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/cpu.h"
  27 #include "libavutil/mathematics.h"
  28 #include "libavutil/lfg.h"
  29 #include "libavutil/log.h"
  30 #include "libavutil/time.h"
  31 #include "fft.h"
  32 #if CONFIG_FFT_FLOAT
  33 #include "dct.h"
  34 #include "rdft.h"
  35 #endif
  36 #include <math.h>
  37 #if HAVE_UNISTD_H
  38 #include <unistd.h>
  39 #endif
  40 #include <stdio.h>
  41 #include <stdlib.h>
  42 #include <string.h>
  43
  44 /* reference fft */
  45
  46 #define MUL16(a,b) ((a) * (b))
  47
  48 #define CMAC(pre, pim, are, aim, bre, bim) \
  49 {\
  50    pre += (MUL16(are, bre) - MUL16(aim, bim));\
  51    pim += (MUL16(are, bim) + MUL16(bre, aim));\
  52 }
  53
  54 #if CONFIG_FFT_FLOAT
  55 #   define RANGE 1.0
  56 #   define REF_SCALE(x, bits)  (x)
  57 #   define FMT "%10.6f"
  58 #elif CONFIG_FFT_FIXED_32
  59 #   define RANGE 8388608
  60 #   define REF_SCALE(x, bits) (x)
  61 #   define FMT "%6d"
  62 #else
  63 #   define RANGE 16384
  64 #   define REF_SCALE(x, bits) ((x) / (1<<(bits)))
  65 #   define FMT "%6d"
  66 #endif
  67
  68 struct {
  69     float re, im;
  70 } *exptab;
  71
  72 static void fft_ref_init(int nbits, int inverse)
  73 {
  74     int n, i;
  75     double c1, s1, alpha;
  76
  77     n = 1 << nbits;
  78     exptab = av_malloc((n / 2) * sizeof(*exptab));
  79
  80     for (i = 0; i < (n/2); i++) {
  81         alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
  82         c1 = cos(alpha);
  83         s1 = sin(alpha);
  84         if (!inverse)
  85             s1 = -s1;
  86         exptab[i].re = c1;
  87         exptab[i].im = s1;
  88     }
  89 }
  90
  91 static void fft_ref(FFTComplex *tabr, FFTComplex *tab, int nbits)
  92 {
  93     int n, i, j, k, n2;
  94     double tmp_re, tmp_im, s, c;
  95     FFTComplex *q;
  96
  97     n = 1 << nbits;
  98     n2 = n >> 1;
  99     for (i = 0; i < n; i++) {
 100         tmp_re = 0;
 101         tmp_im = 0;
 102         q = tab;
 103         for (j = 0; j < n; j++) {
 104             k = (i * j) & (n - 1);
 105             if (k >= n2) {
 106                 c = -exptab[k - n2].re;
 107                 s = -exptab[k - n2].im;
 108             } else {
 109                 c = exptab[k].re;
 110                 s = exptab[k].im;
 111             }
 112             CMAC(tmp_re, tmp_im, c, s, q->re, q->im);
 113             q++;
 114         }
 115         tabr[i].re = REF_SCALE(tmp_re, nbits);
 116         tabr[i].im = REF_SCALE(tmp_im, nbits);
 117     }
 118 }
 119
 120 static void imdct_ref(FFTSample *out, FFTSample *in, int nbits)
 121 {
 122     int n = 1<<nbits;
 123     int k, i, a;
 124     double sum, f;
 125
 126     for (i = 0; i < n; i++) {
 127         sum = 0;
 128         for (k = 0; k < n/2; k++) {
 129             a = (2 * i + 1 + (n / 2)) * (2 * k + 1);
 130             f = cos(M_PI * a / (double)(2 * n));
 131             sum += f * in[k];
 132         }
 133         out[i] = REF_SCALE(-sum, nbits - 2);
 134     }
 135 }
 136
 137 /* NOTE: no normalisation by 1 / N is done */
 138 static void mdct_ref(FFTSample *output, FFTSample *input, int nbits)
 139 {
 140     int n = 1<<nbits;
 141     int k, i;
 142     double a, s;
 143
 144     /* do it by hand */
 145     for (k = 0; k < n/2; k++) {
 146         s = 0;
 147         for (i = 0; i < n; i++) {
 148             a = (2*M_PI*(2*i+1+n/2)*(2*k+1) / (4 * n));
 149             s += input[i] * cos(a);
 150         }
 151         output[k] = REF_SCALE(s, nbits - 1);
 152     }
 153 }
 154
 155 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 156 static void idct_ref(FFTSample *output, FFTSample *input, int nbits)
 157 {
 158     int n = 1<<nbits;
 159     int k, i;
 160     double a, s;
 161
 162     /* do it by hand */
 163     for (i = 0; i < n; i++) {
 164         s = 0.5 * input[0];
 165         for (k = 1; k < n; k++) {
 166             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 167             s += input[k] * cos(a);
 168         }
 169         output[i] = 2 * s / n;
 170     }
 171 }
 172 static void dct_ref(FFTSample *output, FFTSample *input, int nbits)
 173 {
 174     int n = 1<<nbits;
 175     int k, i;
 176     double a, s;
 177
 178     /* do it by hand */
 179     for (k = 0; k < n; k++) {
 180         s = 0;
 181         for (i = 0; i < n; i++) {
 182             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 183             s += input[i] * cos(a);
 184         }
 185         output[k] = s;
 186     }
 187 }
 188 #endif
 189
 190
 191 static FFTSample frandom(AVLFG *prng)
 192 {
 193     return (int16_t)av_lfg_get(prng) / 32768.0 * RANGE;
 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 #if !HAVE_GETOPT
 240 #include "compat/getopt.c"
 241 #endif
 242
 243 int main(int argc, char **argv)
 244 {
 245     FFTComplex *tab, *tab1, *tab_ref;
 246     FFTSample *tab2;
 247     int it, i, c;
 248     int cpuflags;
 249     int do_speed = 0;
 250     int err = 1;
 251     enum tf_transform transform = TRANSFORM_FFT;
 252     int do_inverse = 0;
 253     FFTContext s1, *s = &s1;
 254     FFTContext m1, *m = &m1;
 255 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 256     RDFTContext r1, *r = &r1;
 257     DCTContext d1, *d = &d1;
 258     int fft_size_2;
 259 #endif
 260     int fft_nbits, fft_size;
 261     double scale = 1.0;
 262     AVLFG prng;
 263     av_lfg_init(&prng, 1);
 264
 265     fft_nbits = 9;
 266     for(;;) {
 267         c = getopt(argc, argv, "hsimrdn:f:c:");
 268         if (c == -1)
 269             break;
 270         switch(c) {
 271         case 'h':
 272             help();
 273             return 1;
 274         case 's':
 275             do_speed = 1;
 276             break;
 277         case 'i':
 278             do_inverse = 1;
 279             break;
 280         case 'm':
 281             transform = TRANSFORM_MDCT;
 282             break;
 283         case 'r':
 284             transform = TRANSFORM_RDFT;
 285             break;
 286         case 'd':
 287             transform = TRANSFORM_DCT;
 288             break;
 289         case 'n':
 290             fft_nbits = atoi(optarg);
 291             break;
 292         case 'f':
 293             scale = atof(optarg);
 294             break;
 295         case 'c':
 296             cpuflags = av_get_cpu_flags();
 297
 298             if (av_parse_cpu_caps(&cpuflags, optarg) < 0)
 299                 return 1;
 300
 301             av_force_cpu_flags(cpuflags);
 302             break;
 303         }
 304     }
 305
 306     fft_size = 1 << fft_nbits;
 307     tab = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 308     tab1 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 309     tab_ref = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 310     tab2 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTSample));
 311
 312     switch (transform) {
 313     case TRANSFORM_MDCT:
 314         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Scale factor is set to %f\n", scale);
 315         if (do_inverse)
 316             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IMDCT");
 317         else
 318             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"MDCT");
 319         ff_mdct_init(m, fft_nbits, do_inverse, scale);
 320         break;
 321     case TRANSFORM_FFT:
 322         if (do_inverse)
 323             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IFFT");
 324         else
 325             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"FFT");
 326         ff_fft_init(s, fft_nbits, do_inverse);
 327         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 328         break;
 329 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 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         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 337         break;
 338 #    if CONFIG_DCT
 339     case TRANSFORM_DCT:
 340         if (do_inverse)
 341             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DCT_III");
 342         else
 343             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DCT_II");
 344         ff_dct_init(d, fft_nbits, do_inverse ? DCT_III : DCT_II);
 345         break;
 346 #    endif
 347 #endif
 348     default:
 349         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Requested transform not supported\n");
 350         return 1;
 351     }
 352     av_log(NULL, AV_LOG_INFO," %d test\n", fft_size);
 353
 354     /* generate random data */
 355
 356     for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 357         tab1[i].re = frandom(&prng);
 358         tab1[i].im = frandom(&prng);
 359     }
 360
 361     /* checking result */
 362     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Checking...\n");
 363
 364     switch (transform) {
 365     case TRANSFORM_MDCT:
 366         if (do_inverse) {
 367             imdct_ref((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 368             m->imdct_calc(m, tab2, (FFTSample *)tab1);
 369             err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, tab2, fft_size, scale);
 370         } else {
 371             mdct_ref((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 372
 373             m->mdct_calc(m, tab2, (FFTSample *)tab1);
 374
 375             err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, tab2, fft_size / 2, scale);
 376         }
 377         break;
 378     case TRANSFORM_FFT:
 379         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 380         s->fft_permute(s, tab);
 381         s->fft_calc(s, tab);
 382
 383         fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 384         err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab, fft_size * 2, 1.0);
 385         break;
 386 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 387     case TRANSFORM_RDFT:
 388         fft_size_2 = fft_size >> 1;
 389         if (do_inverse) {
 390             tab1[         0].im = 0;
 391             tab1[fft_size_2].im = 0;
 392             for (i = 1; i < fft_size_2; i++) {
 393                 tab1[fft_size_2+i].re =  tab1[fft_size_2-i].re;
 394                 tab1[fft_size_2+i].im = -tab1[fft_size_2-i].im;
 395             }
 396
 397             memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 398             tab2[1] = tab1[fft_size_2].re;
 399
 400             r->rdft_calc(r, tab2);
 401             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 402             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 403                 tab[i].re = tab2[i];
 404                 tab[i].im = 0;
 405             }
 406             err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size * 2, 0.5);
 407         } else {
 408             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 409                 tab2[i]    = tab1[i].re;
 410                 tab1[i].im = 0;
 411             }
 412             r->rdft_calc(r, tab2);
 413             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 414             tab_ref[0].im = tab_ref[fft_size_2].re;
 415             err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab2, fft_size, 1.0);
 416         }
 417         break;
 418     case TRANSFORM_DCT:
 419         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 420         d->dct_calc(d, (FFTSample *)tab);
 421         if (do_inverse) {
 422             idct_ref((FFTSample*)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 423         } else {
 424             dct_ref((FFTSample*)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 425         }
 426         err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size, 1.0);
 427         break;
 428 #endif
 429     }
 430
 431     /* do a speed test */
 432
 433     if (do_speed) {
 434         int64_t time_start, duration;
 435         int nb_its;
 436
 437         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Speed test...\n");
 438         /* we measure during about 1 seconds */
 439         nb_its = 1;
 440         for(;;) {
 441             time_start = av_gettime();
 442             for (it = 0; it < nb_its; it++) {
 443                 switch (transform) {
 444                 case TRANSFORM_MDCT:
 445                     if (do_inverse) {
 446                         m->imdct_calc(m, (FFTSample *)tab, (FFTSample *)tab1);
 447                     } else {
 448                         m->mdct_calc(m, (FFTSample *)tab, (FFTSample *)tab1);
 449                     }
 450                     break;
 451                 case TRANSFORM_FFT:
 452                     memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 453                     s->fft_calc(s, tab);
 454                     break;
 455 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 456                 case TRANSFORM_RDFT:
 457                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 458                     r->rdft_calc(r, tab2);
 459                     break;
 460                 case TRANSFORM_DCT:
 461                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 462                     d->dct_calc(d, tab2);
 463                     break;
 464 #endif
 465                 }
 466             }
 467             duration = av_gettime() - time_start;
 468             if (duration >= 1000000)
 469                 break;
 470             nb_its *= 2;
 471         }
 472         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"time: %0.1f us/transform [total time=%0.2f s its=%d]\n",
 473                (double)duration / nb_its,
 474                (double)duration / 1000000.0,
 475                nb_its);
 476     }
 477
 478     switch (transform) {
 479     case TRANSFORM_MDCT:
 480         ff_mdct_end(m);
 481         break;
 482     case TRANSFORM_FFT:
 483         ff_fft_end(s);
 484         break;
 485 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 486     case TRANSFORM_RDFT:
 487         ff_rdft_end(r);
 488         break;
 489 #    if CONFIG_DCT
 490     case TRANSFORM_DCT:
 491         ff_dct_end(d);
 492         break;
 493 #    endif
 494 #endif
 495     }
 496
 497     av_free(tab);
 498     av_free(tab1);
 499     av_free(tab2);
 500     av_free(tab_ref);
 501     av_free(exptab);
 502
 503     if (err)
 504         printf("Error: %d.\n", err);
 505
 506     return !!err;
 507 }