git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavcodec/fft.c

   1 /*
   2  * FFT/IFFT transforms
   3  * Copyright (c) 2008 Loren Merritt
   4  * Copyright (c) 2002 Fabrice Bellard
   5  * Partly based on libdjbfft by D. J. Bernstein
   6  *
   7  * This file is part of FFmpeg.
   8  *
   9  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
  11  * License as published by the Free Software Foundation; either
  12  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  21  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  22  */
  23
  24 /**
  25  * @file
  26  * FFT/IFFT transforms.
  27  */
  28
  29 #include <stdlib.h>
  30 #include <string.h>
  31 #include "libavutil/mathematics.h"
  32 #include "fft.h"
  33
  34 /* cos(2*pi*x/n) for 0<=x<=n/4, followed by its reverse */
  35 #if !CONFIG_HARDCODED_TABLES
  36 COSTABLE(16);
  37 COSTABLE(32);
  38 COSTABLE(64);
  39 COSTABLE(128);
  40 COSTABLE(256);
  41 COSTABLE(512);
  42 COSTABLE(1024);
  43 COSTABLE(2048);
  44 COSTABLE(4096);
  45 COSTABLE(8192);
  46 COSTABLE(16384);
  47 COSTABLE(32768);
  48 COSTABLE(65536);
  49 #endif
  50 COSTABLE_CONST FFTSample * const ff_cos_tabs[] = {
  51     NULL, NULL, NULL, NULL,
  52     ff_cos_16, ff_cos_32, ff_cos_64, ff_cos_128, ff_cos_256, ff_cos_512, ff_cos_1024,
  53     ff_cos_2048, ff_cos_4096, ff_cos_8192, ff_cos_16384, ff_cos_32768, ff_cos_65536,
  54 };
  55
  56 static int split_radix_permutation(int i, int n, int inverse)
  57 {
  58     int m;
  59     if(n <= 2) return i&1;
  60     m = n >> 1;
  61     if(!(i&m))            return split_radix_permutation(i, m, inverse)*2;
  62     m >>= 1;
  63     if(inverse == !(i&m)) return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 + 1;
  64     else                  return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 - 1;
  65 }
  66
  67 av_cold void ff_init_ff_cos_tabs(int index)
  68 {
  69 #if !CONFIG_HARDCODED_TABLES
  70     int i;
  71     int m = 1<<index;
  72     double freq = 2*M_PI/m;
  73     FFTSample *tab = ff_cos_tabs[index];
  74     for(i=0; i<=m/4; i++)
  75         tab[i] = cos(i*freq);
  76     for(i=1; i<m/4; i++)
  77         tab[m/2-i] = tab[i];
  78 #endif
  79 }
  80
  81 av_cold int ff_fft_init(FFTContext *s, int nbits, int inverse)
  82 {
  83     int i, j, n;
  84
  85     if (nbits < 2 || nbits > 16)
  86         goto fail;
  87     s->nbits = nbits;
  88     n = 1 << nbits;
  89
  90     s->revtab = av_malloc(n * sizeof(uint16_t));
  91     if (!s->revtab)
  92         goto fail;
  93     s->tmp_buf = av_malloc(n * sizeof(FFTComplex));
  94     if (!s->tmp_buf)
  95         goto fail;
  96     s->inverse = inverse;
  97
  98     s->fft_permute = ff_fft_permute_c;
  99     s->fft_calc    = ff_fft_calc_c;
 100 #if CONFIG_MDCT
 101     s->imdct_calc  = ff_imdct_calc_c;
 102     s->imdct_half  = ff_imdct_half_c;
 103     s->mdct_calc   = ff_mdct_calc_c;
 104 #endif
 105
 106     if (ARCH_ARM)     ff_fft_init_arm(s);
 107     if (HAVE_ALTIVEC) ff_fft_init_altivec(s);
 108     if (HAVE_MMX)     ff_fft_init_mmx(s);
 109
 110     for(j=4; j<=nbits; j++) {
 111         ff_init_ff_cos_tabs(j);
 112     }
 113     for(i=0; i<n; i++)
 114         s->revtab[-split_radix_permutation(i, n, s->inverse) & (n-1)] = i;
 115
 116     return 0;
 117  fail:
 118     av_freep(&s->revtab);
 119     av_freep(&s->tmp_buf);
 120     return -1;
 121 }
 122
 123 void ff_fft_permute_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 124 {
 125     int j, np;
 126     const uint16_t *revtab = s->revtab;
 127     np = 1 << s->nbits;
 128     /* TODO: handle split-radix permute in a more optimal way, probably in-place */
 129     for(j=0;j<np;j++) s->tmp_buf[revtab[j]] = z[j];
 130     memcpy(z, s->tmp_buf, np * sizeof(FFTComplex));
 131 }
 132
 133 av_cold void ff_fft_end(FFTContext *s)
 134 {
 135     av_freep(&s->revtab);
 136     av_freep(&s->tmp_buf);
 137 }
 138
 139 #define sqrthalf (float)M_SQRT1_2
 140
 141 #define BF(x,y,a,b) {\
 142     x = a - b;\
 143     y = a + b;\
 144 }
 145
 146 #define BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3) {\
 147     BF(t3, t5, t5, t1);\
 148     BF(a2.re, a0.re, a0.re, t5);\
 149     BF(a3.im, a1.im, a1.im, t3);\
 150     BF(t4, t6, t2, t6);\
 151     BF(a3.re, a1.re, a1.re, t4);\
 152     BF(a2.im, a0.im, a0.im, t6);\
 153 }
 154
 155 // force loading all the inputs before storing any.
 156 // this is slightly slower for small data, but avoids store->load aliasing
 157 // for addresses separated by large powers of 2.
 158 #define BUTTERFLIES_BIG(a0,a1,a2,a3) {\
 159     FFTSample r0=a0.re, i0=a0.im, r1=a1.re, i1=a1.im;\
 160     BF(t3, t5, t5, t1);\
 161     BF(a2.re, a0.re, r0, t5);\
 162     BF(a3.im, a1.im, i1, t3);\
 163     BF(t4, t6, t2, t6);\
 164     BF(a3.re, a1.re, r1, t4);\
 165     BF(a2.im, a0.im, i0, t6);\
 166 }
 167
 168 #define TRANSFORM(a0,a1,a2,a3,wre,wim) {\
 169     t1 = a2.re * wre + a2.im * wim;\
 170     t2 = a2.im * wre - a2.re * wim;\
 171     t5 = a3.re * wre - a3.im * wim;\
 172     t6 = a3.im * wre + a3.re * wim;\
 173     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 174 }
 175
 176 #define TRANSFORM_ZERO(a0,a1,a2,a3) {\
 177     t1 = a2.re;\
 178     t2 = a2.im;\
 179     t5 = a3.re;\
 180     t6 = a3.im;\
 181     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 182 }
 183
 184 /* z[0...8n-1], w[1...2n-1] */
 185 #define PASS(name)\
 186 static void name(FFTComplex *z, const FFTSample *wre, unsigned int n)\
 187 {\
 188     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;\
 189     int o1 = 2*n;\
 190     int o2 = 4*n;\
 191     int o3 = 6*n;\
 192     const FFTSample *wim = wre+o1;\
 193     n--;\
 194 \
 195     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[o1],z[o2],z[o3]);\
 196     TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 197     do {\
 198         z += 2;\
 199         wre += 2;\
 200         wim -= 2;\
 201         TRANSFORM(z[0],z[o1],z[o2],z[o3],wre[0],wim[0]);\
 202         TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 203     } while(--n);\
 204 }
 205
 206 PASS(pass)
 207 #undef BUTTERFLIES
 208 #define BUTTERFLIES BUTTERFLIES_BIG
 209 PASS(pass_big)
 210
 211 #define DECL_FFT(n,n2,n4)\
 212 static void fft##n(FFTComplex *z)\
 213 {\
 214     fft##n2(z);\
 215     fft##n4(z+n4*2);\
 216     fft##n4(z+n4*3);\
 217     pass(z,ff_cos_##n,n4/2);\
 218 }
 219
 220 static void fft4(FFTComplex *z)
 221 {
 222     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
 223
 224     BF(t3, t1, z[0].re, z[1].re);
 225     BF(t8, t6, z[3].re, z[2].re);
 226     BF(z[2].re, z[0].re, t1, t6);
 227     BF(t4, t2, z[0].im, z[1].im);
 228     BF(t7, t5, z[2].im, z[3].im);
 229     BF(z[3].im, z[1].im, t4, t8);
 230     BF(z[3].re, z[1].re, t3, t7);
 231     BF(z[2].im, z[0].im, t2, t5);
 232 }
 233
 234 static void fft8(FFTComplex *z)
 235 {
 236     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
 237
 238     fft4(z);
 239
 240     BF(t1, z[5].re, z[4].re, -z[5].re);
 241     BF(t2, z[5].im, z[4].im, -z[5].im);
 242     BF(t3, z[7].re, z[6].re, -z[7].re);
 243     BF(t4, z[7].im, z[6].im, -z[7].im);
 244     BF(t8, t1, t3, t1);
 245     BF(t7, t2, t2, t4);
 246     BF(z[4].re, z[0].re, z[0].re, t1);
 247     BF(z[4].im, z[0].im, z[0].im, t2);
 248     BF(z[6].re, z[2].re, z[2].re, t7);
 249     BF(z[6].im, z[2].im, z[2].im, t8);
 250
 251     TRANSFORM(z[1],z[3],z[5],z[7],sqrthalf,sqrthalf);
 252 }
 253
 254 #if !CONFIG_SMALL
 255 static void fft16(FFTComplex *z)
 256 {
 257     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;
 258
 259     fft8(z);
 260     fft4(z+8);
 261     fft4(z+12);
 262
 263     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[4],z[8],z[12]);
 264     TRANSFORM(z[2],z[6],z[10],z[14],sqrthalf,sqrthalf);
 265     TRANSFORM(z[1],z[5],z[9],z[13],ff_cos_16[1],ff_cos_16[3]);
 266     TRANSFORM(z[3],z[7],z[11],z[15],ff_cos_16[3],ff_cos_16[1]);
 267 }
 268 #else
 269 DECL_FFT(16,8,4)
 270 #endif
 271 DECL_FFT(32,16,8)
 272 DECL_FFT(64,32,16)
 273 DECL_FFT(128,64,32)
 274 DECL_FFT(256,128,64)
 275 DECL_FFT(512,256,128)
 276 #if !CONFIG_SMALL
 277 #define pass pass_big
 278 #endif
 279 DECL_FFT(1024,512,256)
 280 DECL_FFT(2048,1024,512)
 281 DECL_FFT(4096,2048,1024)
 282 DECL_FFT(8192,4096,2048)
 283 DECL_FFT(16384,8192,4096)
 284 DECL_FFT(32768,16384,8192)
 285 DECL_FFT(65536,32768,16384)
 286
 287 static void (* const fft_dispatch[])(FFTComplex*) = {
 288     fft4, fft8, fft16, fft32, fft64, fft128, fft256, fft512, fft1024,
 289     fft2048, fft4096, fft8192, fft16384, fft32768, fft65536,
 290 };
 291
 292 void ff_fft_calc_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 293 {
 294     fft_dispatch[s->nbits-2](z);
 295 }
 296