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/mathematics.h"
  27 #include "libavutil/lfg.h"
  28 #include "libavutil/log.h"
  29 #include "fft.h"
  30 #if CONFIG_FFT_FLOAT
  31 #include "dct.h"
  32 #include "rdft.h"
  33 #endif
  34 #include <math.h>
  35 #include <unistd.h>
  36 #include <sys/time.h>
  37 #include <stdlib.h>
  38 #include <string.h>
  39
  40 /* reference fft */
  41
  42 #define MUL16(a,b) ((a) * (b))
  43
  44 #define CMAC(pre, pim, are, aim, bre, bim) \
  45 {\
  46    pre += (MUL16(are, bre) - MUL16(aim, bim));\
  47    pim += (MUL16(are, bim) + MUL16(bre, aim));\
  48 }
  49
  50 #if CONFIG_FFT_FLOAT
  51 #   define RANGE 1.0
  52 #   define REF_SCALE(x, bits)  (x)
  53 #   define FMT "%10.6f"
  54 #else
  55 #   define RANGE 16384
  56 #   define REF_SCALE(x, bits) ((x) / (1<<(bits)))
  57 #   define FMT "%6d"
  58 #endif
  59
  60 struct {
  61     float re, im;
  62 } *exptab;
  63
  64 static void fft_ref_init(int nbits, int inverse)
  65 {
  66     int n, i;
  67     double c1, s1, alpha;
  68
  69     n = 1 << nbits;
  70     exptab = av_malloc((n / 2) * sizeof(*exptab));
  71
  72     for (i = 0; i < (n/2); i++) {
  73         alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
  74         c1 = cos(alpha);
  75         s1 = sin(alpha);
  76         if (!inverse)
  77             s1 = -s1;
  78         exptab[i].re = c1;
  79         exptab[i].im = s1;
  80     }
  81 }
  82
  83 static void fft_ref(FFTComplex *tabr, FFTComplex *tab, int nbits)
  84 {
  85     int n, i, j, k, n2;
  86     double tmp_re, tmp_im, s, c;
  87     FFTComplex *q;
  88
  89     n = 1 << nbits;
  90     n2 = n >> 1;
  91     for (i = 0; i < n; i++) {
  92         tmp_re = 0;
  93         tmp_im = 0;
  94         q = tab;
  95         for (j = 0; j < n; j++) {
  96             k = (i * j) & (n - 1);
  97             if (k >= n2) {
  98                 c = -exptab[k - n2].re;
  99                 s = -exptab[k - n2].im;
 100             } else {
 101                 c = exptab[k].re;
 102                 s = exptab[k].im;
 103             }
 104             CMAC(tmp_re, tmp_im, c, s, q->re, q->im);
 105             q++;
 106         }
 107         tabr[i].re = REF_SCALE(tmp_re, nbits);
 108         tabr[i].im = REF_SCALE(tmp_im, nbits);
 109     }
 110 }
 111
 112 static void imdct_ref(FFTSample *out, FFTSample *in, int nbits)
 113 {
 114     int n = 1<<nbits;
 115     int k, i, a;
 116     double sum, f;
 117
 118     for (i = 0; i < n; i++) {
 119         sum = 0;
 120         for (k = 0; k < n/2; k++) {
 121             a = (2 * i + 1 + (n / 2)) * (2 * k + 1);
 122             f = cos(M_PI * a / (double)(2 * n));
 123             sum += f * in[k];
 124         }
 125         out[i] = REF_SCALE(-sum, nbits - 2);
 126     }
 127 }
 128
 129 /* NOTE: no normalisation by 1 / N is done */
 130 static void mdct_ref(FFTSample *output, FFTSample *input, int nbits)
 131 {
 132     int n = 1<<nbits;
 133     int k, i;
 134     double a, s;
 135
 136     /* do it by hand */
 137     for (k = 0; k < n/2; k++) {
 138         s = 0;
 139         for (i = 0; i < n; i++) {
 140             a = (2*M_PI*(2*i+1+n/2)*(2*k+1) / (4 * n));
 141             s += input[i] * cos(a);
 142         }
 143         output[k] = REF_SCALE(s, nbits - 1);
 144     }
 145 }
 146
 147 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 148 static void idct_ref(float *output, float *input, int nbits)
 149 {
 150     int n = 1<<nbits;
 151     int k, i;
 152     double a, s;
 153
 154     /* do it by hand */
 155     for (i = 0; i < n; i++) {
 156         s = 0.5 * input[0];
 157         for (k = 1; k < n; k++) {
 158             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 159             s += input[k] * cos(a);
 160         }
 161         output[i] = 2 * s / n;
 162     }
 163 }
 164 static void dct_ref(float *output, float *input, int nbits)
 165 {
 166     int n = 1<<nbits;
 167     int k, i;
 168     double a, s;
 169
 170     /* do it by hand */
 171     for (k = 0; k < n; k++) {
 172         s = 0;
 173         for (i = 0; i < n; i++) {
 174             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 175             s += input[i] * cos(a);
 176         }
 177         output[k] = s;
 178     }
 179 }
 180 #endif
 181
 182
 183 static FFTSample frandom(AVLFG *prng)
 184 {
 185     return (int16_t)av_lfg_get(prng) / 32768.0 * RANGE;
 186 }
 187
 188 static int64_t gettime(void)
 189 {
 190     struct timeval tv;
 191     gettimeofday(&tv,NULL);
 192     return (int64_t)tv.tv_sec * 1000000 + tv.tv_usec;
 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 int main(int argc, char **argv)
 239 {
 240     FFTComplex *tab, *tab1, *tab_ref;
 241     FFTSample *tab2;
 242     int it, i, c;
 243     int do_speed = 0;
 244     int err = 1;
 245     enum tf_transform transform = TRANSFORM_FFT;
 246     int do_inverse = 0;
 247     FFTContext s1, *s = &s1;
 248     FFTContext m1, *m = &m1;
 249 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 250     RDFTContext r1, *r = &r1;
 251     DCTContext d1, *d = &d1;
 252     int fft_size_2;
 253 #endif
 254     int fft_nbits, fft_size;
 255     double scale = 1.0;
 256     AVLFG prng;
 257     av_lfg_init(&prng, 1);
 258
 259     fft_nbits = 9;
 260     for(;;) {
 261         c = getopt(argc, argv, "hsimrdn:f:");
 262         if (c == -1)
 263             break;
 264         switch(c) {
 265         case 'h':
 266             help();
 267             return 1;
 268         case 's':
 269             do_speed = 1;
 270             break;
 271         case 'i':
 272             do_inverse = 1;
 273             break;
 274         case 'm':
 275             transform = TRANSFORM_MDCT;
 276             break;
 277         case 'r':
 278             transform = TRANSFORM_RDFT;
 279             break;
 280         case 'd':
 281             transform = TRANSFORM_DCT;
 282             break;
 283         case 'n':
 284             fft_nbits = atoi(optarg);
 285             break;
 286         case 'f':
 287             scale = atof(optarg);
 288             break;
 289         }
 290     }
 291
 292     fft_size = 1 << fft_nbits;
 293     tab = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 294     tab1 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 295     tab_ref = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 296     tab2 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTSample));
 297
 298     switch (transform) {
 299     case TRANSFORM_MDCT:
 300         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Scale factor is set to %f\n", scale);
 301         if (do_inverse)
 302             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IMDCT");
 303         else
 304             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"MDCT");
 305         ff_mdct_init(m, fft_nbits, do_inverse, scale);
 306         break;
 307     case TRANSFORM_FFT:
 308         if (do_inverse)
 309             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IFFT");
 310         else
 311             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"FFT");
 312         ff_fft_init(s, fft_nbits, do_inverse);
 313         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 314         break;
 315 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 316     case TRANSFORM_RDFT:
 317         if (do_inverse)
 318             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IDFT_C2R");
 319         else
 320             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DFT_R2C");
 321         ff_rdft_init(r, fft_nbits, do_inverse ? IDFT_C2R : DFT_R2C);
 322         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 323         break;
 324     case TRANSFORM_DCT:
 325         if (do_inverse)
 326             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DCT_III");
 327         else
 328             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DCT_II");
 329         ff_dct_init(d, fft_nbits, do_inverse ? DCT_III : DCT_II);
 330         break;
 331 #endif
 332     default:
 333         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Requested transform not supported\n");
 334         return 1;
 335     }
 336     av_log(NULL, AV_LOG_INFO," %d test\n", fft_size);
 337
 338     /* generate random data */
 339
 340     for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 341         tab1[i].re = frandom(&prng);
 342         tab1[i].im = frandom(&prng);
 343     }
 344
 345     /* checking result */
 346     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Checking...\n");
 347
 348     switch (transform) {
 349     case TRANSFORM_MDCT:
 350         if (do_inverse) {
 351             imdct_ref((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 352             m->imdct_calc(m, tab2, (FFTSample *)tab1);
 353             err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, tab2, fft_size, scale);
 354         } else {
 355             mdct_ref((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 356
 357             m->mdct_calc(m, tab2, (FFTSample *)tab1);
 358
 359             err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, tab2, fft_size / 2, scale);
 360         }
 361         break;
 362     case TRANSFORM_FFT:
 363         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 364         s->fft_permute(s, tab);
 365         s->fft_calc(s, tab);
 366
 367         fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 368         err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab, fft_size * 2, 1.0);
 369         break;
 370 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 371     case TRANSFORM_RDFT:
 372         fft_size_2 = fft_size >> 1;
 373         if (do_inverse) {
 374             tab1[         0].im = 0;
 375             tab1[fft_size_2].im = 0;
 376             for (i = 1; i < fft_size_2; i++) {
 377                 tab1[fft_size_2+i].re =  tab1[fft_size_2-i].re;
 378                 tab1[fft_size_2+i].im = -tab1[fft_size_2-i].im;
 379             }
 380
 381             memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 382             tab2[1] = tab1[fft_size_2].re;
 383
 384             r->rdft_calc(r, tab2);
 385             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 386             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 387                 tab[i].re = tab2[i];
 388                 tab[i].im = 0;
 389             }
 390             err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size * 2, 0.5);
 391         } else {
 392             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 393                 tab2[i]    = tab1[i].re;
 394                 tab1[i].im = 0;
 395             }
 396             r->rdft_calc(r, tab2);
 397             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 398             tab_ref[0].im = tab_ref[fft_size_2].re;
 399             err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab2, fft_size, 1.0);
 400         }
 401         break;
 402     case TRANSFORM_DCT:
 403         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 404         d->dct_calc(d, tab);
 405         if (do_inverse) {
 406             idct_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 407         } else {
 408             dct_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 409         }
 410         err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size, 1.0);
 411         break;
 412 #endif
 413     }
 414
 415     /* do a speed test */
 416
 417     if (do_speed) {
 418         int64_t time_start, duration;
 419         int nb_its;
 420
 421         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Speed test...\n");
 422         /* we measure during about 1 seconds */
 423         nb_its = 1;
 424         for(;;) {
 425             time_start = gettime();
 426             for (it = 0; it < nb_its; it++) {
 427                 switch (transform) {
 428                 case TRANSFORM_MDCT:
 429                     if (do_inverse) {
 430                         m->imdct_calc(m, (FFTSample *)tab, (FFTSample *)tab1);
 431                     } else {
 432                         m->mdct_calc(m, (FFTSample *)tab, (FFTSample *)tab1);
 433                     }
 434                     break;
 435                 case TRANSFORM_FFT:
 436                     memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 437                     s->fft_calc(s, tab);
 438                     break;
 439 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 440                 case TRANSFORM_RDFT:
 441                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 442                     r->rdft_calc(r, tab2);
 443                     break;
 444                 case TRANSFORM_DCT:
 445                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 446                     d->dct_calc(d, tab2);
 447                     break;
 448 #endif
 449                 }
 450             }
 451             duration = gettime() - time_start;
 452             if (duration >= 1000000)
 453                 break;
 454             nb_its *= 2;
 455         }
 456         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"time: %0.1f us/transform [total time=%0.2f s its=%d]\n",
 457                (double)duration / nb_its,
 458                (double)duration / 1000000.0,
 459                nb_its);
 460     }
 461
 462     switch (transform) {
 463     case TRANSFORM_MDCT:
 464         ff_mdct_end(m);
 465         break;
 466     case TRANSFORM_FFT:
 467         ff_fft_end(s);
 468         break;
 469 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 470     case TRANSFORM_RDFT:
 471         ff_rdft_end(r);
 472         break;
 473     case TRANSFORM_DCT:
 474         ff_dct_end(d);
 475         break;
 476 #endif
 477     }
 478
 479     av_free(tab);
 480     av_free(tab1);
 481     av_free(tab2);
 482     av_free(tab_ref);
 483     av_free(exptab);
 484
 485     return err;
 486 }