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 <stdlib.h>
  41 #include <string.h>
  42
  43 /* reference fft */
  44
  45 #define MUL16(a,b) ((a) * (b))
  46
  47 #define CMAC(pre, pim, are, aim, bre, bim) \
  48 {\
  49    pre += (MUL16(are, bre) - MUL16(aim, bim));\
  50    pim += (MUL16(are, bim) + MUL16(bre, aim));\
  51 }
  52
  53 #if CONFIG_FFT_FLOAT
  54 #   define RANGE 1.0
  55 #   define REF_SCALE(x, bits)  (x)
  56 #   define FMT "%10.6f"
  57 #elif CONFIG_FFT_FIXED_32
  58 #   define RANGE 8388608
  59 #   define REF_SCALE(x, bits) (x)
  60 #   define FMT "%6d"
  61 #else
  62 #   define RANGE 16384
  63 #   define REF_SCALE(x, bits) ((x) / (1<<(bits)))
  64 #   define FMT "%6d"
  65 #endif
  66
  67 struct {
  68     float re, im;
  69 } *exptab;
  70
  71 static void fft_ref_init(int nbits, int inverse)
  72 {
  73     int n, i;
  74     double c1, s1, alpha;
  75
  76     n = 1 << nbits;
  77     exptab = av_malloc((n / 2) * sizeof(*exptab));
  78
  79     for (i = 0; i < (n/2); i++) {
  80         alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
  81         c1 = cos(alpha);
  82         s1 = sin(alpha);
  83         if (!inverse)
  84             s1 = -s1;
  85         exptab[i].re = c1;
  86         exptab[i].im = s1;
  87     }
  88 }
  89
  90 static void fft_ref(FFTComplex *tabr, FFTComplex *tab, int nbits)
  91 {
  92     int n, i, j, k, n2;
  93     double tmp_re, tmp_im, s, c;
  94     FFTComplex *q;
  95
  96     n = 1 << nbits;
  97     n2 = n >> 1;
  98     for (i = 0; i < n; i++) {
  99         tmp_re = 0;
 100         tmp_im = 0;
 101         q = tab;
 102         for (j = 0; j < n; j++) {
 103             k = (i * j) & (n - 1);
 104             if (k >= n2) {
 105                 c = -exptab[k - n2].re;
 106                 s = -exptab[k - n2].im;
 107             } else {
 108                 c = exptab[k].re;
 109                 s = exptab[k].im;
 110             }
 111             CMAC(tmp_re, tmp_im, c, s, q->re, q->im);
 112             q++;
 113         }
 114         tabr[i].re = REF_SCALE(tmp_re, nbits);
 115         tabr[i].im = REF_SCALE(tmp_im, nbits);
 116     }
 117 }
 118
 119 static void imdct_ref(FFTSample *out, FFTSample *in, int nbits)
 120 {
 121     int n = 1<<nbits;
 122     int k, i, a;
 123     double sum, f;
 124
 125     for (i = 0; i < n; i++) {
 126         sum = 0;
 127         for (k = 0; k < n/2; k++) {
 128             a = (2 * i + 1 + (n / 2)) * (2 * k + 1);
 129             f = cos(M_PI * a / (double)(2 * n));
 130             sum += f * in[k];
 131         }
 132         out[i] = REF_SCALE(-sum, nbits - 2);
 133     }
 134 }
 135
 136 /* NOTE: no normalisation by 1 / N is done */
 137 static void mdct_ref(FFTSample *output, FFTSample *input, int nbits)
 138 {
 139     int n = 1<<nbits;
 140     int k, i;
 141     double a, s;
 142
 143     /* do it by hand */
 144     for (k = 0; k < n/2; k++) {
 145         s = 0;
 146         for (i = 0; i < n; i++) {
 147             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
 154 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 155 static void idct_ref(FFTSample *output, FFTSample *input, int nbits)
 156 {
 157     int n = 1<<nbits;
 158     int k, i;
 159     double a, s;
 160
 161     /* do it by hand */
 162     for (i = 0; i < n; i++) {
 163         s = 0.5 * input[0];
 164         for (k = 1; k < n; k++) {
 165             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 166             s += input[k] * cos(a);
 167         }
 168         output[i] = 2 * s / n;
 169     }
 170 }
 171 static void dct_ref(FFTSample *output, FFTSample *input, int nbits)
 172 {
 173     int n = 1<<nbits;
 174     int k, i;
 175     double a, s;
 176
 177     /* do it by hand */
 178     for (k = 0; k < n; k++) {
 179         s = 0;
 180         for (i = 0; i < n; i++) {
 181             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 182             s += input[i] * cos(a);
 183         }
 184         output[k] = s;
 185     }
 186 }
 187 #endif
 188
 189
 190 static FFTSample frandom(AVLFG *prng)
 191 {
 192     return (int16_t)av_lfg_get(prng) / 32768.0 * RANGE;
 193 }
 194
 195 static int check_diff(FFTSample *tab1, FFTSample *tab2, int n, double scale)
 196 {
 197     int i;
 198     double max= 0;
 199     double error= 0;
 200     int err = 0;
 201
 202     for (i = 0; i < n; i++) {
 203         double e = fabsf(tab1[i] - (tab2[i] / scale)) / RANGE;
 204         if (e >= 1e-3) {
 205             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "ERROR %5d: "FMT" "FMT"\n",
 206                    i, tab1[i], tab2[i]);
 207             err = 1;
 208         }
 209         error+= e*e;
 210         if(e>max) max= e;
 211     }
 212     av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "max:%f e:%g\n", max, sqrt(error/n));
 213     return err;
 214 }
 215
 216
 217 static void help(void)
 218 {
 219     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"usage: fft-test [-h] [-s] [-i] [-n b]\n"
 220            "-h     print this help\n"
 221            "-s     speed test\n"
 222            "-m     (I)MDCT test\n"
 223            "-d     (I)DCT test\n"
 224            "-r     (I)RDFT test\n"
 225            "-i     inverse transform test\n"
 226            "-n b   set the transform size to 2^b\n"
 227            "-f x   set scale factor for output data of (I)MDCT to x\n"
 228            );
 229 }
 230
 231 enum tf_transform {
 232     TRANSFORM_FFT,
 233     TRANSFORM_MDCT,
 234     TRANSFORM_RDFT,
 235     TRANSFORM_DCT,
 236 };
 237
 238 #if !HAVE_GETOPT
 239 #include "compat/getopt.c"
 240 #endif
 241
 242 int main(int argc, char **argv)
 243 {
 244     FFTComplex *tab, *tab1, *tab_ref;
 245     FFTSample *tab2;
 246     int it, i, c;
 247     int cpuflags;
 248     int do_speed = 0;
 249     int err = 1;
 250     enum tf_transform transform = TRANSFORM_FFT;
 251     int do_inverse = 0;
 252     FFTContext s1, *s = &s1;
 253     FFTContext m1, *m = &m1;
 254 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 255     RDFTContext r1, *r = &r1;
 256     DCTContext d1, *d = &d1;
 257     int fft_size_2;
 258 #endif
 259     int fft_nbits, fft_size;
 260     double scale = 1.0;
 261     AVLFG prng;
 262     av_lfg_init(&prng, 1);
 263
 264     fft_nbits = 9;
 265     for(;;) {
 266         c = getopt(argc, argv, "hsimrdn:f:c:");
 267         if (c == -1)
 268             break;
 269         switch(c) {
 270         case 'h':
 271             help();
 272             return 1;
 273         case 's':
 274             do_speed = 1;
 275             break;
 276         case 'i':
 277             do_inverse = 1;
 278             break;
 279         case 'm':
 280             transform = TRANSFORM_MDCT;
 281             break;
 282         case 'r':
 283             transform = TRANSFORM_RDFT;
 284             break;
 285         case 'd':
 286             transform = TRANSFORM_DCT;
 287             break;
 288         case 'n':
 289             fft_nbits = atoi(optarg);
 290             break;
 291         case 'f':
 292             scale = atof(optarg);
 293             break;
 294         case 'c':
 295             cpuflags = av_get_cpu_flags();
 296
 297             if (av_parse_cpu_caps(&cpuflags, optarg) < 0)
 298                 return 1;
 299
 300             av_force_cpu_flags(cpuflags);
 301             break;
 302         }
 303     }
 304
 305     fft_size = 1 << fft_nbits;
 306     tab = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 307     tab1 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 308     tab_ref = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 309     tab2 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTSample));
 310
 311     switch (transform) {
 312     case TRANSFORM_MDCT:
 313         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Scale factor is set to %f\n", scale);
 314         if (do_inverse)
 315             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IMDCT");
 316         else
 317             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"MDCT");
 318         ff_mdct_init(m, fft_nbits, do_inverse, scale);
 319         break;
 320     case TRANSFORM_FFT:
 321         if (do_inverse)
 322             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IFFT");
 323         else
 324             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"FFT");
 325         ff_fft_init(s, fft_nbits, do_inverse);
 326         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 327         break;
 328 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 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 #    if CONFIG_DCT
 338     case TRANSFORM_DCT:
 339         if (do_inverse)
 340             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DCT_III");
 341         else
 342             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DCT_II");
 343         ff_dct_init(d, fft_nbits, do_inverse ? DCT_III : DCT_II);
 344         break;
 345 #    endif
 346 #endif
 347     default:
 348         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Requested transform not supported\n");
 349         return 1;
 350     }
 351     av_log(NULL, AV_LOG_INFO," %d test\n", fft_size);
 352
 353     /* generate random data */
 354
 355     for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 356         tab1[i].re = frandom(&prng);
 357         tab1[i].im = frandom(&prng);
 358     }
 359
 360     /* checking result */
 361     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Checking...\n");
 362
 363     switch (transform) {
 364     case TRANSFORM_MDCT:
 365         if (do_inverse) {
 366             imdct_ref((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 367             m->imdct_calc(m, tab2, (FFTSample *)tab1);
 368             err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, tab2, fft_size, scale);
 369         } else {
 370             mdct_ref((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 371
 372             m->mdct_calc(m, tab2, (FFTSample *)tab1);
 373
 374             err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, tab2, fft_size / 2, scale);
 375         }
 376         break;
 377     case TRANSFORM_FFT:
 378         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 379         s->fft_permute(s, tab);
 380         s->fft_calc(s, tab);
 381
 382         fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 383         err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab, fft_size * 2, 1.0);
 384         break;
 385 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 386     case TRANSFORM_RDFT:
 387         fft_size_2 = fft_size >> 1;
 388         if (do_inverse) {
 389             tab1[         0].im = 0;
 390             tab1[fft_size_2].im = 0;
 391             for (i = 1; i < fft_size_2; i++) {
 392                 tab1[fft_size_2+i].re =  tab1[fft_size_2-i].re;
 393                 tab1[fft_size_2+i].im = -tab1[fft_size_2-i].im;
 394             }
 395
 396             memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 397             tab2[1] = tab1[fft_size_2].re;
 398
 399             r->rdft_calc(r, tab2);
 400             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 401             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 402                 tab[i].re = tab2[i];
 403                 tab[i].im = 0;
 404             }
 405             err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size * 2, 0.5);
 406         } else {
 407             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 408                 tab2[i]    = tab1[i].re;
 409                 tab1[i].im = 0;
 410             }
 411             r->rdft_calc(r, tab2);
 412             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 413             tab_ref[0].im = tab_ref[fft_size_2].re;
 414             err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab2, fft_size, 1.0);
 415         }
 416         break;
 417     case TRANSFORM_DCT:
 418         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 419         d->dct_calc(d, (FFTSample *)tab);
 420         if (do_inverse) {
 421             idct_ref((FFTSample*)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 422         } else {
 423             dct_ref((FFTSample*)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 424         }
 425         err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size, 1.0);
 426         break;
 427 #endif
 428     }
 429
 430     /* do a speed test */
 431
 432     if (do_speed) {
 433         int64_t time_start, duration;
 434         int nb_its;
 435
 436         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Speed test...\n");
 437         /* we measure during about 1 seconds */
 438         nb_its = 1;
 439         for(;;) {
 440             time_start = av_gettime();
 441             for (it = 0; it < nb_its; it++) {
 442                 switch (transform) {
 443                 case TRANSFORM_MDCT:
 444                     if (do_inverse) {
 445                         m->imdct_calc(m, (FFTSample *)tab, (FFTSample *)tab1);
 446                     } else {
 447                         m->mdct_calc(m, (FFTSample *)tab, (FFTSample *)tab1);
 448                     }
 449                     break;
 450                 case TRANSFORM_FFT:
 451                     memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 452                     s->fft_calc(s, tab);
 453                     break;
 454 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 455                 case TRANSFORM_RDFT:
 456                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 457                     r->rdft_calc(r, tab2);
 458                     break;
 459                 case TRANSFORM_DCT:
 460                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 461                     d->dct_calc(d, tab2);
 462                     break;
 463 #endif
 464                 }
 465             }
 466             duration = av_gettime() - time_start;
 467             if (duration >= 1000000)
 468                 break;
 469             nb_its *= 2;
 470         }
 471         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"time: %0.1f us/transform [total time=%0.2f s its=%d]\n",
 472                (double)duration / nb_its,
 473                (double)duration / 1000000.0,
 474                nb_its);
 475     }
 476
 477     switch (transform) {
 478     case TRANSFORM_MDCT:
 479         ff_mdct_end(m);
 480         break;
 481     case TRANSFORM_FFT:
 482         ff_fft_end(s);
 483         break;
 484 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 485     case TRANSFORM_RDFT:
 486         ff_rdft_end(r);
 487         break;
 488 #    if CONFIG_DCT
 489     case TRANSFORM_DCT:
 490         ff_dct_end(d);
 491         break;
 492 #    endif
 493 #endif
 494     }
 495
 496     av_free(tab);
 497     av_free(tab1);
 498     av_free(tab2);
 499     av_free(tab_ref);
 500     av_free(exptab);
 501
 502     return err;
 503 }