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 "libavutil/mathematics.h"
  30 #include "fft.h"
  31
  32 /* cos(2*pi*x/n) for 0<=x<=n/4, followed by its reverse */
  33 #if !CONFIG_HARDCODED_TABLES
  34 COSTABLE(16);
  35 COSTABLE(32);
  36 COSTABLE(64);
  37 COSTABLE(128);
  38 COSTABLE(256);
  39 COSTABLE(512);
  40 COSTABLE(1024);
  41 COSTABLE(2048);
  42 COSTABLE(4096);
  43 COSTABLE(8192);
  44 COSTABLE(16384);
  45 COSTABLE(32768);
  46 COSTABLE(65536);
  47 #endif
  48 COSTABLE_CONST FFTSample * const ff_cos_tabs[] = {
  49     NULL, NULL, NULL, NULL,
  50     ff_cos_16, ff_cos_32, ff_cos_64, ff_cos_128, ff_cos_256, ff_cos_512, ff_cos_1024,
  51     ff_cos_2048, ff_cos_4096, ff_cos_8192, ff_cos_16384, ff_cos_32768, ff_cos_65536,
  52 };
  53
  54 static int split_radix_permutation(int i, int n, int inverse)
  55 {
  56     int m;
  57     if(n <= 2) return i&1;
  58     m = n >> 1;
  59     if(!(i&m))            return split_radix_permutation(i, m, inverse)*2;
  60     m >>= 1;
  61     if(inverse == !(i&m)) return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 + 1;
  62     else                  return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 - 1;
  63 }
  64
  65 av_cold void ff_init_ff_cos_tabs(int index)
  66 {
  67 #if !CONFIG_HARDCODED_TABLES
  68     int i;
  69     int m = 1<<index;
  70     double freq = 2*M_PI/m;
  71     FFTSample *tab = ff_cos_tabs[index];
  72     for(i=0; i<=m/4; i++)
  73         tab[i] = cos(i*freq);
  74     for(i=1; i<m/4; i++)
  75         tab[m/2-i] = tab[i];
  76 #endif
  77 }
  78
  79 av_cold int ff_fft_init(FFTContext *s, int nbits, int inverse)
  80 {
  81     int i, j, m, n;
  82     float alpha, c1, s1, s2;
  83     int av_unused has_vectors;
  84
  85     if (nbits < 2 || nbits > 16)
  86         goto fail;
  87     s->nbits = nbits;
  88     n = 1 << nbits;
  89
  90     s->tmp_buf = NULL;
  91     s->exptab  = av_malloc((n / 2) * sizeof(FFTComplex));
  92     if (!s->exptab)
  93         goto fail;
  94     s->revtab = av_malloc(n * sizeof(uint16_t));
  95     if (!s->revtab)
  96         goto fail;
  97     s->inverse = inverse;
  98
  99     s2 = inverse ? 1.0 : -1.0;
 100
 101     s->fft_permute = ff_fft_permute_c;
 102     s->fft_calc    = ff_fft_calc_c;
 103 #if CONFIG_MDCT
 104     s->imdct_calc  = ff_imdct_calc_c;
 105     s->imdct_half  = ff_imdct_half_c;
 106     s->mdct_calc   = ff_mdct_calc_c;
 107 #endif
 108     s->exptab1     = NULL;
 109     s->split_radix = 1;
 110
 111     if (ARCH_ARM)     ff_fft_init_arm(s);
 112     if (HAVE_ALTIVEC) ff_fft_init_altivec(s);
 113     if (HAVE_MMX)     ff_fft_init_mmx(s);
 114
 115     if (s->split_radix) {
 116         for(j=4; j<=nbits; j++) {
 117             ff_init_ff_cos_tabs(j);
 118         }
 119         for(i=0; i<n; i++)
 120             s->revtab[-split_radix_permutation(i, n, s->inverse) & (n-1)] = i;
 121         s->tmp_buf = av_malloc(n * sizeof(FFTComplex));
 122     } else {
 123         int np, nblocks, np2, l;
 124         FFTComplex *q;
 125
 126         for(i=0; i<(n/2); i++) {
 127             alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
 128             c1 = cos(alpha);
 129             s1 = sin(alpha) * s2;
 130             s->exptab[i].re = c1;
 131             s->exptab[i].im = s1;
 132         }
 133
 134         np = 1 << nbits;
 135         nblocks = np >> 3;
 136         np2 = np >> 1;
 137         s->exptab1 = av_malloc(np * 2 * sizeof(FFTComplex));
 138         if (!s->exptab1)
 139             goto fail;
 140         q = s->exptab1;
 141         do {
 142             for(l = 0; l < np2; l += 2 * nblocks) {
 143                 *q++ = s->exptab[l];
 144                 *q++ = s->exptab[l + nblocks];
 145
 146                 q->re = -s->exptab[l].im;
 147                 q->im = s->exptab[l].re;
 148                 q++;
 149                 q->re = -s->exptab[l + nblocks].im;
 150                 q->im = s->exptab[l + nblocks].re;
 151                 q++;
 152             }
 153             nblocks = nblocks >> 1;
 154         } while (nblocks != 0);
 155         av_freep(&s->exptab);
 156
 157         /* compute bit reverse table */
 158         for(i=0;i<n;i++) {
 159             m=0;
 160             for(j=0;j<nbits;j++) {
 161                 m |= ((i >> j) & 1) << (nbits-j-1);
 162             }
 163             s->revtab[i]=m;
 164         }
 165     }
 166
 167     return 0;
 168  fail:
 169     av_freep(&s->revtab);
 170     av_freep(&s->exptab);
 171     av_freep(&s->exptab1);
 172     av_freep(&s->tmp_buf);
 173     return -1;
 174 }
 175
 176 void ff_fft_permute_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 177 {
 178     int j, k, np;
 179     FFTComplex tmp;
 180     const uint16_t *revtab = s->revtab;
 181     np = 1 << s->nbits;
 182
 183     if (s->tmp_buf) {
 184         /* TODO: handle split-radix permute in a more optimal way, probably in-place */
 185         for(j=0;j<np;j++) s->tmp_buf[revtab[j]] = z[j];
 186         memcpy(z, s->tmp_buf, np * sizeof(FFTComplex));
 187         return;
 188     }
 189
 190     /* reverse */
 191     for(j=0;j<np;j++) {
 192         k = revtab[j];
 193         if (k < j) {
 194             tmp = z[k];
 195             z[k] = z[j];
 196             z[j] = tmp;
 197         }
 198     }
 199 }
 200
 201 av_cold void ff_fft_end(FFTContext *s)
 202 {
 203     av_freep(&s->revtab);
 204     av_freep(&s->exptab);
 205     av_freep(&s->exptab1);
 206     av_freep(&s->tmp_buf);
 207 }
 208
 209 #define sqrthalf (float)M_SQRT1_2
 210
 211 #define BF(x,y,a,b) {\
 212     x = a - b;\
 213     y = a + b;\
 214 }
 215
 216 #define BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3) {\
 217     BF(t3, t5, t5, t1);\
 218     BF(a2.re, a0.re, a0.re, t5);\
 219     BF(a3.im, a1.im, a1.im, t3);\
 220     BF(t4, t6, t2, t6);\
 221     BF(a3.re, a1.re, a1.re, t4);\
 222     BF(a2.im, a0.im, a0.im, t6);\
 223 }
 224
 225 // force loading all the inputs before storing any.
 226 // this is slightly slower for small data, but avoids store->load aliasing
 227 // for addresses separated by large powers of 2.
 228 #define BUTTERFLIES_BIG(a0,a1,a2,a3) {\
 229     FFTSample r0=a0.re, i0=a0.im, r1=a1.re, i1=a1.im;\
 230     BF(t3, t5, t5, t1);\
 231     BF(a2.re, a0.re, r0, t5);\
 232     BF(a3.im, a1.im, i1, t3);\
 233     BF(t4, t6, t2, t6);\
 234     BF(a3.re, a1.re, r1, t4);\
 235     BF(a2.im, a0.im, i0, t6);\
 236 }
 237
 238 #define TRANSFORM(a0,a1,a2,a3,wre,wim) {\
 239     t1 = a2.re * wre + a2.im * wim;\
 240     t2 = a2.im * wre - a2.re * wim;\
 241     t5 = a3.re * wre - a3.im * wim;\
 242     t6 = a3.im * wre + a3.re * wim;\
 243     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 244 }
 245
 246 #define TRANSFORM_ZERO(a0,a1,a2,a3) {\
 247     t1 = a2.re;\
 248     t2 = a2.im;\
 249     t5 = a3.re;\
 250     t6 = a3.im;\
 251     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 252 }
 253
 254 /* z[0...8n-1], w[1...2n-1] */
 255 #define PASS(name)\
 256 static void name(FFTComplex *z, const FFTSample *wre, unsigned int n)\
 257 {\
 258     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;\
 259     int o1 = 2*n;\
 260     int o2 = 4*n;\
 261     int o3 = 6*n;\
 262     const FFTSample *wim = wre+o1;\
 263     n--;\
 264 \
 265     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[o1],z[o2],z[o3]);\
 266     TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 267     do {\
 268         z += 2;\
 269         wre += 2;\
 270         wim -= 2;\
 271         TRANSFORM(z[0],z[o1],z[o2],z[o3],wre[0],wim[0]);\
 272         TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 273     } while(--n);\
 274 }
 275
 276 PASS(pass)
 277 #undef BUTTERFLIES
 278 #define BUTTERFLIES BUTTERFLIES_BIG
 279 PASS(pass_big)
 280
 281 #define DECL_FFT(n,n2,n4)\
 282 static void fft##n(FFTComplex *z)\
 283 {\
 284     fft##n2(z);\
 285     fft##n4(z+n4*2);\
 286     fft##n4(z+n4*3);\
 287     pass(z,ff_cos_##n,n4/2);\
 288 }
 289
 290 static void fft4(FFTComplex *z)
 291 {
 292     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
 293
 294     BF(t3, t1, z[0].re, z[1].re);
 295     BF(t8, t6, z[3].re, z[2].re);
 296     BF(z[2].re, z[0].re, t1, t6);
 297     BF(t4, t2, z[0].im, z[1].im);
 298     BF(t7, t5, z[2].im, z[3].im);
 299     BF(z[3].im, z[1].im, t4, t8);
 300     BF(z[3].re, z[1].re, t3, t7);
 301     BF(z[2].im, z[0].im, t2, t5);
 302 }
 303
 304 static void fft8(FFTComplex *z)
 305 {
 306     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
 307
 308     fft4(z);
 309
 310     BF(t1, z[5].re, z[4].re, -z[5].re);
 311     BF(t2, z[5].im, z[4].im, -z[5].im);
 312     BF(t3, z[7].re, z[6].re, -z[7].re);
 313     BF(t4, z[7].im, z[6].im, -z[7].im);
 314     BF(t8, t1, t3, t1);
 315     BF(t7, t2, t2, t4);
 316     BF(z[4].re, z[0].re, z[0].re, t1);
 317     BF(z[4].im, z[0].im, z[0].im, t2);
 318     BF(z[6].re, z[2].re, z[2].re, t7);
 319     BF(z[6].im, z[2].im, z[2].im, t8);
 320
 321     TRANSFORM(z[1],z[3],z[5],z[7],sqrthalf,sqrthalf);
 322 }
 323
 324 #if !CONFIG_SMALL
 325 static void fft16(FFTComplex *z)
 326 {
 327     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;
 328
 329     fft8(z);
 330     fft4(z+8);
 331     fft4(z+12);
 332
 333     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[4],z[8],z[12]);
 334     TRANSFORM(z[2],z[6],z[10],z[14],sqrthalf,sqrthalf);
 335     TRANSFORM(z[1],z[5],z[9],z[13],ff_cos_16[1],ff_cos_16[3]);
 336     TRANSFORM(z[3],z[7],z[11],z[15],ff_cos_16[3],ff_cos_16[1]);
 337 }
 338 #else
 339 DECL_FFT(16,8,4)
 340 #endif
 341 DECL_FFT(32,16,8)
 342 DECL_FFT(64,32,16)
 343 DECL_FFT(128,64,32)
 344 DECL_FFT(256,128,64)
 345 DECL_FFT(512,256,128)
 346 #if !CONFIG_SMALL
 347 #define pass pass_big
 348 #endif
 349 DECL_FFT(1024,512,256)
 350 DECL_FFT(2048,1024,512)
 351 DECL_FFT(4096,2048,1024)
 352 DECL_FFT(8192,4096,2048)
 353 DECL_FFT(16384,8192,4096)
 354 DECL_FFT(32768,16384,8192)
 355 DECL_FFT(65536,32768,16384)
 356
 357 static void (* const fft_dispatch[])(FFTComplex*) = {
 358     fft4, fft8, fft16, fft32, fft64, fft128, fft256, fft512, fft1024,
 359     fft2048, fft4096, fft8192, fft16384, fft32768, fft65536,
 360 };
 361
 362 void ff_fft_calc_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 363 {
 364     fft_dispatch[s->nbits-2](z);
 365 }
 366