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 libavcodec/fft-test.c
  23  * FFT and MDCT tests.
  24  */
  25
  26 #include "libavutil/lfg.h"
  27 #include "dsputil.h"
  28 #include <math.h>
  29 #include <unistd.h>
  30 #include <sys/time.h>
  31 #include <stdlib.h>
  32 #include <string.h>
  33
  34 #undef exit
  35
  36 /* reference fft */
  37
  38 #define MUL16(a,b) ((a) * (b))
  39
  40 #define CMAC(pre, pim, are, aim, bre, bim) \
  41 {\
  42    pre += (MUL16(are, bre) - MUL16(aim, bim));\
  43    pim += (MUL16(are, bim) + MUL16(bre, aim));\
  44 }
  45
  46 FFTComplex *exptab;
  47
  48 static void fft_ref_init(int nbits, int inverse)
  49 {
  50     int n, i;
  51     double c1, s1, alpha;
  52
  53     n = 1 << nbits;
  54     exptab = av_malloc((n / 2) * sizeof(FFTComplex));
  55
  56     for (i = 0; i < (n/2); i++) {
  57         alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
  58         c1 = cos(alpha);
  59         s1 = sin(alpha);
  60         if (!inverse)
  61             s1 = -s1;
  62         exptab[i].re = c1;
  63         exptab[i].im = s1;
  64     }
  65 }
  66
  67 static void fft_ref(FFTComplex *tabr, FFTComplex *tab, int nbits)
  68 {
  69     int n, i, j, k, n2;
  70     double tmp_re, tmp_im, s, c;
  71     FFTComplex *q;
  72
  73     n = 1 << nbits;
  74     n2 = n >> 1;
  75     for (i = 0; i < n; i++) {
  76         tmp_re = 0;
  77         tmp_im = 0;
  78         q = tab;
  79         for (j = 0; j < n; j++) {
  80             k = (i * j) & (n - 1);
  81             if (k >= n2) {
  82                 c = -exptab[k - n2].re;
  83                 s = -exptab[k - n2].im;
  84             } else {
  85                 c = exptab[k].re;
  86                 s = exptab[k].im;
  87             }
  88             CMAC(tmp_re, tmp_im, c, s, q->re, q->im);
  89             q++;
  90         }
  91         tabr[i].re = tmp_re;
  92         tabr[i].im = tmp_im;
  93     }
  94 }
  95
  96 static void imdct_ref(float *out, float *in, int nbits)
  97 {
  98     int n = 1<<nbits;
  99     int k, i, a;
 100     double sum, f;
 101
 102     for (i = 0; i < n; i++) {
 103         sum = 0;
 104         for (k = 0; k < n/2; k++) {
 105             a = (2 * i + 1 + (n / 2)) * (2 * k + 1);
 106             f = cos(M_PI * a / (double)(2 * n));
 107             sum += f * in[k];
 108         }
 109         out[i] = -sum;
 110     }
 111 }
 112
 113 /* NOTE: no normalisation by 1 / N is done */
 114 static void mdct_ref(float *output, float *input, int nbits)
 115 {
 116     int n = 1<<nbits;
 117     int k, i;
 118     double a, s;
 119
 120     /* do it by hand */
 121     for (k = 0; k < n/2; k++) {
 122         s = 0;
 123         for (i = 0; i < n; i++) {
 124             a = (2*M_PI*(2*i+1+n/2)*(2*k+1) / (4 * n));
 125             s += input[i] * cos(a);
 126         }
 127         output[k] = s;
 128     }
 129 }
 130
 131 static void idct_ref(float *output, float *input, int nbits)
 132 {
 133     int n = 1<<nbits;
 134     int k, i;
 135     double a, s;
 136
 137     /* do it by hand */
 138     for (i = 0; i < n; i++) {
 139         s = 0.5 * input[0];
 140         for (k = 1; k < n; k++) {
 141             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 142             s += input[k] * cos(a);
 143         }
 144         output[i] = 2 * s / n;
 145     }
 146 }
 147 static void dct_ref(float *output, float *input, int nbits)
 148 {
 149     int n = 1<<nbits;
 150     int k, i;
 151     double a, s;
 152
 153     /* do it by hand */
 154     for (k = 0; k < n; k++) {
 155         s = 0;
 156         for (i = 0; i < n; i++) {
 157             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 158             s += input[i] * cos(a);
 159         }
 160         output[k] = s;
 161     }
 162 }
 163
 164
 165 static float frandom(AVLFG *prng)
 166 {
 167     return (int16_t)av_lfg_get(prng) / 32768.0;
 168 }
 169
 170 static int64_t gettime(void)
 171 {
 172     struct timeval tv;
 173     gettimeofday(&tv,NULL);
 174     return (int64_t)tv.tv_sec * 1000000 + tv.tv_usec;
 175 }
 176
 177 static void check_diff(float *tab1, float *tab2, int n, double scale)
 178 {
 179     int i;
 180     double max= 0;
 181     double error= 0;
 182
 183     for (i = 0; i < n; i++) {
 184         double e= fabsf(tab1[i] - (tab2[i] / scale));
 185         if (e >= 1e-3) {
 186             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "ERROR %d: %f %f\n",
 187                    i, tab1[i], tab2[i]);
 188         }
 189         error+= e*e;
 190         if(e>max) max= e;
 191     }
 192     av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "max:%f e:%g\n", max, sqrt(error)/n);
 193 }
 194
 195
 196 static void help(void)
 197 {
 198     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"usage: fft-test [-h] [-s] [-i] [-n b]\n"
 199            "-h     print this help\n"
 200            "-s     speed test\n"
 201            "-m     (I)MDCT test\n"
 202            "-d     (I)DCT test\n"
 203            "-i     inverse transform test\n"
 204            "-n b   set the transform size to 2^b\n"
 205            "-f x   set scale factor for output data of (I)MDCT to x\n"
 206            );
 207     exit(1);
 208 }
 209
 210 enum tf_transform {
 211     TRANSFORM_FFT,
 212     TRANSFORM_MDCT,
 213     TRANSFORM_RDFT,
 214     TRANSFORM_DCT,
 215 };
 216
 217 int main(int argc, char **argv)
 218 {
 219     FFTComplex *tab, *tab1, *tab_ref;
 220     FFTSample *tab2;
 221     int it, i, c;
 222     int do_speed = 0;
 223     enum tf_transform transform = TRANSFORM_FFT;
 224     int do_inverse = 0;
 225     FFTContext s1, *s = &s1;
 226     FFTContext m1, *m = &m1;
 227     RDFTContext r1, *r = &r1;
 228     DCTContext d1, *d = &d1;
 229     int fft_nbits, fft_size, fft_size_2;
 230     double scale = 1.0;
 231     AVLFG prng;
 232     av_lfg_init(&prng, 1);
 233
 234     fft_nbits = 9;
 235     for(;;) {
 236         c = getopt(argc, argv, "hsimrdn:f:");
 237         if (c == -1)
 238             break;
 239         switch(c) {
 240         case 'h':
 241             help();
 242             break;
 243         case 's':
 244             do_speed = 1;
 245             break;
 246         case 'i':
 247             do_inverse = 1;
 248             break;
 249         case 'm':
 250             transform = TRANSFORM_MDCT;
 251             break;
 252         case 'r':
 253             transform = TRANSFORM_RDFT;
 254             break;
 255         case 'd':
 256             transform = TRANSFORM_DCT;
 257             break;
 258         case 'n':
 259             fft_nbits = atoi(optarg);
 260             break;
 261         case 'f':
 262             scale = atof(optarg);
 263             break;
 264         }
 265     }
 266
 267     fft_size = 1 << fft_nbits;
 268     fft_size_2 = fft_size >> 1;
 269     tab = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 270     tab1 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 271     tab_ref = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 272     tab2 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTSample));
 273
 274     switch (transform) {
 275     case TRANSFORM_MDCT:
 276         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Scale factor is set to %f\n", scale);
 277         if (do_inverse)
 278             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IMDCT");
 279         else
 280             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"MDCT");
 281         ff_mdct_init(m, fft_nbits, do_inverse, scale);
 282         break;
 283     case TRANSFORM_FFT:
 284         if (do_inverse)
 285             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IFFT");
 286         else
 287             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"FFT");
 288         ff_fft_init(s, fft_nbits, do_inverse);
 289         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 290         break;
 291     case TRANSFORM_RDFT:
 292         if (do_inverse)
 293             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IRDFT");
 294         else
 295             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"RDFT");
 296         ff_rdft_init(r, fft_nbits, do_inverse ? IRDFT : RDFT);
 297         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 298         break;
 299     case TRANSFORM_DCT:
 300         if (do_inverse)
 301             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IDCT");
 302         else
 303             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DCT");
 304         ff_dct_init(d, fft_nbits, do_inverse);
 305         break;
 306     }
 307     av_log(NULL, AV_LOG_INFO," %d test\n", fft_size);
 308
 309     /* generate random data */
 310
 311     for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 312         tab1[i].re = frandom(&prng);
 313         tab1[i].im = frandom(&prng);
 314     }
 315
 316     /* checking result */
 317     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Checking...\n");
 318
 319     switch (transform) {
 320     case TRANSFORM_MDCT:
 321         if (do_inverse) {
 322             imdct_ref((float *)tab_ref, (float *)tab1, fft_nbits);
 323             ff_imdct_calc(m, tab2, (float *)tab1);
 324             check_diff((float *)tab_ref, tab2, fft_size, scale);
 325         } else {
 326             mdct_ref((float *)tab_ref, (float *)tab1, fft_nbits);
 327
 328             ff_mdct_calc(m, tab2, (float *)tab1);
 329
 330             check_diff((float *)tab_ref, tab2, fft_size / 2, scale);
 331         }
 332         break;
 333     case TRANSFORM_FFT:
 334         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 335         ff_fft_permute(s, tab);
 336         ff_fft_calc(s, tab);
 337
 338         fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 339         check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size * 2, 1.0);
 340         break;
 341     case TRANSFORM_RDFT:
 342         if (do_inverse) {
 343             tab1[         0].im = 0;
 344             tab1[fft_size_2].im = 0;
 345             for (i = 1; i < fft_size_2; i++) {
 346                 tab1[fft_size_2+i].re =  tab1[fft_size_2-i].re;
 347                 tab1[fft_size_2+i].im = -tab1[fft_size_2-i].im;
 348             }
 349
 350             memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 351             tab2[1] = tab1[fft_size_2].re;
 352
 353             ff_rdft_calc(r, tab2);
 354             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 355             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 356                 tab[i].re = tab2[i];
 357                 tab[i].im = 0;
 358             }
 359             check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size * 2, 0.5);
 360         } else {
 361             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 362                 tab2[i]    = tab1[i].re;
 363                 tab1[i].im = 0;
 364             }
 365             ff_rdft_calc(r, tab2);
 366             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 367             tab_ref[0].im = tab_ref[fft_size_2].re;
 368             check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab2, fft_size, 1.0);
 369         }
 370         break;
 371     case TRANSFORM_DCT:
 372         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 373         ff_dct_calc(d, tab);
 374         if (do_inverse) {
 375             idct_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 376         } else {
 377             dct_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 378         }
 379         check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size, 1.0);
 380         break;
 381     }
 382
 383     /* do a speed test */
 384
 385     if (do_speed) {
 386         int64_t time_start, duration;
 387         int nb_its;
 388
 389         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Speed test...\n");
 390         /* we measure during about 1 seconds */
 391         nb_its = 1;
 392         for(;;) {
 393             time_start = gettime();
 394             for (it = 0; it < nb_its; it++) {
 395                 switch (transform) {
 396                 case TRANSFORM_MDCT:
 397                     if (do_inverse) {
 398                         ff_imdct_calc(m, (float *)tab, (float *)tab1);
 399                     } else {
 400                         ff_mdct_calc(m, (float *)tab, (float *)tab1);
 401                     }
 402                     break;
 403                 case TRANSFORM_FFT:
 404                     memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 405                     ff_fft_calc(s, tab);
 406                     break;
 407                 case TRANSFORM_RDFT:
 408                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 409                     ff_rdft_calc(r, tab2);
 410                     break;
 411                 case TRANSFORM_DCT:
 412                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 413                     ff_dct_calc(d, tab2);
 414                     break;
 415                 }
 416             }
 417             duration = gettime() - time_start;
 418             if (duration >= 1000000)
 419                 break;
 420             nb_its *= 2;
 421         }
 422         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"time: %0.1f us/transform [total time=%0.2f s its=%d]\n",
 423                (double)duration / nb_its,
 424                (double)duration / 1000000.0,
 425                nb_its);
 426     }
 427
 428     switch (transform) {
 429     case TRANSFORM_MDCT:
 430         ff_mdct_end(m);
 431         break;
 432     case TRANSFORM_FFT:
 433         ff_fft_end(s);
 434         break;
 435     case TRANSFORM_RDFT:
 436         ff_rdft_end(r);
 437         break;
 438     case TRANSFORM_DCT:
 439         ff_dct_end(d);
 440         break;
 441     }
 442     return 0;
 443 }