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 #include "libavutil/mem_internal.h"
  25
  26 #define LPC_USE_DOUBLE
  27 #include "lpc.h"
  28 #include "libavutil/avassert.h"
  29
  30
  31 /**
  32  * Apply Welch window function to audio block
  33  */
  34 static void lpc_apply_welch_window_c(const int32_t *data, int len,
  35                                      double *w_data)
  36 {
  37     int i, n2;
  38     double w;
  39     double c;
  40
  41     n2 = (len >> 1);
  42     c = 2.0 / (len - 1.0);
  43
  44     if (len & 1) {
  45         for(i=0; i<n2; i++) {
  46             w = c - i - 1.0;
  47             w = 1.0 - (w * w);
  48             w_data[i] = data[i] * w;
  49             w_data[len-1-i] = data[len-1-i] * w;
  50         }
  51         return;
  52     }
  53
  54     w_data+=n2;
  55       data+=n2;
  56     for(i=0; i<n2; i++) {
  57         w = c - n2 + i;
  58         w = 1.0 - (w * w);
  59         w_data[-i-1] = data[-i-1] * w;
  60         w_data[+i  ] = data[+i  ] * w;
  61     }
  62 }
  63
  64 /**
  65  * Calculate autocorrelation data from audio samples
  66  * A Welch window function is applied before calculation.
  67  */
  68 static void lpc_compute_autocorr_c(const double *data, int len, int lag,
  69                                    double *autoc)
  70 {
  71     int i, j;
  72
  73     for(j=0; j<lag; j+=2){
  74         double sum0 = 1.0, sum1 = 1.0;
  75         for(i=j; i<len; i++){
  76             sum0 += data[i] * data[i-j];
  77             sum1 += data[i] * data[i-j-1];
  78         }
  79         autoc[j  ] = sum0;
  80         autoc[j+1] = sum1;
  81     }
  82
  83     if(j==lag){
  84         double sum = 1.0;
  85         for(i=j-1; i<len; i+=2){
  86             sum += data[i  ] * data[i-j  ]
  87                  + data[i+1] * data[i-j+1];
  88         }
  89         autoc[j] = sum;
  90     }
  91 }
  92
  93 /**
  94  * Quantize LPC coefficients
  95  */
  96 static void quantize_lpc_coefs(double *lpc_in, int order, int precision,
  97                                int32_t *lpc_out, int *shift, int min_shift,
  98                                int max_shift, int zero_shift)
  99 {
 100     int i;
 101     double cmax, error;
 102     int32_t qmax;
 103     int sh;
 104
 105     /* define maximum levels */
 106     qmax = (1 << (precision - 1)) - 1;
 107
 108     /* find maximum coefficient value */
 109     cmax = 0.0;
 110     for(i=0; i<order; i++) {
 111         cmax= FFMAX(cmax, fabs(lpc_in[i]));
 112     }
 113
 114     /* if maximum value quantizes to zero, return all zeros */
 115     if(cmax * (1 << max_shift) < 1.0) {
 116         *shift = zero_shift;
 117         memset(lpc_out, 0, sizeof(int32_t) * order);
 118         return;
 119     }
 120
 121     /* calculate level shift which scales max coeff to available bits */
 122     sh = max_shift;
 123     while((cmax * (1 << sh) > qmax) && (sh > min_shift)) {
 124         sh--;
 125     }
 126
 127     /* since negative shift values are unsupported in decoder, scale down
 128        coefficients instead */
 129     if(sh == 0 && cmax > qmax) {
 130         double scale = ((double)qmax) / cmax;
 131         for(i=0; i<order; i++) {
 132             lpc_in[i] *= scale;
 133         }
 134     }
 135
 136     /* output quantized coefficients and level shift */
 137     error=0;
 138     for(i=0; i<order; i++) {
 139         error -= lpc_in[i] * (1 << sh);
 140         lpc_out[i] = av_clip(lrintf(error), -qmax, qmax);
 141         error -= lpc_out[i];
 142     }
 143     *shift = sh;
 144 }
 145
 146 static int estimate_best_order(double *ref, int min_order, int max_order)
 147 {
 148     int i, est;
 149
 150     est = min_order;
 151     for(i=max_order-1; i>=min_order-1; i--) {
 152         if(ref[i] > 0.10) {
 153             est = i+1;
 154             break;
 155         }
 156     }
 157     return est;
 158 }
 159
 160 int ff_lpc_calc_ref_coefs(LPCContext *s,
 161                           const int32_t *samples, int order, double *ref)
 162 {
 163     double autoc[MAX_LPC_ORDER + 1];
 164
 165     s->lpc_apply_welch_window(samples, s->blocksize, s->windowed_samples);
 166     s->lpc_compute_autocorr(s->windowed_samples, s->blocksize, order, autoc);
 167     compute_ref_coefs(autoc, order, ref, NULL);
 168
 169     return order;
 170 }
 171
 172 double ff_lpc_calc_ref_coefs_f(LPCContext *s, const float *samples, int len,
 173                                int order, double *ref)
 174 {
 175     int i;
 176     double signal = 0.0f, avg_err = 0.0f;
 177     double autoc[MAX_LPC_ORDER+1] = {0}, error[MAX_LPC_ORDER+1] = {0};
 178     const double a = 0.5f, b = 1.0f - a;
 179
 180     /* Apply windowing */
 181     for (i = 0; i <= len / 2; i++) {
 182         double weight = a - b*cos((2*M_PI*i)/(len - 1));
 183         s->windowed_samples[i] = weight*samples[i];
 184         s->windowed_samples[len-1-i] = weight*samples[len-1-i];
 185     }
 186
 187     s->lpc_compute_autocorr(s->windowed_samples, len, order, autoc);
 188     signal = autoc[0];
 189     compute_ref_coefs(autoc, order, ref, error);
 190     for (i = 0; i < order; i++)
 191         avg_err = (avg_err + error[i])/2.0f;
 192     return signal/avg_err;
 193 }
 194
 195 /**
 196  * Calculate LPC coefficients for multiple orders
 197  *
 198  * @param lpc_type LPC method for determining coefficients,
 199  *                 see #FFLPCType for details
 200  */
 201 int ff_lpc_calc_coefs(LPCContext *s,
 202                       const int32_t *samples, int blocksize, int min_order,
 203                       int max_order, int precision,
 204                       int32_t coefs[][MAX_LPC_ORDER], int *shift,
 205                       enum FFLPCType lpc_type, int lpc_passes,
 206                       int omethod, int min_shift, int max_shift, int zero_shift)
 207 {
 208     double autoc[MAX_LPC_ORDER+1];
 209     double ref[MAX_LPC_ORDER] = { 0 };
 210     double lpc[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
 211     int i, j, pass = 0;
 212     int opt_order;
 213
 214     av_assert2(max_order >= MIN_LPC_ORDER && max_order <= MAX_LPC_ORDER &&
 215            lpc_type > FF_LPC_TYPE_FIXED);
 216     av_assert0(lpc_type == FF_LPC_TYPE_CHOLESKY || lpc_type == FF_LPC_TYPE_LEVINSON);
 217
 218     /* reinit LPC context if parameters have changed */
 219     if (blocksize != s->blocksize || max_order != s->max_order ||
 220         lpc_type  != s->lpc_type) {
 221         ff_lpc_end(s);
 222         ff_lpc_init(s, blocksize, max_order, lpc_type);
 223     }
 224
 225     if(lpc_passes <= 0)
 226         lpc_passes = 2;
 227
 228     if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_LEVINSON || (lpc_type == FF_LPC_TYPE_CHOLESKY && lpc_passes > 1)) {
 229         s->lpc_apply_welch_window(samples, blocksize, s->windowed_samples);
 230
 231         s->lpc_compute_autocorr(s->windowed_samples, blocksize, max_order, autoc);
 232
 233         compute_lpc_coefs(autoc, max_order, &lpc[0][0], MAX_LPC_ORDER, 0, 1);
 234
 235         for(i=0; i<max_order; i++)
 236             ref[i] = fabs(lpc[i][i]);
 237
 238         pass++;
 239     }
 240
 241     if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_CHOLESKY) {
 242         LLSModel *m = s->lls_models;
 243         LOCAL_ALIGNED(32, double, var, [FFALIGN(MAX_LPC_ORDER+1,4)]);
 244         double av_uninit(weight);
 245         memset(var, 0, FFALIGN(MAX_LPC_ORDER+1,4)*sizeof(*var));
 246
 247         for(j=0; j<max_order; j++)
 248             m[0].coeff[max_order-1][j] = -lpc[max_order-1][j];
 249
 250         for(; pass<lpc_passes; pass++){
 251             avpriv_init_lls(&m[pass&1], max_order);
 252
 253             weight=0;
 254             for(i=max_order; i<blocksize; i++){
 255                 for(j=0; j<=max_order; j++)
 256                     var[j]= samples[i-j];
 257
 258                 if(pass){
 259                     double eval, inv, rinv;
 260                     eval= m[pass&1].evaluate_lls(&m[(pass-1)&1], var+1, max_order-1);
 261                     eval= (512>>pass) + fabs(eval - var[0]);
 262                     inv = 1/eval;
 263                     rinv = sqrt(inv);
 264                     for(j=0; j<=max_order; j++)
 265                         var[j] *= rinv;
 266                     weight += inv;
 267                 }else
 268                     weight++;
 269
 270                 m[pass&1].update_lls(&m[pass&1], var);
 271             }
 272             avpriv_solve_lls(&m[pass&1], 0.001, 0);
 273         }
 274
 275         for(i=0; i<max_order; i++){
 276             for(j=0; j<max_order; j++)
 277                 lpc[i][j]=-m[(pass-1)&1].coeff[i][j];
 278             ref[i]= sqrt(m[(pass-1)&1].variance[i] / weight) * (blocksize - max_order) / 4000;
 279         }
 280         for(i=max_order-1; i>0; i--)
 281             ref[i] = ref[i-1] - ref[i];
 282     }
 283
 284     opt_order = max_order;
 285
 286     if(omethod == ORDER_METHOD_EST) {
 287         opt_order = estimate_best_order(ref, min_order, max_order);
 288         i = opt_order-1;
 289         quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i],
 290                            min_shift, max_shift, zero_shift);
 291     } else {
 292         for(i=min_order-1; i<max_order; i++) {
 293             quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i],
 294                                min_shift, max_shift, zero_shift);
 295         }
 296     }
 297
 298     return opt_order;
 299 }
 300
 301 av_cold int ff_lpc_init(LPCContext *s, int blocksize, int max_order,
 302                         enum FFLPCType lpc_type)
 303 {
 304     s->blocksize = blocksize;
 305     s->max_order = max_order;
 306     s->lpc_type  = lpc_type;
 307
 308     s->windowed_buffer = av_mallocz((blocksize + 2 + FFALIGN(max_order, 4)) *
 309                                     sizeof(*s->windowed_samples));
 310     if (!s->windowed_buffer)
 311         return AVERROR(ENOMEM);
 312     s->windowed_samples = s->windowed_buffer + FFALIGN(max_order, 4);
 313
 314     s->lpc_apply_welch_window = lpc_apply_welch_window_c;
 315     s->lpc_compute_autocorr   = lpc_compute_autocorr_c;
 316
 317     if (ARCH_X86)
 318         ff_lpc_init_x86(s);
 319
 320     return 0;
 321 }
 322
 323 av_cold void ff_lpc_end(LPCContext *s)
 324 {
 325     av_freep(&s->windowed_buffer);
 326 }