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 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 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_16[8]);
  33 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_32[16]);
  34 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_64[32]);
  35 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_128[64]);
  36 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_256[128]);
  37 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_512[256]);
  38 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_1024[512]);
  39 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_2048[1024]);
  40 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_4096[2048]);
  41 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_8192[4096]);
  42 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_16384[8192]);
  43 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_32768[16384]);
  44 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_65536[32768]);
  45 static FFTSample *ff_cos_tabs[] = {
  46     ff_cos_16, ff_cos_32, ff_cos_64, ff_cos_128, ff_cos_256, ff_cos_512, ff_cos_1024,
  47     ff_cos_2048, ff_cos_4096, ff_cos_8192, ff_cos_16384, ff_cos_32768, ff_cos_65536,
  48 };
  49
  50 static int split_radix_permutation(int i, int n, int inverse)
  51 {
  52     int m;
  53     if(n <= 2) return i&1;
  54     m = n >> 1;
  55     if(!(i&m))            return split_radix_permutation(i, m, inverse)*2;
  56     m >>= 1;
  57     if(inverse == !(i&m)) return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 + 1;
  58     else                  return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 - 1;
  59 }
  60
  61 /**
  62  * The size of the FFT is 2^nbits. If inverse is TRUE, inverse FFT is
  63  * done
  64  */
  65 int ff_fft_init(FFTContext *s, int nbits, int inverse)
  66 {
  67     int i, j, m, n;
  68     float alpha, c1, s1, s2;
  69     int split_radix = 1;
  70     int av_unused has_vectors;
  71
  72     if (nbits < 2 || nbits > 16)
  73         goto fail;
  74     s->nbits = nbits;
  75     n = 1 << nbits;
  76
  77     s->tmp_buf = NULL;
  78     s->exptab = av_malloc((n / 2) * sizeof(FFTComplex));
  79     if (!s->exptab)
  80         goto fail;
  81     s->revtab = av_malloc(n * sizeof(uint16_t));
  82     if (!s->revtab)
  83         goto fail;
  84     s->inverse = inverse;
  85
  86     s2 = inverse ? 1.0 : -1.0;
  87
  88     s->fft_permute = ff_fft_permute_c;
  89     s->fft_calc = ff_fft_calc_c;
  90     s->imdct_calc = ff_imdct_calc;
  91     s->imdct_half = ff_imdct_half;
  92     s->exptab1 = NULL;
  93
  94 #if defined HAVE_MMX && defined HAVE_YASM
  95     has_vectors = mm_support();
  96     if (has_vectors & MM_SSE) {
  97         /* SSE for P3/P4/K8 */
  98         s->imdct_calc = ff_imdct_calc_sse;
  99         s->imdct_half = ff_imdct_half_sse;
 100         s->fft_permute = ff_fft_permute_sse;
 101         s->fft_calc = ff_fft_calc_sse;
 102     } else if (has_vectors & MM_3DNOWEXT) {
 103         /* 3DNowEx for K7 */
 104         s->imdct_calc = ff_imdct_calc_3dn2;
 105         s->imdct_half = ff_imdct_half_3dn2;
 106         s->fft_calc = ff_fft_calc_3dn2;
 107     } else if (has_vectors & MM_3DNOW) {
 108         /* 3DNow! for K6-2/3 */
 109         s->fft_calc = ff_fft_calc_3dn;
 110     }
 111 #elif defined HAVE_ALTIVEC && !defined ALTIVEC_USE_REFERENCE_C_CODE
 112     has_vectors = mm_support();
 113     if (has_vectors & MM_ALTIVEC) {
 114         s->fft_calc = ff_fft_calc_altivec;
 115         split_radix = 0;
 116     }
 117 #endif
 118
 119     if (split_radix) {
 120         for(j=4; j<=nbits; j++) {
 121             int m = 1<<j;
 122             double freq = 2*M_PI/m;
 123             FFTSample *tab = ff_cos_tabs[j-4];
 124             for(i=0; i<=m/4; i++)
 125                 tab[i] = cos(i*freq);
 126             for(i=1; i<m/4; i++)
 127                 tab[m/2-i] = tab[i];
 128         }
 129         for(i=0; i<n; i++)
 130             s->revtab[-split_radix_permutation(i, n, s->inverse) & (n-1)] = i;
 131         s->tmp_buf = av_malloc(n * sizeof(FFTComplex));
 132     } else {
 133         int np, nblocks, np2, l;
 134         FFTComplex *q;
 135
 136         for(i=0; i<(n/2); i++) {
 137             alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
 138             c1 = cos(alpha);
 139             s1 = sin(alpha) * s2;
 140             s->exptab[i].re = c1;
 141             s->exptab[i].im = s1;
 142         }
 143
 144         np = 1 << nbits;
 145         nblocks = np >> 3;
 146         np2 = np >> 1;
 147         s->exptab1 = av_malloc(np * 2 * sizeof(FFTComplex));
 148         if (!s->exptab1)
 149             goto fail;
 150         q = s->exptab1;
 151         do {
 152             for(l = 0; l < np2; l += 2 * nblocks) {
 153                 *q++ = s->exptab[l];
 154                 *q++ = s->exptab[l + nblocks];
 155
 156                 q->re = -s->exptab[l].im;
 157                 q->im = s->exptab[l].re;
 158                 q++;
 159                 q->re = -s->exptab[l + nblocks].im;
 160                 q->im = s->exptab[l + nblocks].re;
 161                 q++;
 162             }
 163             nblocks = nblocks >> 1;
 164         } while (nblocks != 0);
 165         av_freep(&s->exptab);
 166
 167         /* compute bit reverse table */
 168         for(i=0;i<n;i++) {
 169             m=0;
 170             for(j=0;j<nbits;j++) {
 171                 m |= ((i >> j) & 1) << (nbits-j-1);
 172             }
 173             s->revtab[i]=m;
 174         }
 175     }
 176
 177     return 0;
 178  fail:
 179     av_freep(&s->revtab);
 180     av_freep(&s->exptab);
 181     av_freep(&s->exptab1);
 182     av_freep(&s->tmp_buf);
 183     return -1;
 184 }
 185
 186 /**
 187  * Do the permutation needed BEFORE calling ff_fft_calc()
 188  */
 189 void ff_fft_permute_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 190 {
 191     int j, k, np;
 192     FFTComplex tmp;
 193     const uint16_t *revtab = s->revtab;
 194     np = 1 << s->nbits;
 195
 196     if (s->tmp_buf) {
 197         /* TODO: handle split-radix permute in a more optimal way, probably in-place */
 198         for(j=0;j<np;j++) s->tmp_buf[revtab[j]] = z[j];
 199         memcpy(z, s->tmp_buf, np * sizeof(FFTComplex));
 200         return;
 201     }
 202
 203     /* reverse */
 204     for(j=0;j<np;j++) {
 205         k = revtab[j];
 206         if (k < j) {
 207             tmp = z[k];
 208             z[k] = z[j];
 209             z[j] = tmp;
 210         }
 211     }
 212 }
 213
 214 void ff_fft_end(FFTContext *s)
 215 {
 216     av_freep(&s->revtab);
 217     av_freep(&s->exptab);
 218     av_freep(&s->exptab1);
 219     av_freep(&s->tmp_buf);
 220 }
 221
 222 #define sqrthalf (float)M_SQRT1_2
 223
 224 #define BF(x,y,a,b) {\
 225     x = a - b;\
 226     y = a + b;\
 227 }
 228
 229 #define BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3) {\
 230     BF(t3, t5, t5, t1);\
 231     BF(a2.re, a0.re, a0.re, t5);\
 232     BF(a3.im, a1.im, a1.im, t3);\
 233     BF(t4, t6, t2, t6);\
 234     BF(a3.re, a1.re, a1.re, t4);\
 235     BF(a2.im, a0.im, a0.im, t6);\
 236 }
 237
 238 // force loading all the inputs before storing any.
 239 // this is slightly slower for small data, but avoids store->load aliasing
 240 // for addresses separated by large powers of 2.
 241 #define BUTTERFLIES_BIG(a0,a1,a2,a3) {\
 242     FFTSample r0=a0.re, i0=a0.im, r1=a1.re, i1=a1.im;\
 243     BF(t3, t5, t5, t1);\
 244     BF(a2.re, a0.re, r0, t5);\
 245     BF(a3.im, a1.im, i1, t3);\
 246     BF(t4, t6, t2, t6);\
 247     BF(a3.re, a1.re, r1, t4);\
 248     BF(a2.im, a0.im, i0, t6);\
 249 }
 250
 251 #define TRANSFORM(a0,a1,a2,a3,wre,wim) {\
 252     t1 = a2.re * wre + a2.im * wim;\
 253     t2 = a2.im * wre - a2.re * wim;\
 254     t5 = a3.re * wre - a3.im * wim;\
 255     t6 = a3.im * wre + a3.re * wim;\
 256     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 257 }
 258
 259 #define TRANSFORM_ZERO(a0,a1,a2,a3) {\
 260     t1 = a2.re;\
 261     t2 = a2.im;\
 262     t5 = a3.re;\
 263     t6 = a3.im;\
 264     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 265 }
 266
 267 /* z[0...8n-1], w[1...2n-1] */
 268 #define PASS(name)\
 269 static void name(FFTComplex *z, const FFTSample *wre, unsigned int n)\
 270 {\
 271     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;\
 272     int o1 = 2*n;\
 273     int o2 = 4*n;\
 274     int o3 = 6*n;\
 275     const FFTSample *wim = wre+o1;\
 276     n--;\
 277 \
 278     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[o1],z[o2],z[o3]);\
 279     TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 280     do {\
 281         z += 2;\
 282         wre += 2;\
 283         wim -= 2;\
 284         TRANSFORM(z[0],z[o1],z[o2],z[o3],wre[0],wim[0]);\
 285         TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 286     } while(--n);\
 287 }
 288
 289 PASS(pass)
 290 #undef BUTTERFLIES
 291 #define BUTTERFLIES BUTTERFLIES_BIG
 292 PASS(pass_big)
 293
 294 #define DECL_FFT(n,n2,n4)\
 295 static void fft##n(FFTComplex *z)\
 296 {\
 297     fft##n2(z);\
 298     fft##n4(z+n4*2);\
 299     fft##n4(z+n4*3);\
 300     pass(z,ff_cos_##n,n4/2);\
 301 }
 302
 303 static void fft4(FFTComplex *z)
 304 {
 305     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
 306
 307     BF(t3, t1, z[0].re, z[1].re);
 308     BF(t8, t6, z[3].re, z[2].re);
 309     BF(z[2].re, z[0].re, t1, t6);
 310     BF(t4, t2, z[0].im, z[1].im);
 311     BF(t7, t5, z[2].im, z[3].im);
 312     BF(z[3].im, z[1].im, t4, t8);
 313     BF(z[3].re, z[1].re, t3, t7);
 314     BF(z[2].im, z[0].im, t2, t5);
 315 }
 316
 317 static void fft8(FFTComplex *z)
 318 {
 319     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
 320
 321     fft4(z);
 322
 323     BF(t1, z[5].re, z[4].re, -z[5].re);
 324     BF(t2, z[5].im, z[4].im, -z[5].im);
 325     BF(t3, z[7].re, z[6].re, -z[7].re);
 326     BF(t4, z[7].im, z[6].im, -z[7].im);
 327     BF(t8, t1, t3, t1);
 328     BF(t7, t2, t2, t4);
 329     BF(z[4].re, z[0].re, z[0].re, t1);
 330     BF(z[4].im, z[0].im, z[0].im, t2);
 331     BF(z[6].re, z[2].re, z[2].re, t7);
 332     BF(z[6].im, z[2].im, z[2].im, t8);
 333
 334     TRANSFORM(z[1],z[3],z[5],z[7],sqrthalf,sqrthalf);
 335 }
 336
 337 #ifndef CONFIG_SMALL
 338 static void fft16(FFTComplex *z)
 339 {
 340     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;
 341
 342     fft8(z);
 343     fft4(z+8);
 344     fft4(z+12);
 345
 346     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[4],z[8],z[12]);
 347     TRANSFORM(z[2],z[6],z[10],z[14],sqrthalf,sqrthalf);
 348     TRANSFORM(z[1],z[5],z[9],z[13],ff_cos_16[1],ff_cos_16[3]);
 349     TRANSFORM(z[3],z[7],z[11],z[15],ff_cos_16[3],ff_cos_16[1]);
 350 }
 351 #else
 352 DECL_FFT(16,8,4)
 353 #endif
 354 DECL_FFT(32,16,8)
 355 DECL_FFT(64,32,16)
 356 DECL_FFT(128,64,32)
 357 DECL_FFT(256,128,64)
 358 DECL_FFT(512,256,128)
 359 #ifndef CONFIG_SMALL
 360 #define pass pass_big
 361 #endif
 362 DECL_FFT(1024,512,256)
 363 DECL_FFT(2048,1024,512)
 364 DECL_FFT(4096,2048,1024)
 365 DECL_FFT(8192,4096,2048)
 366 DECL_FFT(16384,8192,4096)
 367 DECL_FFT(32768,16384,8192)
 368 DECL_FFT(65536,32768,16384)
 369
 370 static void (*fft_dispatch[])(FFTComplex*) = {
 371     fft4, fft8, fft16, fft32, fft64, fft128, fft256, fft512, fft1024,
 372     fft2048, fft4096, fft8192, fft16384, fft32768, fft65536,
 373 };
 374
 375 /**
 376  * Do a complex FFT with the parameters defined in ff_fft_init(). The
 377  * input data must be permuted before with s->revtab table. No
 378  * 1.0/sqrt(n) normalization is done.
 379  */
 380 void ff_fft_calc_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 381 {
 382     fft_dispatch[s->nbits-2](z);
 383 }
 384