libavcodec/lpc.c

   1 /**
   2  * LPC utility code
   3  * Copyright (c) 2006  Justin Ruggles <jruggle@earthlink.net>
   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 #include "dsputil.h"
  24 #include "lpc.h"
  25
  26
  27 /**
  28  * Levinson-Durbin recursion.
  29  * Produces LPC coefficients from autocorrelation data.
  30  */
  31 static void compute_lpc_coefs(const double *autoc, int max_order,
  32                               double lpc[][MAX_LPC_ORDER], double *ref)
  33 {
  34    int i, j, i2;
  35    double r, err, tmp;
  36    double lpc_tmp[MAX_LPC_ORDER];
  37
  38    for(i=0; i<max_order; i++) lpc_tmp[i] = 0;
  39    err = autoc[0];
  40
  41    for(i=0; i<max_order; i++) {
  42       r = -autoc[i+1];
  43       for(j=0; j<i; j++) {
  44           r -= lpc_tmp[j] * autoc[i-j];
  45       }
  46       r /= err;
  47       ref[i] = fabs(r);
  48
  49       err *= 1.0 - (r * r);
  50
  51       i2 = (i >> 1);
  52       lpc_tmp[i] = r;
  53       for(j=0; j<i2; j++) {
  54          tmp = lpc_tmp[j];
  55          lpc_tmp[j] += r * lpc_tmp[i-1-j];
  56          lpc_tmp[i-1-j] += r * tmp;
  57       }
  58       if(i & 1) {
  59           lpc_tmp[j] += lpc_tmp[j] * r;
  60       }
  61
  62       for(j=0; j<=i; j++) {
  63           lpc[i][j] = -lpc_tmp[j];
  64       }
  65    }
  66 }
  67
  68 /**
  69  * Quantize LPC coefficients
  70  */
  71 static void quantize_lpc_coefs(double *lpc_in, int order, int precision,
  72                                int32_t *lpc_out, int *shift, int max_shift, int zero_shift)
  73 {
  74     int i;
  75     double cmax, error;
  76     int32_t qmax;
  77     int sh;
  78
  79     /* define maximum levels */
  80     qmax = (1 << (precision - 1)) - 1;
  81
  82     /* find maximum coefficient value */
  83     cmax = 0.0;
  84     for(i=0; i<order; i++) {
  85         cmax= FFMAX(cmax, fabs(lpc_in[i]));
  86     }
  87
  88     /* if maximum value quantizes to zero, return all zeros */
  89     if(cmax * (1 << max_shift) < 1.0) {
  90         *shift = zero_shift;
  91         memset(lpc_out, 0, sizeof(int32_t) * order);
  92         return;
  93     }
  94
  95     /* calculate level shift which scales max coeff to available bits */
  96     sh = max_shift;
  97     while((cmax * (1 << sh) > qmax) && (sh > 0)) {
  98         sh--;
  99     }
 100
 101     /* since negative shift values are unsupported in decoder, scale down
 102        coefficients instead */
 103     if(sh == 0 && cmax > qmax) {
 104         double scale = ((double)qmax) / cmax;
 105         for(i=0; i<order; i++) {
 106             lpc_in[i] *= scale;
 107         }
 108     }
 109
 110     /* output quantized coefficients and level shift */
 111     error=0;
 112     for(i=0; i<order; i++) {
 113         error += lpc_in[i] * (1 << sh);
 114         lpc_out[i] = av_clip(lrintf(error), -qmax, qmax);
 115         error -= lpc_out[i];
 116     }
 117     *shift = sh;
 118 }
 119
 120 static int estimate_best_order(double *ref, int max_order)
 121 {
 122     int i, est;
 123
 124     est = 1;
 125     for(i=max_order-1; i>=0; i--) {
 126         if(ref[i] > 0.10) {
 127             est = i+1;
 128             break;
 129         }
 130     }
 131     return est;
 132 }
 133
 134 /**
 135  * Calculate LPC coefficients for multiple orders
 136  */
 137 int ff_lpc_calc_coefs(DSPContext *s,
 138                           const int32_t *samples, int blocksize, int max_order,
 139                           int precision, int32_t coefs[][MAX_LPC_ORDER],
 140                           int *shift, int use_lpc, int omethod, int max_shift, int zero_shift)
 141 {
 142     double autoc[MAX_LPC_ORDER+1];
 143     double ref[MAX_LPC_ORDER];
 144     double lpc[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
 145     int i, j, pass;
 146     int opt_order;
 147
 148     assert(max_order >= MIN_LPC_ORDER && max_order <= MAX_LPC_ORDER);
 149
 150     if(use_lpc == 1){
 151         s->flac_compute_autocorr(samples, blocksize, max_order, autoc);
 152
 153         compute_lpc_coefs(autoc, max_order, lpc, ref);
 154     }else{
 155         LLSModel m[2];
 156         double var[MAX_LPC_ORDER+1], weight;
 157
 158         for(pass=0; pass<use_lpc-1; pass++){
 159             av_init_lls(&m[pass&1], max_order);
 160
 161             weight=0;
 162             for(i=max_order; i<blocksize; i++){
 163                 for(j=0; j<=max_order; j++)
 164                     var[j]= samples[i-j];
 165
 166                 if(pass){
 167                     double eval, inv, rinv;
 168                     eval= av_evaluate_lls(&m[(pass-1)&1], var+1, max_order-1);
 169                     eval= (512>>pass) + fabs(eval - var[0]);
 170                     inv = 1/eval;
 171                     rinv = sqrt(inv);
 172                     for(j=0; j<=max_order; j++)
 173                         var[j] *= rinv;
 174                     weight += inv;
 175                 }else
 176                     weight++;
 177
 178                 av_update_lls(&m[pass&1], var, 1.0);
 179             }
 180             av_solve_lls(&m[pass&1], 0.001, 0);
 181         }
 182
 183         for(i=0; i<max_order; i++){
 184             for(j=0; j<max_order; j++)
 185                 lpc[i][j]= m[(pass-1)&1].coeff[i][j];
 186             ref[i]= sqrt(m[(pass-1)&1].variance[i] / weight) * (blocksize - max_order) / 4000;
 187         }
 188         for(i=max_order-1; i>0; i--)
 189             ref[i] = ref[i-1] - ref[i];
 190     }
 191     opt_order = max_order;
 192
 193     if(omethod == ORDER_METHOD_EST) {
 194         opt_order = estimate_best_order(ref, max_order);
 195         i = opt_order-1;
 196         quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i], max_shift, zero_shift);
 197     } else {
 198         for(i=0; i<max_order; i++) {
 199             quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i], max_shift, zero_shift);
 200         }
 201     }
 202
 203     return opt_order;
 204 }