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 void ff_fft_permute_c(FFTContext *s, FFTComplex *z);
  57 static void ff_fft_calc_c(FFTContext *s, FFTComplex *z);
  58
  59 static int split_radix_permutation(int i, int n, int inverse)
  60 {
  61     int m;
  62     if(n <= 2) return i&1;
  63     m = n >> 1;
  64     if(!(i&m))            return split_radix_permutation(i, m, inverse)*2;
  65     m >>= 1;
  66     if(inverse == !(i&m)) return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 + 1;
  67     else                  return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 - 1;
  68 }
  69
  70 av_cold void ff_init_ff_cos_tabs(int index)
  71 {
  72 #if !CONFIG_HARDCODED_TABLES
  73     int i;
  74     int m = 1<<index;
  75     double freq = 2*M_PI/m;
  76     FFTSample *tab = ff_cos_tabs[index];
  77     for(i=0; i<=m/4; i++)
  78         tab[i] = cos(i*freq);
  79     for(i=1; i<m/4; i++)
  80         tab[m/2-i] = tab[i];
  81 #endif
  82 }
  83
  84 av_cold int ff_fft_init(FFTContext *s, int nbits, int inverse)
  85 {
  86     int i, j, n;
  87
  88     if (nbits < 2 || nbits > 16)
  89         goto fail;
  90     s->nbits = nbits;
  91     n = 1 << nbits;
  92
  93     s->revtab = av_malloc(n * sizeof(uint16_t));
  94     if (!s->revtab)
  95         goto fail;
  96     s->tmp_buf = av_malloc(n * sizeof(FFTComplex));
  97     if (!s->tmp_buf)
  98         goto fail;
  99     s->inverse = inverse;
 100     s->fft_permutation = FF_FFT_PERM_DEFAULT;
 101
 102     s->fft_permute = ff_fft_permute_c;
 103     s->fft_calc    = ff_fft_calc_c;
 104 #if CONFIG_MDCT
 105     s->imdct_calc  = ff_imdct_calc_c;
 106     s->imdct_half  = ff_imdct_half_c;
 107     s->mdct_calc   = ff_mdct_calc_c;
 108 #endif
 109
 110     if (ARCH_ARM)     ff_fft_init_arm(s);
 111     if (HAVE_ALTIVEC) ff_fft_init_altivec(s);
 112     if (HAVE_MMX)     ff_fft_init_mmx(s);
 113
 114     for(j=4; j<=nbits; j++) {
 115         ff_init_ff_cos_tabs(j);
 116     }
 117     for(i=0; i<n; i++) {
 118         int j = i;
 119         if (s->fft_permutation == FF_FFT_PERM_SWAP_LSBS)
 120             j = (j&~3) | ((j>>1)&1) | ((j<<1)&2);
 121         s->revtab[-split_radix_permutation(i, n, s->inverse) & (n-1)] = j;
 122     }
 123
 124     return 0;
 125  fail:
 126     av_freep(&s->revtab);
 127     av_freep(&s->tmp_buf);
 128     return -1;
 129 }
 130
 131 static void ff_fft_permute_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 132 {
 133     int j, np;
 134     const uint16_t *revtab = s->revtab;
 135     np = 1 << s->nbits;
 136     /* TODO: handle split-radix permute in a more optimal way, probably in-place */
 137     for(j=0;j<np;j++) s->tmp_buf[revtab[j]] = z[j];
 138     memcpy(z, s->tmp_buf, np * sizeof(FFTComplex));
 139 }
 140
 141 av_cold void ff_fft_end(FFTContext *s)
 142 {
 143     av_freep(&s->revtab);
 144     av_freep(&s->tmp_buf);
 145 }
 146
 147 #define sqrthalf (float)M_SQRT1_2
 148
 149 #define BF(x,y,a,b) {\
 150     x = a - b;\
 151     y = a + b;\
 152 }
 153
 154 #define BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3) {\
 155     BF(t3, t5, t5, t1);\
 156     BF(a2.re, a0.re, a0.re, t5);\
 157     BF(a3.im, a1.im, a1.im, t3);\
 158     BF(t4, t6, t2, t6);\
 159     BF(a3.re, a1.re, a1.re, t4);\
 160     BF(a2.im, a0.im, a0.im, t6);\
 161 }
 162
 163 // force loading all the inputs before storing any.
 164 // this is slightly slower for small data, but avoids store->load aliasing
 165 // for addresses separated by large powers of 2.
 166 #define BUTTERFLIES_BIG(a0,a1,a2,a3) {\
 167     FFTSample r0=a0.re, i0=a0.im, r1=a1.re, i1=a1.im;\
 168     BF(t3, t5, t5, t1);\
 169     BF(a2.re, a0.re, r0, t5);\
 170     BF(a3.im, a1.im, i1, t3);\
 171     BF(t4, t6, t2, t6);\
 172     BF(a3.re, a1.re, r1, t4);\
 173     BF(a2.im, a0.im, i0, t6);\
 174 }
 175
 176 #define TRANSFORM(a0,a1,a2,a3,wre,wim) {\
 177     t1 = a2.re * wre + a2.im * wim;\
 178     t2 = a2.im * wre - a2.re * wim;\
 179     t5 = a3.re * wre - a3.im * wim;\
 180     t6 = a3.im * wre + a3.re * wim;\
 181     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 182 }
 183
 184 #define TRANSFORM_ZERO(a0,a1,a2,a3) {\
 185     t1 = a2.re;\
 186     t2 = a2.im;\
 187     t5 = a3.re;\
 188     t6 = a3.im;\
 189     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 190 }
 191
 192 /* z[0...8n-1], w[1...2n-1] */
 193 #define PASS(name)\
 194 static void name(FFTComplex *z, const FFTSample *wre, unsigned int n)\
 195 {\
 196     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;\
 197     int o1 = 2*n;\
 198     int o2 = 4*n;\
 199     int o3 = 6*n;\
 200     const FFTSample *wim = wre+o1;\
 201     n--;\
 202 \
 203     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[o1],z[o2],z[o3]);\
 204     TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 205     do {\
 206         z += 2;\
 207         wre += 2;\
 208         wim -= 2;\
 209         TRANSFORM(z[0],z[o1],z[o2],z[o3],wre[0],wim[0]);\
 210         TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 211     } while(--n);\
 212 }
 213
 214 PASS(pass)
 215 #undef BUTTERFLIES
 216 #define BUTTERFLIES BUTTERFLIES_BIG
 217 PASS(pass_big)
 218
 219 #define DECL_FFT(n,n2,n4)\
 220 static void fft##n(FFTComplex *z)\
 221 {\
 222     fft##n2(z);\
 223     fft##n4(z+n4*2);\
 224     fft##n4(z+n4*3);\
 225     pass(z,ff_cos_##n,n4/2);\
 226 }
 227
 228 static void fft4(FFTComplex *z)
 229 {
 230     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
 231
 232     BF(t3, t1, z[0].re, z[1].re);
 233     BF(t8, t6, z[3].re, z[2].re);
 234     BF(z[2].re, z[0].re, t1, t6);
 235     BF(t4, t2, z[0].im, z[1].im);
 236     BF(t7, t5, z[2].im, z[3].im);
 237     BF(z[3].im, z[1].im, t4, t8);
 238     BF(z[3].re, z[1].re, t3, t7);
 239     BF(z[2].im, z[0].im, t2, t5);
 240 }
 241
 242 static void fft8(FFTComplex *z)
 243 {
 244     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
 245
 246     fft4(z);
 247
 248     BF(t1, z[5].re, z[4].re, -z[5].re);
 249     BF(t2, z[5].im, z[4].im, -z[5].im);
 250     BF(t3, z[7].re, z[6].re, -z[7].re);
 251     BF(t4, z[7].im, z[6].im, -z[7].im);
 252     BF(t8, t1, t3, t1);
 253     BF(t7, t2, t2, t4);
 254     BF(z[4].re, z[0].re, z[0].re, t1);
 255     BF(z[4].im, z[0].im, z[0].im, t2);
 256     BF(z[6].re, z[2].re, z[2].re, t7);
 257     BF(z[6].im, z[2].im, z[2].im, t8);
 258
 259     TRANSFORM(z[1],z[3],z[5],z[7],sqrthalf,sqrthalf);
 260 }
 261
 262 #if !CONFIG_SMALL
 263 static void fft16(FFTComplex *z)
 264 {
 265     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;
 266
 267     fft8(z);
 268     fft4(z+8);
 269     fft4(z+12);
 270
 271     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[4],z[8],z[12]);
 272     TRANSFORM(z[2],z[6],z[10],z[14],sqrthalf,sqrthalf);
 273     TRANSFORM(z[1],z[5],z[9],z[13],ff_cos_16[1],ff_cos_16[3]);
 274     TRANSFORM(z[3],z[7],z[11],z[15],ff_cos_16[3],ff_cos_16[1]);
 275 }
 276 #else
 277 DECL_FFT(16,8,4)
 278 #endif
 279 DECL_FFT(32,16,8)
 280 DECL_FFT(64,32,16)
 281 DECL_FFT(128,64,32)
 282 DECL_FFT(256,128,64)
 283 DECL_FFT(512,256,128)
 284 #if !CONFIG_SMALL
 285 #define pass pass_big
 286 #endif
 287 DECL_FFT(1024,512,256)
 288 DECL_FFT(2048,1024,512)
 289 DECL_FFT(4096,2048,1024)
 290 DECL_FFT(8192,4096,2048)
 291 DECL_FFT(16384,8192,4096)
 292 DECL_FFT(32768,16384,8192)
 293 DECL_FFT(65536,32768,16384)
 294
 295 static void (* const fft_dispatch[])(FFTComplex*) = {
 296     fft4, fft8, fft16, fft32, fft64, fft128, fft256, fft512, fft1024,
 297     fft2048, fft4096, fft8192, fft16384, fft32768, fft65536,
 298 };
 299
 300 static void ff_fft_calc_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 301 {
 302     fft_dispatch[s->nbits-2](z);
 303 }
 304