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 "libavutil/time.h"
  31 #include "fft.h"
  32 #include "dct.h"
  33 #include "rdft.h"
  34 #include <math.h>
  35 #if HAVE_UNISTD_H
  36 #include <unistd.h>
  37 #endif
  38 #include <stdio.h>
  39 #include <stdlib.h>
  40 #include <string.h>
  41
  42 /* reference fft */
  43
  44 #define MUL16(a,b) ((a) * (b))
  45
  46 #define CMAC(pre, pim, are, aim, bre, bim) \
  47 {\
  48    pre += (MUL16(are, bre) - MUL16(aim, bim));\
  49    pim += (MUL16(are, bim) + MUL16(bre, aim));\
  50 }
  51
  52 #if FFT_FLOAT
  53 #   define RANGE 1.0
  54 #   define REF_SCALE(x, bits)  (x)
  55 #   define FMT "%10.6f"
  56 #else
  57 #   define RANGE 16384
  58 #   define REF_SCALE(x, bits) ((x) / (1<<(bits)))
  59 #   define FMT "%6d"
  60 #endif
  61
  62 static struct {
  63     float re, im;
  64 } *exptab;
  65
  66 static void fft_ref_init(int nbits, int inverse)
  67 {
  68     int n, i;
  69     double c1, s1, alpha;
  70
  71     n = 1 << nbits;
  72     exptab = av_malloc((n / 2) * sizeof(*exptab));
  73
  74     for (i = 0; i < (n/2); i++) {
  75         alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
  76         c1 = cos(alpha);
  77         s1 = sin(alpha);
  78         if (!inverse)
  79             s1 = -s1;
  80         exptab[i].re = c1;
  81         exptab[i].im = s1;
  82     }
  83 }
  84
  85 static void fft_ref(FFTComplex *tabr, FFTComplex *tab, int nbits)
  86 {
  87     int n, i, j, k, n2;
  88     double tmp_re, tmp_im, s, c;
  89     FFTComplex *q;
  90
  91     n = 1 << nbits;
  92     n2 = n >> 1;
  93     for (i = 0; i < n; i++) {
  94         tmp_re = 0;
  95         tmp_im = 0;
  96         q = tab;
  97         for (j = 0; j < n; j++) {
  98             k = (i * j) & (n - 1);
  99             if (k >= n2) {
 100                 c = -exptab[k - n2].re;
 101                 s = -exptab[k - n2].im;
 102             } else {
 103                 c = exptab[k].re;
 104                 s = exptab[k].im;
 105             }
 106             CMAC(tmp_re, tmp_im, c, s, q->re, q->im);
 107             q++;
 108         }
 109         tabr[i].re = REF_SCALE(tmp_re, nbits);
 110         tabr[i].im = REF_SCALE(tmp_im, nbits);
 111     }
 112 }
 113
 114 #if CONFIG_MDCT
 115 static void imdct_ref(FFTSample *out, FFTSample *in, int nbits)
 116 {
 117     int n = 1<<nbits;
 118     int k, i, a;
 119     double sum, f;
 120
 121     for (i = 0; i < n; i++) {
 122         sum = 0;
 123         for (k = 0; k < n/2; k++) {
 124             a = (2 * i + 1 + (n / 2)) * (2 * k + 1);
 125             f = cos(M_PI * a / (double)(2 * n));
 126             sum += f * in[k];
 127         }
 128         out[i] = REF_SCALE(-sum, nbits - 2);
 129     }
 130 }
 131
 132 /* NOTE: no normalisation by 1 / N is done */
 133 static void mdct_ref(FFTSample *output, FFTSample *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 (k = 0; k < n/2; k++) {
 141         s = 0;
 142         for (i = 0; i < n; i++) {
 143             a = (2*M_PI*(2*i+1+n/2)*(2*k+1) / (4 * n));
 144             s += input[i] * cos(a);
 145         }
 146         output[k] = REF_SCALE(s, nbits - 1);
 147     }
 148 }
 149 #endif /* CONFIG_MDCT */
 150
 151 #if FFT_FLOAT
 152 #if CONFIG_DCT
 153 static void idct_ref(float *output, float *input, int nbits)
 154 {
 155     int n = 1<<nbits;
 156     int k, i;
 157     double a, s;
 158
 159     /* do it by hand */
 160     for (i = 0; i < n; i++) {
 161         s = 0.5 * input[0];
 162         for (k = 1; k < n; k++) {
 163             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 164             s += input[k] * cos(a);
 165         }
 166         output[i] = 2 * s / n;
 167     }
 168 }
 169 static void dct_ref(float *output, float *input, int nbits)
 170 {
 171     int n = 1<<nbits;
 172     int k, i;
 173     double a, s;
 174
 175     /* do it by hand */
 176     for (k = 0; k < n; k++) {
 177         s = 0;
 178         for (i = 0; i < n; i++) {
 179             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 180             s += input[i] * cos(a);
 181         }
 182         output[k] = s;
 183     }
 184 }
 185 #endif /* CONFIG_DCT */
 186 #endif /* FFT_FLOAT */
 187
 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;
 197     double max= 0;
 198     double error= 0;
 199     int err = 0;
 200
 201     for (i = 0; i < n; i++) {
 202         double e = fabsf(tab1[i] - (tab2[i] / scale)) / RANGE;
 203         if (e >= 1e-3) {
 204             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "ERROR %5d: "FMT" "FMT"\n",
 205                    i, tab1[i], tab2[i]);
 206             err = 1;
 207         }
 208         error+= e*e;
 209         if(e>max) max= e;
 210     }
 211     av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "max:%f e:%g\n", max, sqrt(error)/n);
 212     return err;
 213 }
 214
 215
 216 static void help(void)
 217 {
 218     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"usage: fft-test [-h] [-s] [-i] [-n b]\n"
 219            "-h     print this help\n"
 220            "-s     speed test\n"
 221            "-m     (I)MDCT test\n"
 222            "-d     (I)DCT test\n"
 223            "-r     (I)RDFT test\n"
 224            "-i     inverse transform test\n"
 225            "-n b   set the transform size to 2^b\n"
 226            "-f x   set scale factor for output data of (I)MDCT to x\n"
 227            );
 228 }
 229
 230 enum tf_transform {
 231     TRANSFORM_FFT,
 232     TRANSFORM_MDCT,
 233     TRANSFORM_RDFT,
 234     TRANSFORM_DCT,
 235 };
 236
 237 #if !HAVE_GETOPT
 238 #include "compat/getopt.c"
 239 #endif
 240
 241 int main(int argc, char **argv)
 242 {
 243     FFTComplex *tab, *tab1, *tab_ref;
 244     FFTSample *tab2;
 245     int it, i, c;
 246     int cpuflags;
 247     int do_speed = 0;
 248     int err = 1;
 249     enum tf_transform transform = TRANSFORM_FFT;
 250     int do_inverse = 0;
 251     FFTContext s1, *s = &s1;
 252     FFTContext m1, *m = &m1;
 253 #if FFT_FLOAT
 254     RDFTContext r1, *r = &r1;
 255     DCTContext d1, *d = &d1;
 256     int fft_size_2;
 257 #endif /* FFT_FLOAT */
 258     int fft_nbits, fft_size;
 259     double scale = 1.0;
 260     AVLFG prng;
 261     av_lfg_init(&prng, 1);
 262
 263     fft_nbits = 9;
 264     for(;;) {
 265         c = getopt(argc, argv, "hsimrdn:f:c:");
 266         if (c == -1)
 267             break;
 268         switch(c) {
 269         case 'h':
 270             help();
 271             return 1;
 272         case 's':
 273             do_speed = 1;
 274             break;
 275         case 'i':
 276             do_inverse = 1;
 277             break;
 278         case 'm':
 279             transform = TRANSFORM_MDCT;
 280             break;
 281         case 'r':
 282             transform = TRANSFORM_RDFT;
 283             break;
 284         case 'd':
 285             transform = TRANSFORM_DCT;
 286             break;
 287         case 'n':
 288             fft_nbits = atoi(optarg);
 289             break;
 290         case 'f':
 291             scale = atof(optarg);
 292             break;
 293         case 'c':
 294             cpuflags = av_parse_cpu_flags(optarg);
 295             if (cpuflags < 0)
 296                 return 1;
 297             av_set_cpu_flags_mask(cpuflags);
 298             break;
 299         }
 300     }
 301
 302     fft_size = 1 << fft_nbits;
 303     tab = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 304     tab1 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 305     tab_ref = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 306     tab2 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTSample));
 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         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 326         break;
 327 #if FFT_FLOAT
 328 #if CONFIG_RDFT
 329     case TRANSFORM_RDFT:
 330         if (do_inverse)
 331             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IDFT_C2R");
 332         else
 333             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DFT_R2C");
 334         ff_rdft_init(r, fft_nbits, do_inverse ? IDFT_C2R : DFT_R2C);
 335         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 336         break;
 337 #endif /* CONFIG_RDFT */
 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 /* CONFIG_DCT */
 347 #endif /* FFT_FLOAT */
 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 #if CONFIG_MDCT
 366     case TRANSFORM_MDCT:
 367         if (do_inverse) {
 368             imdct_ref((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 369             m->imdct_calc(m, tab2, (FFTSample *)tab1);
 370             err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, tab2, fft_size, scale);
 371         } else {
 372             mdct_ref((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 373
 374             m->mdct_calc(m, tab2, (FFTSample *)tab1);
 375
 376             err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, 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((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab, fft_size * 2, 1.0);
 387         break;
 388 #if FFT_FLOAT
 389 #if CONFIG_RDFT
 390     case TRANSFORM_RDFT:
 391         fft_size_2 = fft_size >> 1;
 392         if (do_inverse) {
 393             tab1[         0].im = 0;
 394             tab1[fft_size_2].im = 0;
 395             for (i = 1; i < fft_size_2; i++) {
 396                 tab1[fft_size_2+i].re =  tab1[fft_size_2-i].re;
 397                 tab1[fft_size_2+i].im = -tab1[fft_size_2-i].im;
 398             }
 399
 400             memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 401             tab2[1] = tab1[fft_size_2].re;
 402
 403             r->rdft_calc(r, tab2);
 404             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 405             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 406                 tab[i].re = tab2[i];
 407                 tab[i].im = 0;
 408             }
 409             err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size * 2, 0.5);
 410         } else {
 411             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 412                 tab2[i]    = tab1[i].re;
 413                 tab1[i].im = 0;
 414             }
 415             r->rdft_calc(r, tab2);
 416             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 417             tab_ref[0].im = tab_ref[fft_size_2].re;
 418             err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab2, fft_size, 1.0);
 419         }
 420         break;
 421 #endif /* CONFIG_RDFT */
 422 #if CONFIG_DCT
 423     case TRANSFORM_DCT:
 424         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 425         d->dct_calc(d, tab);
 426         if (do_inverse) {
 427             idct_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 428         } else {
 429             dct_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 430         }
 431         err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size, 1.0);
 432         break;
 433 #endif /* CONFIG_DCT */
 434 #endif /* FFT_FLOAT */
 435     }
 436
 437     /* do a speed test */
 438
 439     if (do_speed) {
 440         int64_t time_start, duration;
 441         int nb_its;
 442
 443         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Speed test...\n");
 444         /* we measure during about 1 seconds */
 445         nb_its = 1;
 446         for(;;) {
 447             time_start = av_gettime();
 448             for (it = 0; it < nb_its; it++) {
 449                 switch (transform) {
 450                 case TRANSFORM_MDCT:
 451                     if (do_inverse) {
 452                         m->imdct_calc(m, (FFTSample *)tab, (FFTSample *)tab1);
 453                     } else {
 454                         m->mdct_calc(m, (FFTSample *)tab, (FFTSample *)tab1);
 455                     }
 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() - time_start;
 474             if (duration >= 1000000)
 475                 break;
 476             nb_its *= 2;
 477         }
 478         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"time: %0.1f us/transform [total time=%0.2f s its=%d]\n",
 479                (double)duration / nb_its,
 480                (double)duration / 1000000.0,
 481                nb_its);
 482     }
 483
 484     switch (transform) {
 485 #if CONFIG_MDCT
 486     case TRANSFORM_MDCT:
 487         ff_mdct_end(m);
 488         break;
 489 #endif /* CONFIG_MDCT */
 490     case TRANSFORM_FFT:
 491         ff_fft_end(s);
 492         break;
 493 #if FFT_FLOAT
 494 #if CONFIG_RDFT
 495     case TRANSFORM_RDFT:
 496         ff_rdft_end(r);
 497         break;
 498 #endif /* CONFIG_RDFT */
 499 #if CONFIG_DCT
 500     case TRANSFORM_DCT:
 501         ff_dct_end(d);
 502         break;
 503 #endif /* CONFIG_DCT */
 504 #endif /* FFT_FLOAT */
 505     }
 506
 507     av_free(tab);
 508     av_free(tab1);
 509     av_free(tab2);
 510     av_free(tab_ref);
 511     av_free(exptab);
 512
 513     if (err)
 514         printf("Error: %d.\n", err);
 515
 516     return !!err;
 517 }