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 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 FFTSample * const 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 av_cold int ff_fft_init(FFTContext *s, int nbits, int inverse)
  62 {
  63     int i, j, m, n;
  64     float alpha, c1, s1, s2;
  65     int split_radix = 1;
  66     int av_unused has_vectors;
  67     int revtab_shift = 0;
  68
  69     if (nbits < 2 || nbits > 16)
  70         goto fail;
  71     s->nbits = nbits;
  72     n = 1 << nbits;
  73
  74     s->tmp_buf = NULL;
  75     s->exptab  = av_malloc((n / 2) * sizeof(FFTComplex));
  76     if (!s->exptab)
  77         goto fail;
  78     s->revtab = av_malloc(n * sizeof(uint16_t));
  79     if (!s->revtab)
  80         goto fail;
  81     s->inverse = inverse;
  82
  83     s2 = inverse ? 1.0 : -1.0;
  84
  85     s->fft_permute = ff_fft_permute_c;
  86     s->fft_calc    = ff_fft_calc_c;
  87     s->imdct_calc  = ff_imdct_calc_c;
  88     s->imdct_half  = ff_imdct_half_c;
  89     s->mdct_calc   = ff_mdct_calc_c;
  90     s->exptab1     = NULL;
  91
  92 #if HAVE_MMX && HAVE_YASM
  93     has_vectors = mm_support();
  94     if (has_vectors & FF_MM_SSE && HAVE_SSE) {
  95         /* SSE for P3/P4/K8 */
  96         s->imdct_calc  = ff_imdct_calc_sse;
  97         s->imdct_half  = ff_imdct_half_sse;
  98         s->fft_permute = ff_fft_permute_sse;
  99         s->fft_calc    = ff_fft_calc_sse;
 100     } else if (has_vectors & FF_MM_3DNOWEXT && HAVE_AMD3DNOWEXT) {
 101         /* 3DNowEx for K7 */
 102         s->imdct_calc = ff_imdct_calc_3dn2;
 103         s->imdct_half = ff_imdct_half_3dn2;
 104         s->fft_calc   = ff_fft_calc_3dn2;
 105     } else if (has_vectors & FF_MM_3DNOW && HAVE_AMD3DNOW) {
 106         /* 3DNow! for K6-2/3 */
 107         s->imdct_calc = ff_imdct_calc_3dn;
 108         s->imdct_half = ff_imdct_half_3dn;
 109         s->fft_calc   = ff_fft_calc_3dn;
 110     }
 111 #elif HAVE_ALTIVEC
 112     has_vectors = mm_support();
 113     if (has_vectors & FF_MM_ALTIVEC) {
 114         s->fft_calc = ff_fft_calc_altivec;
 115         split_radix = 0;
 116     }
 117 #elif HAVE_NEON
 118     s->fft_permute = ff_fft_permute_neon;
 119     s->fft_calc    = ff_fft_calc_neon;
 120     s->imdct_calc  = ff_imdct_calc_neon;
 121     s->imdct_half  = ff_imdct_half_neon;
 122     revtab_shift = 3;
 123 #endif
 124
 125     if (split_radix) {
 126         for(j=4; j<=nbits; j++) {
 127             int m = 1<<j;
 128             double freq = 2*M_PI/m;
 129             FFTSample *tab = ff_cos_tabs[j-4];
 130             for(i=0; i<=m/4; i++)
 131                 tab[i] = cos(i*freq);
 132             for(i=1; i<m/4; i++)
 133                 tab[m/2-i] = tab[i];
 134         }
 135         for(i=0; i<n; i++)
 136             s->revtab[-split_radix_permutation(i, n, s->inverse) & (n-1)] =
 137                 i << revtab_shift;
 138         s->tmp_buf = av_malloc(n * sizeof(FFTComplex));
 139     } else {
 140         int np, nblocks, np2, l;
 141         FFTComplex *q;
 142
 143         for(i=0; i<(n/2); i++) {
 144             alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
 145             c1 = cos(alpha);
 146             s1 = sin(alpha) * s2;
 147             s->exptab[i].re = c1;
 148             s->exptab[i].im = s1;
 149         }
 150
 151         np = 1 << nbits;
 152         nblocks = np >> 3;
 153         np2 = np >> 1;
 154         s->exptab1 = av_malloc(np * 2 * sizeof(FFTComplex));
 155         if (!s->exptab1)
 156             goto fail;
 157         q = s->exptab1;
 158         do {
 159             for(l = 0; l < np2; l += 2 * nblocks) {
 160                 *q++ = s->exptab[l];
 161                 *q++ = s->exptab[l + nblocks];
 162
 163                 q->re = -s->exptab[l].im;
 164                 q->im = s->exptab[l].re;
 165                 q++;
 166                 q->re = -s->exptab[l + nblocks].im;
 167                 q->im = s->exptab[l + nblocks].re;
 168                 q++;
 169             }
 170             nblocks = nblocks >> 1;
 171         } while (nblocks != 0);
 172         av_freep(&s->exptab);
 173
 174         /* compute bit reverse table */
 175         for(i=0;i<n;i++) {
 176             m=0;
 177             for(j=0;j<nbits;j++) {
 178                 m |= ((i >> j) & 1) << (nbits-j-1);
 179             }
 180             s->revtab[i]=m;
 181         }
 182     }
 183
 184     return 0;
 185  fail:
 186     av_freep(&s->revtab);
 187     av_freep(&s->exptab);
 188     av_freep(&s->exptab1);
 189     av_freep(&s->tmp_buf);
 190     return -1;
 191 }
 192
 193 void ff_fft_permute_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 194 {
 195     int j, k, np;
 196     FFTComplex tmp;
 197     const uint16_t *revtab = s->revtab;
 198     np = 1 << s->nbits;
 199
 200     if (s->tmp_buf) {
 201         /* TODO: handle split-radix permute in a more optimal way, probably in-place */
 202         for(j=0;j<np;j++) s->tmp_buf[revtab[j]] = z[j];
 203         memcpy(z, s->tmp_buf, np * sizeof(FFTComplex));
 204         return;
 205     }
 206
 207     /* reverse */
 208     for(j=0;j<np;j++) {
 209         k = revtab[j];
 210         if (k < j) {
 211             tmp = z[k];
 212             z[k] = z[j];
 213             z[j] = tmp;
 214         }
 215     }
 216 }
 217
 218 av_cold void ff_fft_end(FFTContext *s)
 219 {
 220     av_freep(&s->revtab);
 221     av_freep(&s->exptab);
 222     av_freep(&s->exptab1);
 223     av_freep(&s->tmp_buf);
 224 }
 225
 226 #define sqrthalf (float)M_SQRT1_2
 227
 228 #define BF(x,y,a,b) {\
 229     x = a - b;\
 230     y = a + b;\
 231 }
 232
 233 #define BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3) {\
 234     BF(t3, t5, t5, t1);\
 235     BF(a2.re, a0.re, a0.re, t5);\
 236     BF(a3.im, a1.im, a1.im, t3);\
 237     BF(t4, t6, t2, t6);\
 238     BF(a3.re, a1.re, a1.re, t4);\
 239     BF(a2.im, a0.im, a0.im, t6);\
 240 }
 241
 242 // force loading all the inputs before storing any.
 243 // this is slightly slower for small data, but avoids store->load aliasing
 244 // for addresses separated by large powers of 2.
 245 #define BUTTERFLIES_BIG(a0,a1,a2,a3) {\
 246     FFTSample r0=a0.re, i0=a0.im, r1=a1.re, i1=a1.im;\
 247     BF(t3, t5, t5, t1);\
 248     BF(a2.re, a0.re, r0, t5);\
 249     BF(a3.im, a1.im, i1, t3);\
 250     BF(t4, t6, t2, t6);\
 251     BF(a3.re, a1.re, r1, t4);\
 252     BF(a2.im, a0.im, i0, t6);\
 253 }
 254
 255 #define TRANSFORM(a0,a1,a2,a3,wre,wim) {\
 256     t1 = a2.re * wre + a2.im * wim;\
 257     t2 = a2.im * wre - a2.re * wim;\
 258     t5 = a3.re * wre - a3.im * wim;\
 259     t6 = a3.im * wre + a3.re * wim;\
 260     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 261 }
 262
 263 #define TRANSFORM_ZERO(a0,a1,a2,a3) {\
 264     t1 = a2.re;\
 265     t2 = a2.im;\
 266     t5 = a3.re;\
 267     t6 = a3.im;\
 268     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 269 }
 270
 271 /* z[0...8n-1], w[1...2n-1] */
 272 #define PASS(name)\
 273 static void name(FFTComplex *z, const FFTSample *wre, unsigned int n)\
 274 {\
 275     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;\
 276     int o1 = 2*n;\
 277     int o2 = 4*n;\
 278     int o3 = 6*n;\
 279     const FFTSample *wim = wre+o1;\
 280     n--;\
 281 \
 282     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[o1],z[o2],z[o3]);\
 283     TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 284     do {\
 285         z += 2;\
 286         wre += 2;\
 287         wim -= 2;\
 288         TRANSFORM(z[0],z[o1],z[o2],z[o3],wre[0],wim[0]);\
 289         TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 290     } while(--n);\
 291 }
 292
 293 PASS(pass)
 294 #undef BUTTERFLIES
 295 #define BUTTERFLIES BUTTERFLIES_BIG
 296 PASS(pass_big)
 297
 298 #define DECL_FFT(n,n2,n4)\
 299 static void fft##n(FFTComplex *z)\
 300 {\
 301     fft##n2(z);\
 302     fft##n4(z+n4*2);\
 303     fft##n4(z+n4*3);\
 304     pass(z,ff_cos_##n,n4/2);\
 305 }
 306
 307 static void fft4(FFTComplex *z)
 308 {
 309     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
 310
 311     BF(t3, t1, z[0].re, z[1].re);
 312     BF(t8, t6, z[3].re, z[2].re);
 313     BF(z[2].re, z[0].re, t1, t6);
 314     BF(t4, t2, z[0].im, z[1].im);
 315     BF(t7, t5, z[2].im, z[3].im);
 316     BF(z[3].im, z[1].im, t4, t8);
 317     BF(z[3].re, z[1].re, t3, t7);
 318     BF(z[2].im, z[0].im, t2, t5);
 319 }
 320
 321 static void fft8(FFTComplex *z)
 322 {
 323     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
 324
 325     fft4(z);
 326
 327     BF(t1, z[5].re, z[4].re, -z[5].re);
 328     BF(t2, z[5].im, z[4].im, -z[5].im);
 329     BF(t3, z[7].re, z[6].re, -z[7].re);
 330     BF(t4, z[7].im, z[6].im, -z[7].im);
 331     BF(t8, t1, t3, t1);
 332     BF(t7, t2, t2, t4);
 333     BF(z[4].re, z[0].re, z[0].re, t1);
 334     BF(z[4].im, z[0].im, z[0].im, t2);
 335     BF(z[6].re, z[2].re, z[2].re, t7);
 336     BF(z[6].im, z[2].im, z[2].im, t8);
 337
 338     TRANSFORM(z[1],z[3],z[5],z[7],sqrthalf,sqrthalf);
 339 }
 340
 341 #if !CONFIG_SMALL
 342 static void fft16(FFTComplex *z)
 343 {
 344     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;
 345
 346     fft8(z);
 347     fft4(z+8);
 348     fft4(z+12);
 349
 350     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[4],z[8],z[12]);
 351     TRANSFORM(z[2],z[6],z[10],z[14],sqrthalf,sqrthalf);
 352     TRANSFORM(z[1],z[5],z[9],z[13],ff_cos_16[1],ff_cos_16[3]);
 353     TRANSFORM(z[3],z[7],z[11],z[15],ff_cos_16[3],ff_cos_16[1]);
 354 }
 355 #else
 356 DECL_FFT(16,8,4)
 357 #endif
 358 DECL_FFT(32,16,8)
 359 DECL_FFT(64,32,16)
 360 DECL_FFT(128,64,32)
 361 DECL_FFT(256,128,64)
 362 DECL_FFT(512,256,128)
 363 #if !CONFIG_SMALL
 364 #define pass pass_big
 365 #endif
 366 DECL_FFT(1024,512,256)
 367 DECL_FFT(2048,1024,512)
 368 DECL_FFT(4096,2048,1024)
 369 DECL_FFT(8192,4096,2048)
 370 DECL_FFT(16384,8192,4096)
 371 DECL_FFT(32768,16384,8192)
 372 DECL_FFT(65536,32768,16384)
 373
 374 static void (*fft_dispatch[])(FFTComplex*) = {
 375     fft4, fft8, fft16, fft32, fft64, fft128, fft256, fft512, fft1024,
 376     fft2048, fft4096, fft8192, fft16384, fft32768, fft65536,
 377 };
 378
 379 void ff_fft_calc_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 380 {
 381     fft_dispatch[s->nbits-2](z);
 382 }
 383