git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavcodec/fft_template.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 #include "fft-internal.h"
  34
  35 #if FFT_FIXED_32
  36 #include "fft_table.h"
  37 #else /* FFT_FIXED_32 */
  38
  39 /* cos(2*pi*x/n) for 0<=x<=n/4, followed by its reverse */
  40 #if !CONFIG_HARDCODED_TABLES
  41 COSTABLE(16);
  42 COSTABLE(32);
  43 COSTABLE(64);
  44 COSTABLE(128);
  45 COSTABLE(256);
  46 COSTABLE(512);
  47 COSTABLE(1024);
  48 COSTABLE(2048);
  49 COSTABLE(4096);
  50 COSTABLE(8192);
  51 COSTABLE(16384);
  52 COSTABLE(32768);
  53 COSTABLE(65536);
  54 #endif
  55 COSTABLE_CONST FFTSample * const FFT_NAME(ff_cos_tabs)[] = {
  56     NULL, NULL, NULL, NULL,
  57     FFT_NAME(ff_cos_16),
  58     FFT_NAME(ff_cos_32),
  59     FFT_NAME(ff_cos_64),
  60     FFT_NAME(ff_cos_128),
  61     FFT_NAME(ff_cos_256),
  62     FFT_NAME(ff_cos_512),
  63     FFT_NAME(ff_cos_1024),
  64     FFT_NAME(ff_cos_2048),
  65     FFT_NAME(ff_cos_4096),
  66     FFT_NAME(ff_cos_8192),
  67     FFT_NAME(ff_cos_16384),
  68     FFT_NAME(ff_cos_32768),
  69     FFT_NAME(ff_cos_65536),
  70 };
  71
  72 #endif /* FFT_FIXED_32 */
  73
  74 static void fft_permute_c(FFTContext *s, FFTComplex *z);
  75 static void fft_calc_c(FFTContext *s, FFTComplex *z);
  76
  77 static int split_radix_permutation(int i, int n, int inverse)
  78 {
  79     int m;
  80     if(n <= 2) return i&1;
  81     m = n >> 1;
  82     if(!(i&m))            return split_radix_permutation(i, m, inverse)*2;
  83     m >>= 1;
  84     if(inverse == !(i&m)) return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 + 1;
  85     else                  return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 - 1;
  86 }
  87
  88 av_cold void ff_init_ff_cos_tabs(int index)
  89 {
  90 #if (!CONFIG_HARDCODED_TABLES) && (!FFT_FIXED_32)
  91     int i;
  92     int m = 1<<index;
  93     double freq = 2*M_PI/m;
  94     FFTSample *tab = FFT_NAME(ff_cos_tabs)[index];
  95     for(i=0; i<=m/4; i++)
  96         tab[i] = FIX15(cos(i*freq));
  97     for(i=1; i<m/4; i++)
  98         tab[m/2-i] = tab[i];
  99 #endif
 100 }
 101
 102 static const int avx_tab[] = {
 103     0, 4, 1, 5, 8, 12, 9, 13, 2, 6, 3, 7, 10, 14, 11, 15
 104 };
 105
 106 static int is_second_half_of_fft32(int i, int n)
 107 {
 108     if (n <= 32)
 109         return i >= 16;
 110     else if (i < n/2)
 111         return is_second_half_of_fft32(i, n/2);
 112     else if (i < 3*n/4)
 113         return is_second_half_of_fft32(i - n/2, n/4);
 114     else
 115         return is_second_half_of_fft32(i - 3*n/4, n/4);
 116 }
 117
 118 static av_cold void fft_perm_avx(FFTContext *s)
 119 {
 120     int i;
 121     int n = 1 << s->nbits;
 122
 123     for (i = 0; i < n; i += 16) {
 124         int k;
 125         if (is_second_half_of_fft32(i, n)) {
 126             for (k = 0; k < 16; k++)
 127                 s->revtab[-split_radix_permutation(i + k, n, s->inverse) & (n - 1)] =
 128                     i + avx_tab[k];
 129
 130         } else {
 131             for (k = 0; k < 16; k++) {
 132                 int j = i + k;
 133                 j = (j & ~7) | ((j >> 1) & 3) | ((j << 2) & 4);
 134                 s->revtab[-split_radix_permutation(i + k, n, s->inverse) & (n - 1)] = j;
 135             }
 136         }
 137     }
 138 }
 139
 140 av_cold int ff_fft_init(FFTContext *s, int nbits, int inverse)
 141 {
 142     int i, j, n;
 143
 144     if (nbits < 2 || nbits > 16)
 145         goto fail;
 146     s->nbits = nbits;
 147     n = 1 << nbits;
 148
 149     s->revtab = av_malloc(n * sizeof(uint16_t));
 150     if (!s->revtab)
 151         goto fail;
 152     s->tmp_buf = av_malloc(n * sizeof(FFTComplex));
 153     if (!s->tmp_buf)
 154         goto fail;
 155     s->inverse = inverse;
 156     s->fft_permutation = FF_FFT_PERM_DEFAULT;
 157
 158     s->fft_permute = fft_permute_c;
 159     s->fft_calc    = fft_calc_c;
 160 #if CONFIG_MDCT
 161     s->imdct_calc  = ff_imdct_calc_c;
 162     s->imdct_half  = ff_imdct_half_c;
 163     s->mdct_calc   = ff_mdct_calc_c;
 164 #endif
 165
 166 #if FFT_FIXED_32
 167     {
 168         int n=0;
 169         ff_fft_lut_init(ff_fft_offsets_lut, 0, 1 << 16, &n);
 170     }
 171 #else /* FFT_FIXED_32 */
 172 #if FFT_FLOAT
 173     if (ARCH_AARCH64) ff_fft_init_aarch64(s);
 174     if (ARCH_ARM)     ff_fft_init_arm(s);
 175     if (ARCH_PPC)     ff_fft_init_ppc(s);
 176     if (ARCH_X86)     ff_fft_init_x86(s);
 177     if (CONFIG_MDCT)  s->mdct_calcw = s->mdct_calc;
 178     if (HAVE_MIPSFPU) ff_fft_init_mips(s);
 179 #else
 180     if (CONFIG_MDCT)  s->mdct_calcw = ff_mdct_calcw_c;
 181     if (ARCH_ARM)     ff_fft_fixed_init_arm(s);
 182 #endif
 183     for(j=4; j<=nbits; j++) {
 184         ff_init_ff_cos_tabs(j);
 185     }
 186 #endif /* FFT_FIXED_32 */
 187
 188
 189     if (s->fft_permutation == FF_FFT_PERM_AVX) {
 190         fft_perm_avx(s);
 191     } else {
 192         for(i=0; i<n; i++) {
 193             j = i;
 194             if (s->fft_permutation == FF_FFT_PERM_SWAP_LSBS)
 195                 j = (j&~3) | ((j>>1)&1) | ((j<<1)&2);
 196             s->revtab[-split_radix_permutation(i, n, s->inverse) & (n-1)] = j;
 197         }
 198     }
 199
 200     return 0;
 201  fail:
 202     av_freep(&s->revtab);
 203     av_freep(&s->tmp_buf);
 204     return -1;
 205 }
 206
 207 static void fft_permute_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 208 {
 209     int j, np;
 210     const uint16_t *revtab = s->revtab;
 211     np = 1 << s->nbits;
 212     /* TODO: handle split-radix permute in a more optimal way, probably in-place */
 213     for(j=0;j<np;j++) s->tmp_buf[revtab[j]] = z[j];
 214     memcpy(z, s->tmp_buf, np * sizeof(FFTComplex));
 215 }
 216
 217 av_cold void ff_fft_end(FFTContext *s)
 218 {
 219     av_freep(&s->revtab);
 220     av_freep(&s->tmp_buf);
 221 }
 222
 223 #if FFT_FIXED_32
 224
 225 static void fft_calc_c(FFTContext *s, FFTComplex *z) {
 226
 227     int nbits, i, n, num_transforms, offset, step;
 228     int n4, n2, n34;
 229     FFTSample tmp1, tmp2, tmp3, tmp4, tmp5, tmp6, tmp7, tmp8;
 230     FFTComplex *tmpz;
 231     const int fft_size = (1 << s->nbits);
 232     int64_t accu;
 233
 234     num_transforms = (0x2aab >> (16 - s->nbits)) | 1;
 235
 236     for (n=0; n<num_transforms; n++){
 237         offset = ff_fft_offsets_lut[n] << 2;
 238         tmpz = z + offset;
 239
 240         tmp1 = tmpz[0].re + tmpz[1].re;
 241         tmp5 = tmpz[2].re + tmpz[3].re;
 242         tmp2 = tmpz[0].im + tmpz[1].im;
 243         tmp6 = tmpz[2].im + tmpz[3].im;
 244         tmp3 = tmpz[0].re - tmpz[1].re;
 245         tmp8 = tmpz[2].im - tmpz[3].im;
 246         tmp4 = tmpz[0].im - tmpz[1].im;
 247         tmp7 = tmpz[2].re - tmpz[3].re;
 248
 249         tmpz[0].re = tmp1 + tmp5;
 250         tmpz[2].re = tmp1 - tmp5;
 251         tmpz[0].im = tmp2 + tmp6;
 252         tmpz[2].im = tmp2 - tmp6;
 253         tmpz[1].re = tmp3 + tmp8;
 254         tmpz[3].re = tmp3 - tmp8;
 255         tmpz[1].im = tmp4 - tmp7;
 256         tmpz[3].im = tmp4 + tmp7;
 257     }
 258
 259     if (fft_size < 8)
 260         return;
 261
 262     num_transforms = (num_transforms >> 1) | 1;
 263
 264     for (n=0; n<num_transforms; n++){
 265         offset = ff_fft_offsets_lut[n] << 3;
 266         tmpz = z + offset;
 267
 268         tmp1 = tmpz[4].re + tmpz[5].re;
 269         tmp3 = tmpz[6].re + tmpz[7].re;
 270         tmp2 = tmpz[4].im + tmpz[5].im;
 271         tmp4 = tmpz[6].im + tmpz[7].im;
 272         tmp5 = tmp1 + tmp3;
 273         tmp7 = tmp1 - tmp3;
 274         tmp6 = tmp2 + tmp4;
 275         tmp8 = tmp2 - tmp4;
 276
 277         tmp1 = tmpz[4].re - tmpz[5].re;
 278         tmp2 = tmpz[4].im - tmpz[5].im;
 279         tmp3 = tmpz[6].re - tmpz[7].re;
 280         tmp4 = tmpz[6].im - tmpz[7].im;
 281
 282         tmpz[4].re = tmpz[0].re - tmp5;
 283         tmpz[0].re = tmpz[0].re + tmp5;
 284         tmpz[4].im = tmpz[0].im - tmp6;
 285         tmpz[0].im = tmpz[0].im + tmp6;
 286         tmpz[6].re = tmpz[2].re - tmp8;
 287         tmpz[2].re = tmpz[2].re + tmp8;
 288         tmpz[6].im = tmpz[2].im + tmp7;
 289         tmpz[2].im = tmpz[2].im - tmp7;
 290
 291         accu = (int64_t)Q31(M_SQRT1_2)*(tmp1 + tmp2);
 292         tmp5 = (int32_t)((accu + 0x40000000) >> 31);
 293         accu = (int64_t)Q31(M_SQRT1_2)*(tmp3 - tmp4);
 294         tmp7 = (int32_t)((accu + 0x40000000) >> 31);
 295         accu = (int64_t)Q31(M_SQRT1_2)*(tmp2 - tmp1);
 296         tmp6 = (int32_t)((accu + 0x40000000) >> 31);
 297         accu = (int64_t)Q31(M_SQRT1_2)*(tmp3 + tmp4);
 298         tmp8 = (int32_t)((accu + 0x40000000) >> 31);
 299         tmp1 = tmp5 + tmp7;
 300         tmp3 = tmp5 - tmp7;
 301         tmp2 = tmp6 + tmp8;
 302         tmp4 = tmp6 - tmp8;
 303
 304         tmpz[5].re = tmpz[1].re - tmp1;
 305         tmpz[1].re = tmpz[1].re + tmp1;
 306         tmpz[5].im = tmpz[1].im - tmp2;
 307         tmpz[1].im = tmpz[1].im + tmp2;
 308         tmpz[7].re = tmpz[3].re - tmp4;
 309         tmpz[3].re = tmpz[3].re + tmp4;
 310         tmpz[7].im = tmpz[3].im + tmp3;
 311         tmpz[3].im = tmpz[3].im - tmp3;
 312     }
 313
 314     step = 1 << ((MAX_LOG2_NFFT-4) - 4);
 315     n4 = 4;
 316
 317     for (nbits=4; nbits<=s->nbits; nbits++){
 318         n2  = 2*n4;
 319         n34 = 3*n4;
 320         num_transforms = (num_transforms >> 1) | 1;
 321
 322         for (n=0; n<num_transforms; n++){
 323             const FFTSample *w_re_ptr = ff_w_tab_sr + step;
 324             const FFTSample *w_im_ptr = ff_w_tab_sr + MAX_FFT_SIZE/(4*16) - step;
 325             offset = ff_fft_offsets_lut[n] << nbits;
 326             tmpz = z + offset;
 327
 328             tmp5 = tmpz[ n2].re + tmpz[n34].re;
 329             tmp1 = tmpz[ n2].re - tmpz[n34].re;
 330             tmp6 = tmpz[ n2].im + tmpz[n34].im;
 331             tmp2 = tmpz[ n2].im - tmpz[n34].im;
 332
 333             tmpz[ n2].re = tmpz[ 0].re - tmp5;
 334             tmpz[  0].re = tmpz[ 0].re + tmp5;
 335             tmpz[ n2].im = tmpz[ 0].im - tmp6;
 336             tmpz[  0].im = tmpz[ 0].im + tmp6;
 337             tmpz[n34].re = tmpz[n4].re - tmp2;
 338             tmpz[ n4].re = tmpz[n4].re + tmp2;
 339             tmpz[n34].im = tmpz[n4].im + tmp1;
 340             tmpz[ n4].im = tmpz[n4].im - tmp1;
 341
 342             for (i=1; i<n4; i++){
 343                 FFTSample w_re = w_re_ptr[0];
 344                 FFTSample w_im = w_im_ptr[0];
 345                 accu  = (int64_t)w_re*tmpz[ n2+i].re;
 346                 accu += (int64_t)w_im*tmpz[ n2+i].im;
 347                 tmp1 = (int32_t)((accu + 0x40000000) >> 31);
 348                 accu  = (int64_t)w_re*tmpz[ n2+i].im;
 349                 accu -= (int64_t)w_im*tmpz[ n2+i].re;
 350                 tmp2 = (int32_t)((accu + 0x40000000) >> 31);
 351                 accu  = (int64_t)w_re*tmpz[n34+i].re;
 352                 accu -= (int64_t)w_im*tmpz[n34+i].im;
 353                 tmp3 = (int32_t)((accu + 0x40000000) >> 31);
 354                 accu  = (int64_t)w_re*tmpz[n34+i].im;
 355                 accu += (int64_t)w_im*tmpz[n34+i].re;
 356                 tmp4 = (int32_t)((accu + 0x40000000) >> 31);
 357
 358                 tmp5 = tmp1 + tmp3;
 359                 tmp1 = tmp1 - tmp3;
 360                 tmp6 = tmp2 + tmp4;
 361                 tmp2 = tmp2 - tmp4;
 362
 363                 tmpz[ n2+i].re = tmpz[   i].re - tmp5;
 364                 tmpz[    i].re = tmpz[   i].re + tmp5;
 365                 tmpz[ n2+i].im = tmpz[   i].im - tmp6;
 366                 tmpz[    i].im = tmpz[   i].im + tmp6;
 367                 tmpz[n34+i].re = tmpz[n4+i].re - tmp2;
 368                 tmpz[ n4+i].re = tmpz[n4+i].re + tmp2;
 369                 tmpz[n34+i].im = tmpz[n4+i].im + tmp1;
 370                 tmpz[ n4+i].im = tmpz[n4+i].im - tmp1;
 371
 372                 w_re_ptr += step;
 373                 w_im_ptr -= step;
 374             }
 375         }
 376         step >>= 1;
 377         n4   <<= 1;
 378     }
 379 }
 380
 381 #else /* FFT_FIXED_32 */
 382
 383 #define BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3) {\
 384     BF(t3, t5, t5, t1);\
 385     BF(a2.re, a0.re, a0.re, t5);\
 386     BF(a3.im, a1.im, a1.im, t3);\
 387     BF(t4, t6, t2, t6);\
 388     BF(a3.re, a1.re, a1.re, t4);\
 389     BF(a2.im, a0.im, a0.im, t6);\
 390 }
 391
 392 // force loading all the inputs before storing any.
 393 // this is slightly slower for small data, but avoids store->load aliasing
 394 // for addresses separated by large powers of 2.
 395 #define BUTTERFLIES_BIG(a0,a1,a2,a3) {\
 396     FFTSample r0=a0.re, i0=a0.im, r1=a1.re, i1=a1.im;\
 397     BF(t3, t5, t5, t1);\
 398     BF(a2.re, a0.re, r0, t5);\
 399     BF(a3.im, a1.im, i1, t3);\
 400     BF(t4, t6, t2, t6);\
 401     BF(a3.re, a1.re, r1, t4);\
 402     BF(a2.im, a0.im, i0, t6);\
 403 }
 404
 405 #define TRANSFORM(a0,a1,a2,a3,wre,wim) {\
 406     CMUL(t1, t2, a2.re, a2.im, wre, -wim);\
 407     CMUL(t5, t6, a3.re, a3.im, wre,  wim);\
 408     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 409 }
 410
 411 #define TRANSFORM_ZERO(a0,a1,a2,a3) {\
 412     t1 = a2.re;\
 413     t2 = a2.im;\
 414     t5 = a3.re;\
 415     t6 = a3.im;\
 416     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 417 }
 418
 419 /* z[0...8n-1], w[1...2n-1] */
 420 #define PASS(name)\
 421 static void name(FFTComplex *z, const FFTSample *wre, unsigned int n)\
 422 {\
 423     FFTDouble t1, t2, t3, t4, t5, t6;\
 424     int o1 = 2*n;\
 425     int o2 = 4*n;\
 426     int o3 = 6*n;\
 427     const FFTSample *wim = wre+o1;\
 428     n--;\
 429 \
 430     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[o1],z[o2],z[o3]);\
 431     TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 432     do {\
 433         z += 2;\
 434         wre += 2;\
 435         wim -= 2;\
 436         TRANSFORM(z[0],z[o1],z[o2],z[o3],wre[0],wim[0]);\
 437         TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 438     } while(--n);\
 439 }
 440
 441 PASS(pass)
 442 #undef BUTTERFLIES
 443 #define BUTTERFLIES BUTTERFLIES_BIG
 444 PASS(pass_big)
 445
 446 #define DECL_FFT(n,n2,n4)\
 447 static void fft##n(FFTComplex *z)\
 448 {\
 449     fft##n2(z);\
 450     fft##n4(z+n4*2);\
 451     fft##n4(z+n4*3);\
 452     pass(z,FFT_NAME(ff_cos_##n),n4/2);\
 453 }
 454
 455 static void fft4(FFTComplex *z)
 456 {
 457     FFTDouble t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
 458
 459     BF(t3, t1, z[0].re, z[1].re);
 460     BF(t8, t6, z[3].re, z[2].re);
 461     BF(z[2].re, z[0].re, t1, t6);
 462     BF(t4, t2, z[0].im, z[1].im);
 463     BF(t7, t5, z[2].im, z[3].im);
 464     BF(z[3].im, z[1].im, t4, t8);
 465     BF(z[3].re, z[1].re, t3, t7);
 466     BF(z[2].im, z[0].im, t2, t5);
 467 }
 468
 469 static void fft8(FFTComplex *z)
 470 {
 471     FFTDouble t1, t2, t3, t4, t5, t6;
 472
 473     fft4(z);
 474
 475     BF(t1, z[5].re, z[4].re, -z[5].re);
 476     BF(t2, z[5].im, z[4].im, -z[5].im);
 477     BF(t5, z[7].re, z[6].re, -z[7].re);
 478     BF(t6, z[7].im, z[6].im, -z[7].im);
 479
 480     BUTTERFLIES(z[0],z[2],z[4],z[6]);
 481     TRANSFORM(z[1],z[3],z[5],z[7],sqrthalf,sqrthalf);
 482 }
 483
 484 #if !CONFIG_SMALL
 485 static void fft16(FFTComplex *z)
 486 {
 487     FFTDouble t1, t2, t3, t4, t5, t6;
 488     FFTSample cos_16_1 = FFT_NAME(ff_cos_16)[1];
 489     FFTSample cos_16_3 = FFT_NAME(ff_cos_16)[3];
 490
 491     fft8(z);
 492     fft4(z+8);
 493     fft4(z+12);
 494
 495     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[4],z[8],z[12]);
 496     TRANSFORM(z[2],z[6],z[10],z[14],sqrthalf,sqrthalf);
 497     TRANSFORM(z[1],z[5],z[9],z[13],cos_16_1,cos_16_3);
 498     TRANSFORM(z[3],z[7],z[11],z[15],cos_16_3,cos_16_1);
 499 }
 500 #else
 501 DECL_FFT(16,8,4)
 502 #endif
 503 DECL_FFT(32,16,8)
 504 DECL_FFT(64,32,16)
 505 DECL_FFT(128,64,32)
 506 DECL_FFT(256,128,64)
 507 DECL_FFT(512,256,128)
 508 #if !CONFIG_SMALL
 509 #define pass pass_big
 510 #endif
 511 DECL_FFT(1024,512,256)
 512 DECL_FFT(2048,1024,512)
 513 DECL_FFT(4096,2048,1024)
 514 DECL_FFT(8192,4096,2048)
 515 DECL_FFT(16384,8192,4096)
 516 DECL_FFT(32768,16384,8192)
 517 DECL_FFT(65536,32768,16384)
 518
 519 static void (* const fft_dispatch[])(FFTComplex*) = {
 520     fft4, fft8, fft16, fft32, fft64, fft128, fft256, fft512, fft1024,
 521     fft2048, fft4096, fft8192, fft16384, fft32768, fft65536,
 522 };
 523
 524 static void fft_calc_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 525 {
 526     fft_dispatch[s->nbits-2](z);
 527 }
 528 #endif /* FFT_FIXED_32 */