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 libavcodec/fft.c
  26  * FFT/IFFT transforms.
  27  */
  28
  29 #include "dsputil.h"
  30
  31 /* cos(2*pi*x/n) for 0<=x<=n/4, followed by its reverse */
  32 #if !CONFIG_HARDCODED_TABLES
  33 COSTABLE(16);
  34 COSTABLE(32);
  35 COSTABLE(64);
  36 COSTABLE(128);
  37 COSTABLE(256);
  38 COSTABLE(512);
  39 COSTABLE(1024);
  40 COSTABLE(2048);
  41 COSTABLE(4096);
  42 COSTABLE(8192);
  43 COSTABLE(16384);
  44 COSTABLE(32768);
  45 COSTABLE(65536);
  46 #endif
  47 COSTABLE_CONST FFTSample * const ff_cos_tabs[] = {
  48     NULL, NULL, NULL, NULL,
  49     ff_cos_16, ff_cos_32, ff_cos_64, ff_cos_128, ff_cos_256, ff_cos_512, ff_cos_1024,
  50     ff_cos_2048, ff_cos_4096, ff_cos_8192, ff_cos_16384, ff_cos_32768, ff_cos_65536,
  51 };
  52
  53 static int split_radix_permutation(int i, int n, int inverse)
  54 {
  55     int m;
  56     if(n <= 2) return i&1;
  57     m = n >> 1;
  58     if(!(i&m))            return split_radix_permutation(i, m, inverse)*2;
  59     m >>= 1;
  60     if(inverse == !(i&m)) return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 + 1;
  61     else                  return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 - 1;
  62 }
  63
  64 av_cold int ff_fft_init(FFTContext *s, int nbits, int inverse)
  65 {
  66     int i, j, m, n;
  67     float alpha, c1, s1, s2;
  68     int av_unused has_vectors;
  69
  70     if (nbits < 2 || nbits > 16)
  71         goto fail;
  72     s->nbits = nbits;
  73     n = 1 << nbits;
  74
  75     s->tmp_buf = NULL;
  76     s->exptab  = av_malloc((n / 2) * sizeof(FFTComplex));
  77     if (!s->exptab)
  78         goto fail;
  79     s->revtab = av_malloc(n * sizeof(uint16_t));
  80     if (!s->revtab)
  81         goto fail;
  82     s->inverse = inverse;
  83
  84     s2 = inverse ? 1.0 : -1.0;
  85
  86     s->fft_permute = ff_fft_permute_c;
  87     s->fft_calc    = ff_fft_calc_c;
  88     s->imdct_calc  = ff_imdct_calc_c;
  89     s->imdct_half  = ff_imdct_half_c;
  90     s->mdct_calc   = ff_mdct_calc_c;
  91     s->exptab1     = NULL;
  92     s->split_radix = 1;
  93
  94     if (ARCH_ARM)     ff_fft_init_arm(s);
  95     if (HAVE_ALTIVEC) ff_fft_init_altivec(s);
  96     if (HAVE_MMX)     ff_fft_init_mmx(s);
  97
  98     if (s->split_radix) {
  99 #if !CONFIG_HARDCODED_TABLES
 100         for(j=4; j<=nbits; j++) {
 101             int m = 1<<j;
 102             double freq = 2*M_PI/m;
 103             FFTSample *tab = ff_cos_tabs[j];
 104             for(i=0; i<=m/4; i++)
 105                 tab[i] = cos(i*freq);
 106             for(i=1; i<m/4; i++)
 107                 tab[m/2-i] = tab[i];
 108         }
 109 #endif
 110         for(i=0; i<n; i++)
 111             s->revtab[-split_radix_permutation(i, n, s->inverse) & (n-1)] = i;
 112         s->tmp_buf = av_malloc(n * sizeof(FFTComplex));
 113     } else {
 114         int np, nblocks, np2, l;
 115         FFTComplex *q;
 116
 117         for(i=0; i<(n/2); i++) {
 118             alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
 119             c1 = cos(alpha);
 120             s1 = sin(alpha) * s2;
 121             s->exptab[i].re = c1;
 122             s->exptab[i].im = s1;
 123         }
 124
 125         np = 1 << nbits;
 126         nblocks = np >> 3;
 127         np2 = np >> 1;
 128         s->exptab1 = av_malloc(np * 2 * sizeof(FFTComplex));
 129         if (!s->exptab1)
 130             goto fail;
 131         q = s->exptab1;
 132         do {
 133             for(l = 0; l < np2; l += 2 * nblocks) {
 134                 *q++ = s->exptab[l];
 135                 *q++ = s->exptab[l + nblocks];
 136
 137                 q->re = -s->exptab[l].im;
 138                 q->im = s->exptab[l].re;
 139                 q++;
 140                 q->re = -s->exptab[l + nblocks].im;
 141                 q->im = s->exptab[l + nblocks].re;
 142                 q++;
 143             }
 144             nblocks = nblocks >> 1;
 145         } while (nblocks != 0);
 146         av_freep(&s->exptab);
 147
 148         /* compute bit reverse table */
 149         for(i=0;i<n;i++) {
 150             m=0;
 151             for(j=0;j<nbits;j++) {
 152                 m |= ((i >> j) & 1) << (nbits-j-1);
 153             }
 154             s->revtab[i]=m;
 155         }
 156     }
 157
 158     return 0;
 159  fail:
 160     av_freep(&s->revtab);
 161     av_freep(&s->exptab);
 162     av_freep(&s->exptab1);
 163     av_freep(&s->tmp_buf);
 164     return -1;
 165 }
 166
 167 void ff_fft_permute_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 168 {
 169     int j, k, np;
 170     FFTComplex tmp;
 171     const uint16_t *revtab = s->revtab;
 172     np = 1 << s->nbits;
 173
 174     if (s->tmp_buf) {
 175         /* TODO: handle split-radix permute in a more optimal way, probably in-place */
 176         for(j=0;j<np;j++) s->tmp_buf[revtab[j]] = z[j];
 177         memcpy(z, s->tmp_buf, np * sizeof(FFTComplex));
 178         return;
 179     }
 180
 181     /* reverse */
 182     for(j=0;j<np;j++) {
 183         k = revtab[j];
 184         if (k < j) {
 185             tmp = z[k];
 186             z[k] = z[j];
 187             z[j] = tmp;
 188         }
 189     }
 190 }
 191
 192 av_cold void ff_fft_end(FFTContext *s)
 193 {
 194     av_freep(&s->revtab);
 195     av_freep(&s->exptab);
 196     av_freep(&s->exptab1);
 197     av_freep(&s->tmp_buf);
 198 }
 199
 200 #define sqrthalf (float)M_SQRT1_2
 201
 202 #define BF(x,y,a,b) {\
 203     x = a - b;\
 204     y = a + b;\
 205 }
 206
 207 #define BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3) {\
 208     BF(t3, t5, t5, t1);\
 209     BF(a2.re, a0.re, a0.re, t5);\
 210     BF(a3.im, a1.im, a1.im, t3);\
 211     BF(t4, t6, t2, t6);\
 212     BF(a3.re, a1.re, a1.re, t4);\
 213     BF(a2.im, a0.im, a0.im, t6);\
 214 }
 215
 216 // force loading all the inputs before storing any.
 217 // this is slightly slower for small data, but avoids store->load aliasing
 218 // for addresses separated by large powers of 2.
 219 #define BUTTERFLIES_BIG(a0,a1,a2,a3) {\
 220     FFTSample r0=a0.re, i0=a0.im, r1=a1.re, i1=a1.im;\
 221     BF(t3, t5, t5, t1);\
 222     BF(a2.re, a0.re, r0, t5);\
 223     BF(a3.im, a1.im, i1, t3);\
 224     BF(t4, t6, t2, t6);\
 225     BF(a3.re, a1.re, r1, t4);\
 226     BF(a2.im, a0.im, i0, t6);\
 227 }
 228
 229 #define TRANSFORM(a0,a1,a2,a3,wre,wim) {\
 230     t1 = a2.re * wre + a2.im * wim;\
 231     t2 = a2.im * wre - a2.re * wim;\
 232     t5 = a3.re * wre - a3.im * wim;\
 233     t6 = a3.im * wre + a3.re * wim;\
 234     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 235 }
 236
 237 #define TRANSFORM_ZERO(a0,a1,a2,a3) {\
 238     t1 = a2.re;\
 239     t2 = a2.im;\
 240     t5 = a3.re;\
 241     t6 = a3.im;\
 242     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 243 }
 244
 245 /* z[0...8n-1], w[1...2n-1] */
 246 #define PASS(name)\
 247 static void name(FFTComplex *z, const FFTSample *wre, unsigned int n)\
 248 {\
 249     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;\
 250     int o1 = 2*n;\
 251     int o2 = 4*n;\
 252     int o3 = 6*n;\
 253     const FFTSample *wim = wre+o1;\
 254     n--;\
 255 \
 256     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[o1],z[o2],z[o3]);\
 257     TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 258     do {\
 259         z += 2;\
 260         wre += 2;\
 261         wim -= 2;\
 262         TRANSFORM(z[0],z[o1],z[o2],z[o3],wre[0],wim[0]);\
 263         TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 264     } while(--n);\
 265 }
 266
 267 PASS(pass)
 268 #undef BUTTERFLIES
 269 #define BUTTERFLIES BUTTERFLIES_BIG
 270 PASS(pass_big)
 271
 272 #define DECL_FFT(n,n2,n4)\
 273 static void fft##n(FFTComplex *z)\
 274 {\
 275     fft##n2(z);\
 276     fft##n4(z+n4*2);\
 277     fft##n4(z+n4*3);\
 278     pass(z,ff_cos_##n,n4/2);\
 279 }
 280
 281 static void fft4(FFTComplex *z)
 282 {
 283     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
 284
 285     BF(t3, t1, z[0].re, z[1].re);
 286     BF(t8, t6, z[3].re, z[2].re);
 287     BF(z[2].re, z[0].re, t1, t6);
 288     BF(t4, t2, z[0].im, z[1].im);
 289     BF(t7, t5, z[2].im, z[3].im);
 290     BF(z[3].im, z[1].im, t4, t8);
 291     BF(z[3].re, z[1].re, t3, t7);
 292     BF(z[2].im, z[0].im, t2, t5);
 293 }
 294
 295 static void fft8(FFTComplex *z)
 296 {
 297     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
 298
 299     fft4(z);
 300
 301     BF(t1, z[5].re, z[4].re, -z[5].re);
 302     BF(t2, z[5].im, z[4].im, -z[5].im);
 303     BF(t3, z[7].re, z[6].re, -z[7].re);
 304     BF(t4, z[7].im, z[6].im, -z[7].im);
 305     BF(t8, t1, t3, t1);
 306     BF(t7, t2, t2, t4);
 307     BF(z[4].re, z[0].re, z[0].re, t1);
 308     BF(z[4].im, z[0].im, z[0].im, t2);
 309     BF(z[6].re, z[2].re, z[2].re, t7);
 310     BF(z[6].im, z[2].im, z[2].im, t8);
 311
 312     TRANSFORM(z[1],z[3],z[5],z[7],sqrthalf,sqrthalf);
 313 }
 314
 315 #if !CONFIG_SMALL
 316 static void fft16(FFTComplex *z)
 317 {
 318     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;
 319
 320     fft8(z);
 321     fft4(z+8);
 322     fft4(z+12);
 323
 324     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[4],z[8],z[12]);
 325     TRANSFORM(z[2],z[6],z[10],z[14],sqrthalf,sqrthalf);
 326     TRANSFORM(z[1],z[5],z[9],z[13],ff_cos_16[1],ff_cos_16[3]);
 327     TRANSFORM(z[3],z[7],z[11],z[15],ff_cos_16[3],ff_cos_16[1]);
 328 }
 329 #else
 330 DECL_FFT(16,8,4)
 331 #endif
 332 DECL_FFT(32,16,8)
 333 DECL_FFT(64,32,16)
 334 DECL_FFT(128,64,32)
 335 DECL_FFT(256,128,64)
 336 DECL_FFT(512,256,128)
 337 #if !CONFIG_SMALL
 338 #define pass pass_big
 339 #endif
 340 DECL_FFT(1024,512,256)
 341 DECL_FFT(2048,1024,512)
 342 DECL_FFT(4096,2048,1024)
 343 DECL_FFT(8192,4096,2048)
 344 DECL_FFT(16384,8192,4096)
 345 DECL_FFT(32768,16384,8192)
 346 DECL_FFT(65536,32768,16384)
 347
 348 static void (* const fft_dispatch[])(FFTComplex*) = {
 349     fft4, fft8, fft16, fft32, fft64, fft128, fft256, fft512, fft1024,
 350     fft2048, fft4096, fft8192, fft16384, fft32768, fft65536,
 351 };
 352
 353 void ff_fft_calc_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 354 {
 355     fft_dispatch[s->nbits-2](z);
 356 }
 357