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 #include "dct.h"
  31 #include "rdft.h"
  32 #include <math.h>
  33 #include <unistd.h>
  34 #include <sys/time.h>
  35 #include <stdlib.h>
  36 #include <string.h>
  37
  38 #undef exit
  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 FFTComplex *exptab;
  51
  52 static void fft_ref_init(int nbits, int inverse)
  53 {
  54     int n, i;
  55     double c1, s1, alpha;
  56
  57     n = 1 << nbits;
  58     exptab = av_malloc((n / 2) * sizeof(FFTComplex));
  59
  60     for (i = 0; i < (n/2); i++) {
  61         alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
  62         c1 = cos(alpha);
  63         s1 = sin(alpha);
  64         if (!inverse)
  65             s1 = -s1;
  66         exptab[i].re = c1;
  67         exptab[i].im = s1;
  68     }
  69 }
  70
  71 static void fft_ref(FFTComplex *tabr, FFTComplex *tab, int nbits)
  72 {
  73     int n, i, j, k, n2;
  74     double tmp_re, tmp_im, s, c;
  75     FFTComplex *q;
  76
  77     n = 1 << nbits;
  78     n2 = n >> 1;
  79     for (i = 0; i < n; i++) {
  80         tmp_re = 0;
  81         tmp_im = 0;
  82         q = tab;
  83         for (j = 0; j < n; j++) {
  84             k = (i * j) & (n - 1);
  85             if (k >= n2) {
  86                 c = -exptab[k - n2].re;
  87                 s = -exptab[k - n2].im;
  88             } else {
  89                 c = exptab[k].re;
  90                 s = exptab[k].im;
  91             }
  92             CMAC(tmp_re, tmp_im, c, s, q->re, q->im);
  93             q++;
  94         }
  95         tabr[i].re = tmp_re;
  96         tabr[i].im = tmp_im;
  97     }
  98 }
  99
 100 static void imdct_ref(float *out, float *in, int nbits)
 101 {
 102     int n = 1<<nbits;
 103     int k, i, a;
 104     double sum, f;
 105
 106     for (i = 0; i < n; i++) {
 107         sum = 0;
 108         for (k = 0; k < n/2; k++) {
 109             a = (2 * i + 1 + (n / 2)) * (2 * k + 1);
 110             f = cos(M_PI * a / (double)(2 * n));
 111             sum += f * in[k];
 112         }
 113         out[i] = -sum;
 114     }
 115 }
 116
 117 /* NOTE: no normalisation by 1 / N is done */
 118 static void mdct_ref(float *output, float *input, int nbits)
 119 {
 120     int n = 1<<nbits;
 121     int k, i;
 122     double a, s;
 123
 124     /* do it by hand */
 125     for (k = 0; k < n/2; k++) {
 126         s = 0;
 127         for (i = 0; i < n; i++) {
 128             a = (2*M_PI*(2*i+1+n/2)*(2*k+1) / (4 * n));
 129             s += input[i] * cos(a);
 130         }
 131         output[k] = s;
 132     }
 133 }
 134
 135 static void idct_ref(float *output, float *input, int nbits)
 136 {
 137     int n = 1<<nbits;
 138     int k, i;
 139     double a, s;
 140
 141     /* do it by hand */
 142     for (i = 0; i < n; i++) {
 143         s = 0.5 * input[0];
 144         for (k = 1; k < n; k++) {
 145             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 146             s += input[k] * cos(a);
 147         }
 148         output[i] = 2 * s / n;
 149     }
 150 }
 151 static void dct_ref(float *output, float *input, int nbits)
 152 {
 153     int n = 1<<nbits;
 154     int k, i;
 155     double a, s;
 156
 157     /* do it by hand */
 158     for (k = 0; k < n; k++) {
 159         s = 0;
 160         for (i = 0; i < n; i++) {
 161             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 162             s += input[i] * cos(a);
 163         }
 164         output[k] = s;
 165     }
 166 }
 167
 168
 169 static float frandom(AVLFG *prng)
 170 {
 171     return (int16_t)av_lfg_get(prng) / 32768.0;
 172 }
 173
 174 static int64_t gettime(void)
 175 {
 176     struct timeval tv;
 177     gettimeofday(&tv,NULL);
 178     return (int64_t)tv.tv_sec * 1000000 + tv.tv_usec;
 179 }
 180
 181 static int check_diff(float *tab1, float *tab2, int n, double scale)
 182 {
 183     int i;
 184     double max= 0;
 185     double error= 0;
 186     int err = 0;
 187
 188     for (i = 0; i < n; i++) {
 189         double e= fabsf(tab1[i] - (tab2[i] / scale));
 190         if (e >= 1e-3) {
 191             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "ERROR %5d: %10.6f %10.6f\n",
 192                    i, tab1[i], tab2[i]);
 193             err = 1;
 194         }
 195         error+= e*e;
 196         if(e>max) max= e;
 197     }
 198     av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "max:%f e:%g\n", max, sqrt(error)/n);
 199     return err;
 200 }
 201
 202
 203 static void help(void)
 204 {
 205     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"usage: fft-test [-h] [-s] [-i] [-n b]\n"
 206            "-h     print this help\n"
 207            "-s     speed test\n"
 208            "-m     (I)MDCT test\n"
 209            "-d     (I)DCT test\n"
 210            "-r     (I)RDFT test\n"
 211            "-i     inverse transform test\n"
 212            "-n b   set the transform size to 2^b\n"
 213            "-f x   set scale factor for output data of (I)MDCT to x\n"
 214            );
 215     exit(1);
 216 }
 217
 218 enum tf_transform {
 219     TRANSFORM_FFT,
 220     TRANSFORM_MDCT,
 221     TRANSFORM_RDFT,
 222     TRANSFORM_DCT,
 223 };
 224
 225 int main(int argc, char **argv)
 226 {
 227     FFTComplex *tab, *tab1, *tab_ref;
 228     FFTSample *tab2;
 229     int it, i, c;
 230     int do_speed = 0;
 231     int err = 1;
 232     enum tf_transform transform = TRANSFORM_FFT;
 233     int do_inverse = 0;
 234     FFTContext s1, *s = &s1;
 235     FFTContext m1, *m = &m1;
 236     RDFTContext r1, *r = &r1;
 237     DCTContext d1, *d = &d1;
 238     int fft_nbits, fft_size, fft_size_2;
 239     double scale = 1.0;
 240     AVLFG prng;
 241     av_lfg_init(&prng, 1);
 242
 243     fft_nbits = 9;
 244     for(;;) {
 245         c = getopt(argc, argv, "hsimrdn:f:");
 246         if (c == -1)
 247             break;
 248         switch(c) {
 249         case 'h':
 250             help();
 251             break;
 252         case 's':
 253             do_speed = 1;
 254             break;
 255         case 'i':
 256             do_inverse = 1;
 257             break;
 258         case 'm':
 259             transform = TRANSFORM_MDCT;
 260             break;
 261         case 'r':
 262             transform = TRANSFORM_RDFT;
 263             break;
 264         case 'd':
 265             transform = TRANSFORM_DCT;
 266             break;
 267         case 'n':
 268             fft_nbits = atoi(optarg);
 269             break;
 270         case 'f':
 271             scale = atof(optarg);
 272             break;
 273         }
 274     }
 275
 276     fft_size = 1 << fft_nbits;
 277     fft_size_2 = fft_size >> 1;
 278     tab = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 279     tab1 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 280     tab_ref = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 281     tab2 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTSample));
 282
 283     switch (transform) {
 284     case TRANSFORM_MDCT:
 285         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Scale factor is set to %f\n", scale);
 286         if (do_inverse)
 287             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IMDCT");
 288         else
 289             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"MDCT");
 290         ff_mdct_init(m, fft_nbits, do_inverse, scale);
 291         break;
 292     case TRANSFORM_FFT:
 293         if (do_inverse)
 294             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IFFT");
 295         else
 296             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"FFT");
 297         ff_fft_init(s, fft_nbits, do_inverse);
 298         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 299         break;
 300     case TRANSFORM_RDFT:
 301         if (do_inverse)
 302             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IDFT_C2R");
 303         else
 304             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DFT_R2C");
 305         ff_rdft_init(r, fft_nbits, do_inverse ? IDFT_C2R : DFT_R2C);
 306         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 307         break;
 308     case TRANSFORM_DCT:
 309         if (do_inverse)
 310             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DCT_III");
 311         else
 312             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DCT_II");
 313         ff_dct_init(d, fft_nbits, do_inverse ? DCT_III : DCT_II);
 314         break;
 315     }
 316     av_log(NULL, AV_LOG_INFO," %d test\n", fft_size);
 317
 318     /* generate random data */
 319
 320     for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 321         tab1[i].re = frandom(&prng);
 322         tab1[i].im = frandom(&prng);
 323     }
 324
 325     /* checking result */
 326     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Checking...\n");
 327
 328     switch (transform) {
 329     case TRANSFORM_MDCT:
 330         if (do_inverse) {
 331             imdct_ref((float *)tab_ref, (float *)tab1, fft_nbits);
 332             m->imdct_calc(m, tab2, (float *)tab1);
 333             err = check_diff((float *)tab_ref, tab2, fft_size, scale);
 334         } else {
 335             mdct_ref((float *)tab_ref, (float *)tab1, fft_nbits);
 336
 337             m->mdct_calc(m, tab2, (float *)tab1);
 338
 339             err = check_diff((float *)tab_ref, tab2, fft_size / 2, scale);
 340         }
 341         break;
 342     case TRANSFORM_FFT:
 343         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 344         s->fft_permute(s, tab);
 345         s->fft_calc(s, tab);
 346
 347         fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 348         err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size * 2, 1.0);
 349         break;
 350     case TRANSFORM_RDFT:
 351         if (do_inverse) {
 352             tab1[         0].im = 0;
 353             tab1[fft_size_2].im = 0;
 354             for (i = 1; i < fft_size_2; i++) {
 355                 tab1[fft_size_2+i].re =  tab1[fft_size_2-i].re;
 356                 tab1[fft_size_2+i].im = -tab1[fft_size_2-i].im;
 357             }
 358
 359             memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 360             tab2[1] = tab1[fft_size_2].re;
 361
 362             r->rdft_calc(r, tab2);
 363             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 364             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 365                 tab[i].re = tab2[i];
 366                 tab[i].im = 0;
 367             }
 368             err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size * 2, 0.5);
 369         } else {
 370             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 371                 tab2[i]    = tab1[i].re;
 372                 tab1[i].im = 0;
 373             }
 374             r->rdft_calc(r, tab2);
 375             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 376             tab_ref[0].im = tab_ref[fft_size_2].re;
 377             err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab2, fft_size, 1.0);
 378         }
 379         break;
 380     case TRANSFORM_DCT:
 381         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 382         d->dct_calc(d, tab);
 383         if (do_inverse) {
 384             idct_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 385         } else {
 386             dct_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 387         }
 388         err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size, 1.0);
 389         break;
 390     }
 391
 392     /* do a speed test */
 393
 394     if (do_speed) {
 395         int64_t time_start, duration;
 396         int nb_its;
 397
 398         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Speed test...\n");
 399         /* we measure during about 1 seconds */
 400         nb_its = 1;
 401         for(;;) {
 402             time_start = gettime();
 403             for (it = 0; it < nb_its; it++) {
 404                 switch (transform) {
 405                 case TRANSFORM_MDCT:
 406                     if (do_inverse) {
 407                         m->imdct_calc(m, (float *)tab, (float *)tab1);
 408                     } else {
 409                         m->mdct_calc(m, (float *)tab, (float *)tab1);
 410                     }
 411                     break;
 412                 case TRANSFORM_FFT:
 413                     memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 414                     s->fft_calc(s, tab);
 415                     break;
 416                 case TRANSFORM_RDFT:
 417                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 418                     r->rdft_calc(r, tab2);
 419                     break;
 420                 case TRANSFORM_DCT:
 421                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 422                     d->dct_calc(d, tab2);
 423                     break;
 424                 }
 425             }
 426             duration = gettime() - time_start;
 427             if (duration >= 1000000)
 428                 break;
 429             nb_its *= 2;
 430         }
 431         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"time: %0.1f us/transform [total time=%0.2f s its=%d]\n",
 432                (double)duration / nb_its,
 433                (double)duration / 1000000.0,
 434                nb_its);
 435     }
 436
 437     switch (transform) {
 438     case TRANSFORM_MDCT:
 439         ff_mdct_end(m);
 440         break;
 441     case TRANSFORM_FFT:
 442         ff_fft_end(s);
 443         break;
 444     case TRANSFORM_RDFT:
 445         ff_rdft_end(r);
 446         break;
 447     case TRANSFORM_DCT:
 448         ff_dct_end(d);
 449         break;
 450     }
 451
 452     av_free(tab);
 453     av_free(tab1);
 454     av_free(tab2);
 455     av_free(tab_ref);
 456     av_free(exptab);
 457
 458     return err;
 459 }