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 void check_diff(float *tab1, float *tab2, int n, double scale)
 180 {
 181     int i;
 182     double max= 0;
 183     double error= 0;
 184
 185     for (i = 0; i < n; i++) {
 186         double e= fabsf(tab1[i] - (tab2[i] / scale));
 187         if (e >= 1e-3) {
 188             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "ERROR %d: %f %f\n",
 189                    i, tab1[i], tab2[i]);
 190         }
 191         error+= e*e;
 192         if(e>max) max= e;
 193     }
 194     av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "max:%f e:%g\n", max, sqrt(error)/n);
 195 }
 196
 197
 198 static void help(void)
 199 {
 200     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"usage: fft-test [-h] [-s] [-i] [-n b]\n"
 201            "-h     print this help\n"
 202            "-s     speed test\n"
 203            "-m     (I)MDCT test\n"
 204            "-d     (I)DCT test\n"
 205            "-r     (I)RDFT test\n"
 206            "-i     inverse transform test\n"
 207            "-n b   set the transform size to 2^b\n"
 208            "-f x   set scale factor for output data of (I)MDCT to x\n"
 209            );
 210     exit(1);
 211 }
 212
 213 enum tf_transform {
 214     TRANSFORM_FFT,
 215     TRANSFORM_MDCT,
 216     TRANSFORM_RDFT,
 217     TRANSFORM_DCT,
 218 };
 219
 220 int main(int argc, char **argv)
 221 {
 222     FFTComplex *tab, *tab1, *tab_ref;
 223     FFTSample *tab2;
 224     int it, i, c;
 225     int do_speed = 0;
 226     enum tf_transform transform = TRANSFORM_FFT;
 227     int do_inverse = 0;
 228     FFTContext s1, *s = &s1;
 229     FFTContext m1, *m = &m1;
 230     RDFTContext r1, *r = &r1;
 231     DCTContext d1, *d = &d1;
 232     int fft_nbits, fft_size, fft_size_2;
 233     double scale = 1.0;
 234     AVLFG prng;
 235     av_lfg_init(&prng, 1);
 236
 237     fft_nbits = 9;
 238     for(;;) {
 239         c = getopt(argc, argv, "hsimrdn:f:");
 240         if (c == -1)
 241             break;
 242         switch(c) {
 243         case 'h':
 244             help();
 245             break;
 246         case 's':
 247             do_speed = 1;
 248             break;
 249         case 'i':
 250             do_inverse = 1;
 251             break;
 252         case 'm':
 253             transform = TRANSFORM_MDCT;
 254             break;
 255         case 'r':
 256             transform = TRANSFORM_RDFT;
 257             break;
 258         case 'd':
 259             transform = TRANSFORM_DCT;
 260             break;
 261         case 'n':
 262             fft_nbits = atoi(optarg);
 263             break;
 264         case 'f':
 265             scale = atof(optarg);
 266             break;
 267         }
 268     }
 269
 270     fft_size = 1 << fft_nbits;
 271     fft_size_2 = fft_size >> 1;
 272     tab = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 273     tab1 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 274     tab_ref = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 275     tab2 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTSample));
 276
 277     switch (transform) {
 278     case TRANSFORM_MDCT:
 279         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Scale factor is set to %f\n", scale);
 280         if (do_inverse)
 281             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IMDCT");
 282         else
 283             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"MDCT");
 284         ff_mdct_init(m, fft_nbits, do_inverse, scale);
 285         break;
 286     case TRANSFORM_FFT:
 287         if (do_inverse)
 288             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IFFT");
 289         else
 290             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"FFT");
 291         ff_fft_init(s, fft_nbits, do_inverse);
 292         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 293         break;
 294     case TRANSFORM_RDFT:
 295         if (do_inverse)
 296             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IDFT_C2R");
 297         else
 298             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DFT_R2C");
 299         ff_rdft_init(r, fft_nbits, do_inverse ? IDFT_C2R : DFT_R2C);
 300         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 301         break;
 302     case TRANSFORM_DCT:
 303         if (do_inverse)
 304             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DCT_III");
 305         else
 306             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DCT_II");
 307         ff_dct_init(d, fft_nbits, do_inverse ? DCT_III : DCT_II);
 308         break;
 309     }
 310     av_log(NULL, AV_LOG_INFO," %d test\n", fft_size);
 311
 312     /* generate random data */
 313
 314     for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 315         tab1[i].re = frandom(&prng);
 316         tab1[i].im = frandom(&prng);
 317     }
 318
 319     /* checking result */
 320     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Checking...\n");
 321
 322     switch (transform) {
 323     case TRANSFORM_MDCT:
 324         if (do_inverse) {
 325             imdct_ref((float *)tab_ref, (float *)tab1, fft_nbits);
 326             ff_imdct_calc(m, tab2, (float *)tab1);
 327             check_diff((float *)tab_ref, tab2, fft_size, scale);
 328         } else {
 329             mdct_ref((float *)tab_ref, (float *)tab1, fft_nbits);
 330
 331             ff_mdct_calc(m, tab2, (float *)tab1);
 332
 333             check_diff((float *)tab_ref, tab2, fft_size / 2, scale);
 334         }
 335         break;
 336     case TRANSFORM_FFT:
 337         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 338         ff_fft_permute(s, tab);
 339         ff_fft_calc(s, tab);
 340
 341         fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 342         check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size * 2, 1.0);
 343         break;
 344     case TRANSFORM_RDFT:
 345         if (do_inverse) {
 346             tab1[         0].im = 0;
 347             tab1[fft_size_2].im = 0;
 348             for (i = 1; i < fft_size_2; i++) {
 349                 tab1[fft_size_2+i].re =  tab1[fft_size_2-i].re;
 350                 tab1[fft_size_2+i].im = -tab1[fft_size_2-i].im;
 351             }
 352
 353             memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 354             tab2[1] = tab1[fft_size_2].re;
 355
 356             ff_rdft_calc(r, tab2);
 357             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 358             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 359                 tab[i].re = tab2[i];
 360                 tab[i].im = 0;
 361             }
 362             check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size * 2, 0.5);
 363         } else {
 364             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 365                 tab2[i]    = tab1[i].re;
 366                 tab1[i].im = 0;
 367             }
 368             ff_rdft_calc(r, tab2);
 369             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 370             tab_ref[0].im = tab_ref[fft_size_2].re;
 371             check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab2, fft_size, 1.0);
 372         }
 373         break;
 374     case TRANSFORM_DCT:
 375         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 376         ff_dct_calc(d, tab);
 377         if (do_inverse) {
 378             idct_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 379         } else {
 380             dct_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 381         }
 382         check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size, 1.0);
 383         break;
 384     }
 385
 386     /* do a speed test */
 387
 388     if (do_speed) {
 389         int64_t time_start, duration;
 390         int nb_its;
 391
 392         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Speed test...\n");
 393         /* we measure during about 1 seconds */
 394         nb_its = 1;
 395         for(;;) {
 396             time_start = gettime();
 397             for (it = 0; it < nb_its; it++) {
 398                 switch (transform) {
 399                 case TRANSFORM_MDCT:
 400                     if (do_inverse) {
 401                         ff_imdct_calc(m, (float *)tab, (float *)tab1);
 402                     } else {
 403                         ff_mdct_calc(m, (float *)tab, (float *)tab1);
 404                     }
 405                     break;
 406                 case TRANSFORM_FFT:
 407                     memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 408                     ff_fft_calc(s, tab);
 409                     break;
 410                 case TRANSFORM_RDFT:
 411                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 412                     ff_rdft_calc(r, tab2);
 413                     break;
 414                 case TRANSFORM_DCT:
 415                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 416                     ff_dct_calc(d, tab2);
 417                     break;
 418                 }
 419             }
 420             duration = gettime() - time_start;
 421             if (duration >= 1000000)
 422                 break;
 423             nb_its *= 2;
 424         }
 425         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"time: %0.1f us/transform [total time=%0.2f s its=%d]\n",
 426                (double)duration / nb_its,
 427                (double)duration / 1000000.0,
 428                nb_its);
 429     }
 430
 431     switch (transform) {
 432     case TRANSFORM_MDCT:
 433         ff_mdct_end(m);
 434         break;
 435     case TRANSFORM_FFT:
 436         ff_fft_end(s);
 437         break;
 438     case TRANSFORM_RDFT:
 439         ff_rdft_end(r);
 440         break;
 441     case TRANSFORM_DCT:
 442         ff_dct_end(d);
 443         break;
 444     }
 445     return 0;
 446 }