 1 << fft_nbits;
 301     tab = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 302     tab1 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 303     tab_ref = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 304     tab2 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTSample));
 305
 306     switch (transform) {
 307     case TRANSFORM_MDCT:
 308         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Scale factor is set to %f\n", scale);
 309         if (do_inverse)
 310             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IMDCT");
 311         else
 312             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"MDCT");
 313         ff_mdct_init(m, fft_nbits, do_inverse, scale);
 314         break;
 315     case TRANSFORM_FFT:
 316         if (do_inverse)
 317             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IFFT");
 318         else
 319             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"FFT");
 320         ff_fft_init(s, fft_nbits, do_inverse);
 321         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 322         break;
 323 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 324     case TRANSFORM_RDFT:
 325         if (do_inverse)
 326             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IDFT_C2R");
 327         else
 328             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DFT_R2C");
 329         ff_rdft_init(r, fft_nbits, do_inverse ? IDFT_C2R : DFT_R2C);
 330         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 331         break;
 332     case TRANSFORM_DCT:
 333         if (do_inverse)
 334             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DCT_III");
 335         else
 336             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DCT_II");
 337         ff_dct_init(d, fft_nbits, do_inverse ? DCT_III : DCT_II);
 338         break;
 339 #endif
 340     default:
 341         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Requested transform not supported\n");
 342         return 1;
 343     }
 344     av_log(NULL, AV_LOG_INFO," %d test\n", fft_size);
 345
 346     /* generate random data */
 347
 348     for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 349         tab1[i].re = frandom(&prng);
 350         tab1[i].im = frandom(&prng);
 351     }
 352
 353     /* checking result */
 354     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Checking...\n");
 355
 356     switch (transform) {
 357     case TRANSFORM_MDCT:
 358         if (do_inverse) {
 359             imdct_ref((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 360             m->imdct_calc(m, tab2, (FFTSample *)tab1);
 361             err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, tab2, fft_size, scale);
 362         } else {
 363             mdct_ref((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 364
 365             m->mdct_calc(m, tab2, (FFTSample *)tab1);
 366
 367             err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, tab2, fft_size / 2, scale);
 368         }
 369         break;
 370     case TRANSFORM_FFT:
 371         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 372         s->fft_permute(s, tab);
 373         s->fft_calc(s, tab);
 374
 375         fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 376         err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab, fft_size * 2, 1.0);
 377         break;
 378 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 379     case TRANSFORM_RDFT:
 380         fft_size_2 = fft_size >> 1;
 381         if (do_inverse) {
 382             tab1[         0].im = 0;
 383             tab1[fft_size_2].im = 0;
 384             for (i = 1; i < fft_size_2; i++) {
 385                 tab1[fft_size_2+i].re =  tab1[fft_size_2-i].re;
 386                 tab1[fft_size_2+i].im = -tab1[fft_size_2-i].im;
 387             }
 388
 389             memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 390             tab2[1] = tab1[fft_size_2].re;
 391
 392             r->rdft_calc(r, tab2);
 393             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 394             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 395                 tab[i].re = tab2[i];
 396                 tab[i].im = 0;
 397             }
 398             err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size * 2, 0.5);
 399         } else {
 400             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 401                 tab2[i]    = tab1[i].re;
 402                 tab1[i].im = 0;
 403             }
 404             r->rdft_calc(r, tab2);
 405             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 406             tab_ref[0].im = tab_ref[fft_size_2].re;
 407             err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab2, fft_size, 1.0);
 408         }
 409         break;
 410     case TRANSFORM_DCT:
 411         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 412         d->dct_calc(d, tab);
 413         if (do_inverse) {
 414             idct_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 415         } else {
 416             dct_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 417         }
 418         err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size, 1.0);
 419         break;
 420 #endif
 421     }
 422
 423     /* do a speed test */
 424
 425     if (do_speed) {
 426         int64_t time_start, duration;
 427         int nb_its;
 428
 429         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Speed test...\n");
 430         /* we measure during about 1 seconds */
 431         nb_its = 1;
 432         for(;;) {
 433             time_start = gettime();
 434             for (it = 0; it < nb_its; it++) {
 435                 switch (transform) {
 436                 case TRANSFORM_MDCT:
 437                     if (do_inverse) {
 438                         m->imdct_calc(m, (FFTSample *)tab, (FFTSample *)tab1);
 439                     } else {
 440                         m->mdct_calc(m, (FFTSample *)tab, (FFTSample *)tab1);
 441                     }
 442                     break;
 443                 case TRANSFORM_FFT:
 444                     memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 445                     s->fft_calc(s, tab);
 446                     break;
 447 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 448                 case TRANSFORM_RDFT:
 449                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 450                     r->rdft_calc(r, tab2);
 451                     break;
 452                 case TRANSFORM_DCT:
 453                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 454                     d->dct_calc(d, tab2);
 455                     break;
 456 #endif
 457                 }
 458             }
 459             duration = gettime() - time_start;
 460             if (duration >= 1000000)
 461                 break;
 462             nb_its *= 2;
 463         }
 464         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"time: %0.1f us/transform [total time=%0.2f s its=%d]\n",
 465                (double)duration / nb_its,
 466                (double)duration / 1000000.0,
 467                nb_its);
 468     }
 469
 470     switch (transform) {
 471     case TRANSFORM_MDCT:
 472         ff_mdct_end(m);
 473         break;
 474     case TRANSFORM_FFT:
 475         ff_fft_end(s);
 476         break;
 477 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 478     case TRANSFORM_RDFT:
 479         ff_rdft_end(r);
 480         break;
 481     case TRANSFORM_DCT:
 482         ff_dct_end(d);
 483         break;
 484 #endif
 485     }
 486
 487     av_free(tab);
 488     av_free(tab1);
 489     av_free(tab2);
 490     av_free(tab_ref);
 491     av_free(exptab);
 492
 493     return err;
 494 }