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