git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavcodec/lpc.c

   1 /*
   2  * LPC utility code
   3  * Copyright (c) 2006  Justin Ruggles <justin.ruggles@gmail.com>
   4  *
   5  * This file is part of FFmpeg.
   6  *
   7  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
   8  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   9  * License as published by the Free Software Foundation; either
  10  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  11  *
  12  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  13  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  14  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  15  * Lesser General Public License for more details.
  16  *
  17  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  18  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  19  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  20  */
  21
  22 #include "libavutil/common.h"
  23 #include "libavutil/lls.h"
  24
  25 #define LPC_USE_DOUBLE
  26 #include "lpc.h"
  27 #include "libavutil/avassert.h"
  28
  29
  30 /**
  31  * Apply Welch window function to audio block
  32  */
  33 static void lpc_apply_welch_window_c(const int32_t *data, int len,
  34                                      double *w_data)
  35 {
  36     int i, n2;
  37     double w;
  38     double c;
  39
  40     /* The optimization in commit fa4ed8c does not support odd len.
  41      * If someone wants odd len extend that change. */
  42     av_assert2(!(len & 1));
  43
  44     n2 = (len >> 1);
  45     c = 2.0 / (len - 1.0);
  46
  47     w_data+=n2;
  48       data+=n2;
  49     for(i=0; i<n2; i++) {
  50         w = c - n2 + i;
  51         w = 1.0 - (w * w);
  52         w_data[-i-1] = data[-i-1] * w;
  53         w_data[+i  ] = data[+i  ] * w;
  54     }
  55 }
  56
  57 /**
  58  * Calculate autocorrelation data from audio samples
  59  * A Welch window function is applied before calculation.
  60  */
  61 static void lpc_compute_autocorr_c(const double *data, int len, int lag,
  62                                    double *autoc)
  63 {
  64     int i, j;
  65
  66     for(j=0; j<lag; j+=2){
  67         double sum0 = 1.0, sum1 = 1.0;
  68         for(i=j; i<len; i++){
  69             sum0 += data[i] * data[i-j];
  70             sum1 += data[i] * data[i-j-1];
  71         }
  72         autoc[j  ] = sum0;
  73         autoc[j+1] = sum1;
  74     }
  75
  76     if(j==lag){
  77         double sum = 1.0;
  78         for(i=j-1; i<len; i+=2){
  79             sum += data[i  ] * data[i-j  ]
  80                  + data[i+1] * data[i-j+1];
  81         }
  82         autoc[j] = sum;
  83     }
  84 }
  85
  86 /**
  87  * Quantize LPC coefficients
  88  */
  89 static void quantize_lpc_coefs(double *lpc_in, int order, int precision,
  90                                int32_t *lpc_out, int *shift, int max_shift, int zero_shift)
  91 {
  92     int i;
  93     double cmax, error;
  94     int32_t qmax;
  95     int sh;
  96
  97     /* define maximum levels */
  98     qmax = (1 << (precision - 1)) - 1;
  99
 100     /* find maximum coefficient value */
 101     cmax = 0.0;
 102     for(i=0; i<order; i++) {
 103         cmax= FFMAX(cmax, fabs(lpc_in[i]));
 104     }
 105
 106     /* if maximum value quantizes to zero, return all zeros */
 107     if(cmax * (1 << max_shift) < 1.0) {
 108         *shift = zero_shift;
 109         memset(lpc_out, 0, sizeof(int32_t) * order);
 110         return;
 111     }
 112
 113     /* calculate level shift which scales max coeff to available bits */
 114     sh = max_shift;
 115     while((cmax * (1 << sh) > qmax) && (sh > 0)) {
 116         sh--;
 117     }
 118
 119     /* since negative shift values are unsupported in decoder, scale down
 120        coefficients instead */
 121     if(sh == 0 && cmax > qmax) {
 122         double scale = ((double)qmax) / cmax;
 123         for(i=0; i<order; i++) {
 124             lpc_in[i] *= scale;
 125         }
 126     }
 127
 128     /* output quantized coefficients and level shift */
 129     error=0;
 130     for(i=0; i<order; i++) {
 131         error -= lpc_in[i] * (1 << sh);
 132         lpc_out[i] = av_clip(lrintf(error), -qmax, qmax);
 133         error -= lpc_out[i];
 134     }
 135     *shift = sh;
 136 }
 137
 138 static int estimate_best_order(double *ref, int min_order, int max_order)
 139 {
 140     int i, est;
 141
 142     est = min_order;
 143     for(i=max_order-1; i>=min_order-1; i--) {
 144         if(ref[i] > 0.10) {
 145             est = i+1;
 146             break;
 147         }
 148     }
 149     return est;
 150 }
 151
 152 int ff_lpc_calc_ref_coefs(LPCContext *s,
 153                           const int32_t *samples, int order, double *ref)
 154 {
 155     double autoc[MAX_LPC_ORDER + 1];
 156
 157     s->lpc_apply_welch_window(samples, s->blocksize, s->windowed_samples);
 158     s->lpc_compute_autocorr(s->windowed_samples, s->blocksize, order, autoc);
 159     compute_ref_coefs(autoc, order, ref, NULL);
 160
 161     return order;
 162 }
 163
 164 /**
 165  * Calculate LPC coefficients for multiple orders
 166  *
 167  * @param lpc_type LPC method for determining coefficients,
 168  *                 see #FFLPCType for details
 169  */
 170 int ff_lpc_calc_coefs(LPCContext *s,
 171                       const int32_t *samples, int blocksize, int min_order,
 172                       int max_order, int precision,
 173                       int32_t coefs[][MAX_LPC_ORDER], int *shift,
 174                       enum FFLPCType lpc_type, int lpc_passes,
 175                       int omethod, int max_shift, int zero_shift)
 176 {
 177     double autoc[MAX_LPC_ORDER+1];
 178     double ref[MAX_LPC_ORDER];
 179     double lpc[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
 180     int i, j, pass;
 181     int opt_order;
 182
 183     av_assert2(max_order >= MIN_LPC_ORDER && max_order <= MAX_LPC_ORDER &&
 184            lpc_type > FF_LPC_TYPE_FIXED);
 185
 186     /* reinit LPC context if parameters have changed */
 187     if (blocksize != s->blocksize || max_order != s->max_order ||
 188         lpc_type  != s->lpc_type) {
 189         ff_lpc_end(s);
 190         ff_lpc_init(s, blocksize, max_order, lpc_type);
 191     }
 192
 193     if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_LEVINSON) {
 194         s->lpc_apply_welch_window(samples, blocksize, s->windowed_samples);
 195
 196         s->lpc_compute_autocorr(s->windowed_samples, blocksize, max_order, autoc);
 197
 198         compute_lpc_coefs(autoc, max_order, &lpc[0][0], MAX_LPC_ORDER, 0, 1);
 199
 200         for(i=0; i<max_order; i++)
 201             ref[i] = fabs(lpc[i][i]);
 202     } else if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_CHOLESKY) {
 203         LLSModel m[2];
 204         double var[MAX_LPC_ORDER+1], av_uninit(weight);
 205
 206         if(lpc_passes <= 0)
 207             lpc_passes = 2;
 208
 209         for(pass=0; pass<lpc_passes; pass++){
 210             av_init_lls(&m[pass&1], max_order);
 211
 212             weight=0;
 213             for(i=max_order; i<blocksize; i++){
 214                 for(j=0; j<=max_order; j++)
 215                     var[j]= samples[i-j];
 216
 217                 if(pass){
 218                     double eval, inv, rinv;
 219                     eval= av_evaluate_lls(&m[(pass-1)&1], var+1, max_order-1);
 220                     eval= (512>>pass) + fabs(eval - var[0]);
 221                     inv = 1/eval;
 222                     rinv = sqrt(inv);
 223                     for(j=0; j<=max_order; j++)
 224                         var[j] *= rinv;
 225                     weight += inv;
 226                 }else
 227                     weight++;
 228
 229                 av_update_lls(&m[pass&1], var, 1.0);
 230             }
 231             av_solve_lls(&m[pass&1], 0.001, 0);
 232         }
 233
 234         for(i=0; i<max_order; i++){
 235             for(j=0; j<max_order; j++)
 236                 lpc[i][j]=-m[(pass-1)&1].coeff[i][j];
 237             ref[i]= sqrt(m[(pass-1)&1].variance[i] / weight) * (blocksize - max_order) / 4000;
 238         }
 239         for(i=max_order-1; i>0; i--)
 240             ref[i] = ref[i-1] - ref[i];
 241     } else
 242         av_assert0(0);
 243     opt_order = max_order;
 244
 245     if(omethod == ORDER_METHOD_EST) {
 246         opt_order = estimate_best_order(ref, min_order, max_order);
 247         i = opt_order-1;
 248         quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i], max_shift, zero_shift);
 249     } else {
 250         for(i=min_order-1; i<max_order; i++) {
 251             quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i], max_shift, zero_shift);
 252         }
 253     }
 254
 255     return opt_order;
 256 }
 257
 258 av_cold int ff_lpc_init(LPCContext *s, int blocksize, int max_order,
 259                         enum FFLPCType lpc_type)
 260 {
 261     s->blocksize = blocksize;
 262     s->max_order = max_order;
 263     s->lpc_type  = lpc_type;
 264
 265     if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_LEVINSON) {
 266         s->windowed_buffer = av_mallocz((blocksize + 2 + FFALIGN(max_order, 4)) *
 267                                         sizeof(*s->windowed_samples));
 268         if (!s->windowed_buffer)
 269             return AVERROR(ENOMEM);
 270         s->windowed_samples = s->windowed_buffer + FFALIGN(max_order, 4);
 271     } else {
 272         s->windowed_samples = NULL;
 273     }
 274
 275     s->lpc_apply_welch_window = lpc_apply_welch_window_c;
 276     s->lpc_compute_autocorr   = lpc_compute_autocorr_c;
 277
 278     if (ARCH_X86)
 279         ff_lpc_init_x86(s);
 280
 281     return 0;
 282 }
 283
 284 av_cold void ff_lpc_end(LPCContext *s)
 285 {
 286     av_freep(&s->windowed_buffer);
 287 }