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/lls.h"
  23
  24 #define LPC_USE_DOUBLE
  25 #include "lpc.h"
  26
  27
  28 /**
  29  * Apply Welch window function to audio block
  30  */
  31 static void lpc_apply_welch_window_c(const int32_t *data, int len,
  32                                      double *w_data)
  33 {
  34     int i, n2;
  35     double w;
  36     double c;
  37
  38     /* The optimization in commit fa4ed8c does not support odd len.
  39      * If someone wants odd len extend that change. */
  40     assert(!(len & 1));
  41
  42     n2 = (len >> 1);
  43     c = 2.0 / (len - 1.0);
  44
  45     w_data+=n2;
  46       data+=n2;
  47     for(i=0; i<n2; i++) {
  48         w = c - n2 + i;
  49         w = 1.0 - (w * w);
  50         w_data[-i-1] = data[-i-1] * w;
  51         w_data[+i  ] = data[+i  ] * w;
  52     }
  53 }
  54
  55 /**
  56  * Calculate autocorrelation data from audio samples
  57  * A Welch window function is applied before calculation.
  58  */
  59 static void lpc_compute_autocorr_c(const double *data, int len, int lag,
  60                                    double *autoc)
  61 {
  62     int i, j;
  63
  64     for(j=0; j<lag; j+=2){
  65         double sum0 = 1.0, sum1 = 1.0;
  66         for(i=j; i<len; i++){
  67             sum0 += data[i] * data[i-j];
  68             sum1 += data[i] * data[i-j-1];
  69         }
  70         autoc[j  ] = sum0;
  71         autoc[j+1] = sum1;
  72     }
  73
  74     if(j==lag){
  75         double sum = 1.0;
  76         for(i=j-1; i<len; i+=2){
  77             sum += data[i  ] * data[i-j  ]
  78                  + data[i+1] * data[i-j+1];
  79         }
  80         autoc[j] = sum;
  81     }
  82 }
  83
  84 /**
  85  * Quantize LPC coefficients
  86  */
  87 static void quantize_lpc_coefs(double *lpc_in, int order, int precision,
  88                                int32_t *lpc_out, int *shift, int max_shift, int zero_shift)
  89 {
  90     int i;
  91     double cmax, error;
  92     int32_t qmax;
  93     int sh;
  94
  95     /* define maximum levels */
  96     qmax = (1 << (precision - 1)) - 1;
  97
  98     /* find maximum coefficient value */
  99     cmax = 0.0;
 100     for(i=0; i<order; i++) {
 101         cmax= FFMAX(cmax, fabs(lpc_in[i]));
 102     }
 103
 104     /* if maximum value quantizes to zero, return all zeros */
 105     if(cmax * (1 << max_shift) < 1.0) {
 106         *shift = zero_shift;
 107         memset(lpc_out, 0, sizeof(int32_t) * order);
 108         return;
 109     }
 110
 111     /* calculate level shift which scales max coeff to available bits */
 112     sh = max_shift;
 113     while((cmax * (1 << sh) > qmax) && (sh > 0)) {
 114         sh--;
 115     }
 116
 117     /* since negative shift values are unsupported in decoder, scale down
 118        coefficients instead */
 119     if(sh == 0 && cmax > qmax) {
 120         double scale = ((double)qmax) / cmax;
 121         for(i=0; i<order; i++) {
 122             lpc_in[i] *= scale;
 123         }
 124     }
 125
 126     /* output quantized coefficients and level shift */
 127     error=0;
 128     for(i=0; i<order; i++) {
 129         error -= lpc_in[i] * (1 << sh);
 130         lpc_out[i] = av_clip(lrintf(error), -qmax, qmax);
 131         error -= lpc_out[i];
 132     }
 133     *shift = sh;
 134 }
 135
 136 static int estimate_best_order(double *ref, int min_order, int max_order)
 137 {
 138     int i, est;
 139
 140     est = min_order;
 141     for(i=max_order-1; i>=min_order-1; i--) {
 142         if(ref[i] > 0.10) {
 143             est = i+1;
 144             break;
 145         }
 146     }
 147     return est;
 148 }
 149
 150 /**
 151  * Calculate LPC coefficients for multiple orders
 152  *
 153  * @param lpc_type LPC method for determining coefficients,
 154  *                 see #FFLPCType for details
 155  */
 156 int ff_lpc_calc_coefs(LPCContext *s,
 157                       const int32_t *samples, int blocksize, int min_order,
 158                       int max_order, int precision,
 159                       int32_t coefs[][MAX_LPC_ORDER], int *shift,
 160                       enum FFLPCType lpc_type, int lpc_passes,
 161                       int omethod, int max_shift, int zero_shift)
 162 {
 163     double autoc[MAX_LPC_ORDER+1];
 164     double ref[MAX_LPC_ORDER];
 165     double lpc[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
 166     int i, j, pass;
 167     int opt_order;
 168
 169     assert(max_order >= MIN_LPC_ORDER && max_order <= MAX_LPC_ORDER &&
 170            lpc_type > FF_LPC_TYPE_FIXED);
 171
 172     /* reinit LPC context if parameters have changed */
 173     if (blocksize != s->blocksize || max_order != s->max_order ||
 174         lpc_type  != s->lpc_type) {
 175         ff_lpc_end(s);
 176         ff_lpc_init(s, blocksize, max_order, lpc_type);
 177     }
 178
 179     if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_LEVINSON) {
 180         double *windowed_samples = s->windowed_samples + max_order;
 181
 182         s->lpc_apply_welch_window(samples, blocksize, windowed_samples);
 183
 184         s->lpc_compute_autocorr(windowed_samples, blocksize, max_order, autoc);
 185
 186         compute_lpc_coefs(autoc, max_order, &lpc[0][0], MAX_LPC_ORDER, 0, 1);
 187
 188         for(i=0; i<max_order; i++)
 189             ref[i] = fabs(lpc[i][i]);
 190     } else if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_CHOLESKY) {
 191         LLSModel m[2];
 192         double var[MAX_LPC_ORDER+1], av_uninit(weight);
 193
 194         for(pass=0; pass<lpc_passes; pass++){
 195             av_init_lls(&m[pass&1], max_order);
 196
 197             weight=0;
 198             for(i=max_order; i<blocksize; i++){
 199                 for(j=0; j<=max_order; j++)
 200                     var[j]= samples[i-j];
 201
 202                 if(pass){
 203                     double eval, inv, rinv;
 204                     eval= av_evaluate_lls(&m[(pass-1)&1], var+1, max_order-1);
 205                     eval= (512>>pass) + fabs(eval - var[0]);
 206                     inv = 1/eval;
 207                     rinv = sqrt(inv);
 208                     for(j=0; j<=max_order; j++)
 209                         var[j] *= rinv;
 210                     weight += inv;
 211                 }else
 212                     weight++;
 213
 214                 av_update_lls(&m[pass&1], var, 1.0);
 215             }
 216             av_solve_lls(&m[pass&1], 0.001, 0);
 217         }
 218
 219         for(i=0; i<max_order; i++){
 220             for(j=0; j<max_order; j++)
 221                 lpc[i][j]=-m[(pass-1)&1].coeff[i][j];
 222             ref[i]= sqrt(m[(pass-1)&1].variance[i] / weight) * (blocksize - max_order) / 4000;
 223         }
 224         for(i=max_order-1; i>0; i--)
 225             ref[i] = ref[i-1] - ref[i];
 226     }
 227     opt_order = max_order;
 228
 229     if(omethod == ORDER_METHOD_EST) {
 230         opt_order = estimate_best_order(ref, min_order, max_order);
 231         i = opt_order-1;
 232         quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i], max_shift, zero_shift);
 233     } else {
 234         for(i=min_order-1; i<max_order; i++) {
 235             quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i], max_shift, zero_shift);
 236         }
 237     }
 238
 239     return opt_order;
 240 }
 241
 242 av_cold int ff_lpc_init(LPCContext *s, int blocksize, int max_order,
 243                         enum FFLPCType lpc_type)
 244 {
 245     s->blocksize = blocksize;
 246     s->max_order = max_order;
 247     s->lpc_type  = lpc_type;
 248
 249     if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_LEVINSON) {
 250         s->windowed_samples = av_mallocz((blocksize + max_order + 2) *
 251                                          sizeof(*s->windowed_samples));
 252         if (!s->windowed_samples)
 253             return AVERROR(ENOMEM);
 254     } else {
 255         s->windowed_samples = NULL;
 256     }
 257
 258     s->lpc_apply_welch_window = lpc_apply_welch_window_c;
 259     s->lpc_compute_autocorr   = lpc_compute_autocorr_c;
 260
 261     if (HAVE_MMX)
 262         ff_lpc_init_x86(s);
 263
 264     return 0;
 265 }
 266
 267 av_cold void ff_lpc_end(LPCContext *s)
 268 {
 269     av_freep(&s->windowed_samples);
 270 }