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