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 "config.h"
  27
  28 #include <math.h>
  29 #if HAVE_UNISTD_H
  30 #include <unistd.h>
  31 #endif
  32 #include <stdio.h>
  33 #include <stdlib.h>
  34 #include <string.h>
  35
  36 #include "libavutil/cpu.h"
  37 #include "libavutil/lfg.h"
  38 #include "libavutil/log.h"
  39 #include "libavutil/mathematics.h"
  40 #include "libavutil/time.h"
  41
  42 #include "fft.h"
  43 #if FFT_FLOAT
  44 #include "dct.h"
  45 #include "rdft.h"
  46 #endif
  47
  48 /* reference fft */
  49
  50 #define MUL16(a, b) ((a) * (b))
  51
  52 #define CMAC(pre, pim, are, aim, bre, bim)          \
  53     {                                               \
  54         pre += (MUL16(are, bre) - MUL16(aim, bim)); \
  55         pim += (MUL16(are, bim) + MUL16(bre, aim)); \
  56     }
  57
  58 #if FFT_FLOAT
  59 #define RANGE 1.0
  60 #define REF_SCALE(x, bits)  (x)
  61 #define FMT "%10.6f"
  62 #elif FFT_FIXED_32
  63 #define RANGE 8388608
  64 #define REF_SCALE(x, bits) (x)
  65 #define FMT "%6d"
  66 #else
  67 #define RANGE 16384
  68 #define REF_SCALE(x, bits) ((x) / (1 << (bits)))
  69 #define FMT "%6d"
  70 #endif
  71
  72 static struct {
  73     float re, im;
  74 } *exptab;
  75
  76 static int fft_ref_init(int nbits, int inverse)
  77 {
  78     int i, n = 1 << nbits;
  79
  80     exptab = av_malloc_array((n / 2), sizeof(*exptab));
  81     if (!exptab)
  82         return AVERROR(ENOMEM);
  83
  84     for (i = 0; i < (n / 2); i++) {
  85         double alpha = 2 * M_PI * (float) i / (float) n;
  86         double c1 = cos(alpha), s1 = sin(alpha);
  87         if (!inverse)
  88             s1 = -s1;
  89         exptab[i].re = c1;
  90         exptab[i].im = s1;
  91     }
  92     return 0;
  93 }
  94
  95 static void fft_ref(FFTComplex *tabr, FFTComplex *tab, int nbits)
  96 {
  97     int i, j;
  98     int n  = 1 << nbits;
  99     int n2 = n >> 1;
 100
 101     for (i = 0; i < n; i++) {
 102         double tmp_re = 0, tmp_im = 0;
 103         FFTComplex *q = tab;
 104         for (j = 0; j < n; j++) {
 105             double s, c;
 106             int k = (i * j) & (n - 1);
 107             if (k >= n2) {
 108                 c = -exptab[k - n2].re;
 109                 s = -exptab[k - n2].im;
 110             } else {
 111                 c = exptab[k].re;
 112                 s = exptab[k].im;
 113             }
 114             CMAC(tmp_re, tmp_im, c, s, q->re, q->im);
 115             q++;
 116         }
 117         tabr[i].re = REF_SCALE(tmp_re, nbits);
 118         tabr[i].im = REF_SCALE(tmp_im, nbits);
 119     }
 120 }
 121
 122 #if CONFIG_MDCT
 123 static void imdct_ref(FFTSample *out, FFTSample *in, int nbits)
 124 {
 125     int i, k, n = 1 << nbits;
 126
 127     for (i = 0; i < n; i++) {
 128         double sum = 0;
 129         for (k = 0; k < n / 2; k++) {
 130             int a = (2 * i + 1 + (n / 2)) * (2 * k + 1);
 131             double f = cos(M_PI * a / (double) (2 * n));
 132             sum += f * in[k];
 133         }
 134         out[i] = REF_SCALE(-sum, nbits - 2);
 135     }
 136 }
 137
 138 /* NOTE: no normalisation by 1 / N is done */
 139 static void mdct_ref(FFTSample *output, FFTSample *input, int nbits)
 140 {
 141     int i, k, n = 1 << nbits;
 142
 143     /* do it by hand */
 144     for (k = 0; k < n / 2; k++) {
 145         double s = 0;
 146         for (i = 0; i < n; i++) {
 147             double a = (2 * M_PI * (2 * i + 1 + n / 2) * (2 * k + 1) / (4 * n));
 148             s += input[i] * cos(a);
 149         }
 150         output[k] = REF_SCALE(s, nbits - 1);
 151     }
 152 }
 153 #endif /* CONFIG_MDCT */
 154
 155 #if FFT_FLOAT
 156 #if CONFIG_DCT
 157 static void idct_ref(FFTSample *output, FFTSample *input, int nbits)
 158 {
 159     int i, k, n = 1 << nbits;
 160
 161     /* do it by hand */
 162     for (i = 0; i < n; i++) {
 163         double s = 0.5 * input[0];
 164         for (k = 1; k < n; k++) {
 165             double a = M_PI * k * (i + 0.5) / n;
 166             s += input[k] * cos(a);
 167         }
 168         output[i] = 2 * s / n;
 169     }
 170 }
 171
 172 static void dct_ref(FFTSample *output, FFTSample *input, int nbits)
 173 {
 174     int i, k, n = 1 << nbits;
 175
 176     /* do it by hand */
 177     for (k = 0; k < n; k++) {
 178         double s = 0;
 179         for (i = 0; i < n; i++) {
 180             double a = M_PI * k * (i + 0.5) / n;
 181             s += input[i] * cos(a);
 182         }
 183         output[k] = s;
 184     }
 185 }
 186 #endif /* CONFIG_DCT */
 187 #endif /* FFT_FLOAT */
 188
 189 static FFTSample frandom(AVLFG *prng)
 190 {
 191     return (int16_t) av_lfg_get(prng) / 32768.0 * RANGE;
 192 }
 193
 194 static int check_diff(FFTSample *tab1, FFTSample *tab2, int n, double scale)
 195 {
 196     int i, err = 0;
 197     double error = 0, max = 0;
 198
 199     for (i = 0; i < n; i++) {
 200         double e = fabsf(tab1[i] - (tab2[i] / scale)) / RANGE;
 201         if (e >= 1e-3) {
 202             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "ERROR %5d: "FMT" "FMT"\n",
 203                    i, tab1[i], tab2[i]);
 204             err = 1;
 205         }
 206         error += e * e;
 207         if (e > max)
 208             max = e;
 209     }
 210     av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "max:%f e:%g\n", max, sqrt(error / n));
 211     return err;
 212 }
 213
 214 static void help(void)
 215 {
 216     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,
 217            "usage: fft-test [-h] [-s] [-i] [-n b]\n"
 218            "-h     print this help\n"
 219            "-s     speed test\n"
 220            "-m     (I)MDCT test\n"
 221            "-d     (I)DCT test\n"
 222            "-r     (I)RDFT test\n"
 223            "-i     inverse transform test\n"
 224            "-n b   set the transform size to 2^b\n"
 225            "-f x   set scale factor for output data of (I)MDCT to x\n");
 226 }
 227
 228 enum tf_transform {
 229     TRANSFORM_FFT,
 230     TRANSFORM_MDCT,
 231     TRANSFORM_RDFT,
 232     TRANSFORM_DCT,
 233 };
 234
 235 #if !HAVE_GETOPT
 236 #include "compat/getopt.c"
 237 #endif
 238
 239 int main(int argc, char **argv)
 240 {
 241     FFTComplex *tab, *tab1, *tab_ref;
 242     FFTSample *tab2;
 243     enum tf_transform transform = TRANSFORM_FFT;
 244     FFTContext m, s;
 245 #if FFT_FLOAT
 246     RDFTContext r;
 247     DCTContext d;
 248 #endif /* FFT_FLOAT */
 249     int it, i, err = 1;
 250     int do_speed = 0, do_inverse = 0;
 251     int fft_nbits = 9, fft_size;
 252     double scale = 1.0;
 253     AVLFG prng;
 254
 255     av_lfg_init(&prng, 1);
 256
 257     for (;;) {
 258         int c = getopt(argc, argv, "hsimrdn:f:c:");
 259         if (c == -1)
 260             break;
 261         switch (c) {
 262         case 'h':
 263             help();
 264             return 1;
 265         case 's':
 266             do_speed = 1;
 267             break;
 268         case 'i':
 269             do_inverse = 1;
 270             break;
 271         case 'm':
 272             transform = TRANSFORM_MDCT;
 273             break;
 274         case 'r':
 275             transform = TRANSFORM_RDFT;
 276             break;
 277         case 'd':
 278             transform = TRANSFORM_DCT;
 279             break;
 280         case 'n':
 281             fft_nbits = atoi(optarg);
 282             break;
 283         case 'f':
 284             scale = atof(optarg);
 285             break;
 286         case 'c':
 287         {
 288             int cpuflags = av_get_cpu_flags();
 289
 290             if (av_parse_cpu_caps(&cpuflags, optarg) < 0)
 291                 return 1;
 292
 293             av_force_cpu_flags(cpuflags);
 294             break;
 295         }
 296         }
 297     }
 298
 299     fft_size = 1 << fft_nbits;
 300     tab      = av_malloc_array(fft_size, sizeof(FFTComplex));
 301     tab1     = av_malloc_array(fft_size, sizeof(FFTComplex));
 302     tab_ref  = av_malloc_array(fft_size, sizeof(FFTComplex));
 303     tab2     = av_malloc_array(fft_size, sizeof(FFTSample));
 304
 305     if (!(tab && tab1 && tab_ref && tab2))
 306         goto cleanup;
 307
 308     switch (transform) {
 309 #if CONFIG_MDCT
 310     case TRANSFORM_MDCT:
 311         av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "Scale factor is set to %f\n", scale);
 312         if (do_inverse)
 313             av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "IMDCT");
 314         else
 315             av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "MDCT");
 316         ff_mdct_init(&m, fft_nbits, do_inverse, scale);
 317         break;
 318 #endif /* CONFIG_MDCT */
 319     case TRANSFORM_FFT:
 320         if (do_inverse)
 321             av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "IFFT");
 322         else
 323             av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "FFT");
 324         ff_fft_init(&s, fft_nbits, do_inverse);
 325         if ((err = fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse)) < 0)
 326             goto cleanup;
 327         break;
 328 #if FFT_FLOAT
 329 #    if CONFIG_RDFT
 330     case TRANSFORM_RDFT:
 331         if (do_inverse)
 332             av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "IDFT_C2R");
 333         else
 334             av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "DFT_R2C");
 335         ff_rdft_init(&r, fft_nbits, do_inverse ? IDFT_C2R : DFT_R2C);
 336         if ((err = fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse)) < 0)
 337             goto cleanup;
 338         break;
 339 #    endif /* CONFIG_RDFT */
 340 #    if CONFIG_DCT
 341     case TRANSFORM_DCT:
 342         if (do_inverse)
 343             av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "DCT_III");
 344         else
 345             av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "DCT_II");
 346         ff_dct_init(&d, fft_nbits, do_inverse ? DCT_III : DCT_II);
 347         break;
 348 #    endif /* CONFIG_DCT */
 349 #endif /* FFT_FLOAT */
 350     default:
 351         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Requested transform not supported\n");
 352         goto cleanup;
 353     }
 354     av_log(NULL, AV_LOG_INFO, " %d test\n", fft_size);
 355
 356     /* generate random data */
 357
 358     for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 359         tab1[i].re = frandom(&prng);
 360         tab1[i].im = frandom(&prng);
 361     }
 362
 363     /* checking result */
 364     av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "Checking...\n");
 365
 366     switch (transform) {
 367 #if CONFIG_MDCT
 368     case TRANSFORM_MDCT:
 369         if (do_inverse) {
 370             imdct_ref(&tab_ref->re, &tab1->re, fft_nbits);
 371             m.imdct_calc(&m, tab2, &tab1->re);
 372             err = check_diff(&tab_ref->re, tab2, fft_size, scale);
 373         } else {
 374             mdct_ref(&tab_ref->re, &tab1->re, fft_nbits);
 375             m.mdct_calc(&m, tab2, &tab1->re);
 376             err = check_diff(&tab_ref->re, tab2, fft_size / 2, scale);
 377         }
 378         break;
 379 #endif /* CONFIG_MDCT */
 380     case TRANSFORM_FFT:
 381         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 382         s.fft_permute(&s, tab);
 383         s.fft_calc(&s, tab);
 384
 385         fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 386         err = check_diff(&tab_ref->re, &tab->re, fft_size * 2, 1.0);
 387         break;
 388 #if FFT_FLOAT
 389 #if CONFIG_RDFT
 390     case TRANSFORM_RDFT:
 391     {
 392         int fft_size_2 = fft_size >> 1;
 393         if (do_inverse) {
 394             tab1[0].im          = 0;
 395             tab1[fft_size_2].im = 0;
 396             for (i = 1; i < fft_size_2; i++) {
 397                 tab1[fft_size_2 + i].re =  tab1[fft_size_2 - i].re;
 398                 tab1[fft_size_2 + i].im = -tab1[fft_size_2 - i].im;
 399             }
 400
 401             memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 402             tab2[1] = tab1[fft_size_2].re;
 403
 404             r.rdft_calc(&r, tab2);
 405             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 406             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 407                 tab[i].re = tab2[i];
 408                 tab[i].im = 0;
 409             }
 410             err = check_diff(&tab_ref->re, &tab->re, fft_size * 2, 0.5);
 411         } else {
 412             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 413                 tab2[i]    = tab1[i].re;
 414                 tab1[i].im = 0;
 415             }
 416             r.rdft_calc(&r, tab2);
 417             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 418             tab_ref[0].im = tab_ref[fft_size_2].re;
 419             err = check_diff(&tab_ref->re, tab2, fft_size, 1.0);
 420         }
 421         break;
 422     }
 423 #endif /* CONFIG_RDFT */
 424 #if CONFIG_DCT
 425     case TRANSFORM_DCT:
 426         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 427         d.dct_calc(&d, &tab->re);
 428         if (do_inverse)
 429             idct_ref(&tab_ref->re, &tab1->re, fft_nbits);
 430         else
 431             dct_ref(&tab_ref->re, &tab1->re, fft_nbits);
 432         err = check_diff(&tab_ref->re, &tab->re, fft_size, 1.0);
 433         break;
 434 #endif /* CONFIG_DCT */
 435 #endif /* FFT_FLOAT */
 436     }
 437
 438     /* do a speed test */
 439
 440     if (do_speed) {
 441         int64_t time_start, duration;
 442         int nb_its;
 443
 444         av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "Speed test...\n");
 445         /* we measure during about 1 seconds */
 446         nb_its = 1;
 447         for (;;) {
 448             time_start = av_gettime_relative();
 449             for (it = 0; it < nb_its; it++) {
 450                 switch (transform) {
 451                 case TRANSFORM_MDCT:
 452                     if (do_inverse)
 453                         m.imdct_calc(&m, &tab->re, &tab1->re);
 454                     else
 455                         m.mdct_calc(&m, &tab->re, &tab1->re);
 456                     break;
 457                 case TRANSFORM_FFT:
 458                     memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 459                     s.fft_calc(&s, tab);
 460                     break;
 461 #if FFT_FLOAT
 462                 case TRANSFORM_RDFT:
 463                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 464                     r.rdft_calc(&r, tab2);
 465                     break;
 466                 case TRANSFORM_DCT:
 467                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 468                     d.dct_calc(&d, tab2);
 469                     break;
 470 #endif /* FFT_FLOAT */
 471                 }
 472             }
 473             duration = av_gettime_relative() - time_start;
 474             if (duration >= 1000000)
 475                 break;
 476             nb_its *= 2;
 477         }
 478         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,
 479                "time: %0.1f us/transform [total time=%0.2f s its=%d]\n",
 480                (double) duration / nb_its,
 481                (double) duration / 1000000.0,
 482                nb_its);
 483     }
 484
 485     switch (transform) {
 486 #if CONFIG_MDCT
 487     case TRANSFORM_MDCT:
 488         ff_mdct_end(&m);
 489         break;
 490 #endif /* CONFIG_MDCT */
 491     case TRANSFORM_FFT:
 492         ff_fft_end(&s);
 493         break;
 494 #if FFT_FLOAT
 495 #    if CONFIG_RDFT
 496     case TRANSFORM_RDFT:
 497         ff_rdft_end(&r);
 498         break;
 499 #    endif /* CONFIG_RDFT */
 500 #    if CONFIG_DCT
 501     case TRANSFORM_DCT:
 502         ff_dct_end(&d);
 503         break;
 504 #    endif /* CONFIG_DCT */
 505 #endif /* FFT_FLOAT */
 506     }
 507
 508 cleanup:
 509     av_free(tab);
 510     av_free(tab1);
 511     av_free(tab2);
 512     av_free(tab_ref);
 513     av_free(exptab);
 514
 515     if (err)
 516         printf("Error: %d.\n", err);
 517
 518     return !!err;
 519 }