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

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