libavcodec/fft.c

   1 /*
   2  * FFT/IFFT transforms
   3  * Copyright (c) 2008 Loren Merritt
   4  * Copyright (c) 2002 Fabrice Bellard
   5  * Partly based on libdjbfft by D. J. Bernstein
   6  *
   7  * This file is part of FFmpeg.
   8  *
   9  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
  11  * License as published by the Free Software Foundation; either
  12  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  21  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  22  */
  23
  24 /**
  25  * @file libavcodec/fft.c
  26  * FFT/IFFT transforms.
  27  */
  28
  29 #include "dsputil.h"
  30
  31 /* cos(2*pi*x/n) for 0<=x<=n/4, followed by its reverse */
  32 #if !CONFIG_HARDCODED_TABLES
  33 COSTABLE(16);
  34 COSTABLE(32);
  35 COSTABLE(64);
  36 COSTABLE(128);
  37 COSTABLE(256);
  38 COSTABLE(512);
  39 COSTABLE(1024);
  40 COSTABLE(2048);
  41 COSTABLE(4096);
  42 COSTABLE(8192);
  43 COSTABLE(16384);
  44 COSTABLE(32768);
  45 COSTABLE(65536);
  46 #endif
  47 COSTABLE_CONST FFTSample * const ff_cos_tabs[] = {
  48     NULL, NULL, NULL, NULL,
  49     ff_cos_16, ff_cos_32, ff_cos_64, ff_cos_128, ff_cos_256, ff_cos_512, ff_cos_1024,
  50     ff_cos_2048, ff_cos_4096, ff_cos_8192, ff_cos_16384, ff_cos_32768, ff_cos_65536,
  51 };
  52
  53 static int split_radix_permutation(int i, int n, int inverse)
  54 {
  55     int m;
  56     if(n <= 2) return i&1;
  57     m = n >> 1;
  58     if(!(i&m))            return split_radix_permutation(i, m, inverse)*2;
  59     m >>= 1;
  60     if(inverse == !(i&m)) return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 + 1;
  61     else                  return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 - 1;
  62 }
  63
  64 av_cold void ff_init_ff_cos_tabs(int index)
  65 {
  66 #if !CONFIG_HARDCODED_TABLES
  67     int i;
  68     int m = 1<<index;
  69     double freq = 2*M_PI/m;
  70     FFTSample *tab = ff_cos_tabs[index];
  71     for(i=0; i<=m/4; i++)
  72         tab[i] = cos(i*freq);
  73     for(i=1; i<m/4; i++)
  74         tab[m/2-i] = tab[i];
  75 #endif
  76 }
  77
  78 av_cold int ff_fft_init(FFTContext *s, int nbits, int inverse)
  79 {
  80     int i, j, m, n;
  81     float alpha, c1, s1, s2;
  82     int av_unused has_vectors;
  83
  84     if (nbits < 2 || nbits > 16)
  85         goto fail;
  86     s->nbits = nbits;
  87     n = 1 << nbits;
  88
  89     s->tmp_buf = NULL;
  90     s->exptab  = av_malloc((n / 2) * sizeof(FFTComplex));
  91     if (!s->exptab)
  92         goto fail;
  93     s->revtab = av_malloc(n * sizeof(uint16_t));
  94     if (!s->revtab)
  95         goto fail;
  96     s->inverse = inverse;
  97
  98     s2 = inverse ? 1.0 : -1.0;
  99
 100     s->fft_permute = ff_fft_permute_c;
 101     s->fft_calc    = ff_fft_calc_c;
 102     s->imdct_calc  = ff_imdct_calc_c;
 103     s->imdct_half  = ff_imdct_half_c;
 104     s->mdct_calc   = ff_mdct_calc_c;
 105     s->exptab1     = NULL;
 106     s->split_radix = 1;
 107
 108     if (ARCH_ARM)     ff_fft_init_arm(s);
 109     if (HAVE_ALTIVEC) ff_fft_init_altivec(s);
 110     if (HAVE_MMX)     ff_fft_init_mmx(s);
 111
 112     if (s->split_radix) {
 113         for(j=4; j<=nbits; j++) {
 114             ff_init_ff_cos_tabs(j);
 115         }
 116         for(i=0; i<n; i++)
 117             s->revtab[-split_radix_permutation(i, n, s->inverse) & (n-1)] = i;
 118         s->tmp_buf = av_malloc(n * sizeof(FFTComplex));
 119     } else {
 120         int np, nblocks, np2, l;
 121         FFTComplex *q;
 122
 123         for(i=0; i<(n/2); i++) {
 124             alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
 125             c1 = cos(alpha);
 126             s1 = sin(alpha) * s2;
 127             s->exptab[i].re = c1;
 128             s->exptab[i].im = s1;
 129         }
 130
 131         np = 1 << nbits;
 132         nblocks = np >> 3;
 133         np2 = np >> 1;
 134         s->exptab1 = av_malloc(np * 2 * sizeof(FFTComplex));
 135         if (!s->exptab1)
 136             goto fail;
 137         q = s->exptab1;
 138         do {
 139             for(l = 0; l < np2; l += 2 * nblocks) {
 140                 *q++ = s->exptab[l];
 141                 *q++ = s->exptab[l + nblocks];
 142
 143                 q->re = -s->exptab[l].im;
 144                 q->im = s->exptab[l].re;
 145                 q++;
 146                 q->re = -s->exptab[l + nblocks].im;
 147                 q->im = s->exptab[l + nblocks].re;
 148                 q++;
 149             }
 150             nblocks = nblocks >> 1;
 151         } while (nblocks != 0);
 152         av_freep(&s->exptab);
 153
 154         /* compute bit reverse table */
 155         for(i=0;i<n;i++) {
 156             m=0;
 157             for(j=0;j<nbits;j++) {
 158                 m |= ((i >> j) & 1) << (nbits-j-1);
 159             }
 160             s->revtab[i]=m;
 161         }
 162     }
 163
 164     return 0;
 165  fail:
 166     av_freep(&s->revtab);
 167     av_freep(&s->exptab);
 168     av_freep(&s->exptab1);
 169     av_freep(&s->tmp_buf);
 170     return -1;
 171 }
 172
 173 void ff_fft_permute_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 174 {
 175     int j, k, np;
 176     FFTComplex tmp;
 177     const uint16_t *revtab = s->revtab;
 178     np = 1 << s->nbits;
 179
 180     if (s->tmp_buf) {
 181         /* TODO: handle split-radix permute in a more optimal way, probably in-place */
 182         for(j=0;j<np;j++) s->tmp_buf[revtab[j]] = z[j];
 183         memcpy(z, s->tmp_buf, np * sizeof(FFTComplex));
 184         return;
 185     }
 186
 187     /* reverse */
 188     for(j=0;j<np;j++) {
 189         k = revtab[j];
 190         if (k < j) {
 191             tmp = z[k];
 192             z[k] = z[j];
 193             z[j] = tmp;
 194         }
 195     }
 196 }
 197
 198 av_cold void ff_fft_end(FFTContext *s)
 199 {
 200     av_freep(&s->revtab);
 201     av_freep(&s->exptab);
 202     av_freep(&s->exptab1);
 203     av_freep(&s->tmp_buf);
 204 }
 205
 206 #define sqrthalf (float)M_SQRT1_2
 207
 208 #define BF(x,y,a,b) {\
 209     x = a - b;\
 210     y = a + b;\
 211 }
 212
 213 #define BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3) {\
 214     BF(t3, t5, t5, t1);\
 215     BF(a2.re, a0.re, a0.re, t5);\
 216     BF(a3.im, a1.im, a1.im, t3);\
 217     BF(t4, t6, t2, t6);\
 218     BF(a3.re, a1.re, a1.re, t4);\
 219     BF(a2.im, a0.im, a0.im, t6);\
 220 }
 221
 222 // force loading all the inputs before storing any.
 223 // this is slightly slower for small data, but avoids store->load aliasing
 224 // for addresses separated by large powers of 2.
 225 #define BUTTERFLIES_BIG(a0,a1,a2,a3) {\
 226     FFTSample r0=a0.re, i0=a0.im, r1=a1.re, i1=a1.im;\
 227     BF(t3, t5, t5, t1);\
 228     BF(a2.re, a0.re, r0, t5);\
 229     BF(a3.im, a1.im, i1, t3);\
 230     BF(t4, t6, t2, t6);\
 231     BF(a3.re, a1.re, r1, t4);\
 232     BF(a2.im, a0.im, i0, t6);\
 233 }
 234
 235 #define TRANSFORM(a0,a1,a2,a3,wre,wim) {\
 236     t1 = a2.re * wre + a2.im * wim;\
 237     t2 = a2.im * wre - a2.re * wim;\
 238     t5 = a3.re * wre - a3.im * wim;\
 239     t6 = a3.im * wre + a3.re * wim;\
 240     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 241 }
 242
 243 #define TRANSFORM_ZERO(a0,a1,a2,a3) {\
 244     t1 = a2.re;\
 245     t2 = a2.im;\
 246     t5 = a3.re;\
 247     t6 = a3.im;\
 248     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
 249 }
 250
 251 /* z[0...8n-1], w[1...2n-1] */
 252 #define PASS(name)\
 253 static void name(FFTComplex *z, const FFTSample *wre, unsigned int n)\
 254 {\
 255     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;\
 256     int o1 = 2*n;\
 257     int o2 = 4*n;\
 258     int o3 = 6*n;\
 259     const FFTSample *wim = wre+o1;\
 260     n--;\
 261 \
 262     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[o1],z[o2],z[o3]);\
 263     TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 264     do {\
 265         z += 2;\
 266         wre += 2;\
 267         wim -= 2;\
 268         TRANSFORM(z[0],z[o1],z[o2],z[o3],wre[0],wim[0]);\
 269         TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
 270     } while(--n);\
 271 }
 272
 273 PASS(pass)
 274 #undef BUTTERFLIES
 275 #define BUTTERFLIES BUTTERFLIES_BIG
 276 PASS(pass_big)
 277
 278 #define DECL_FFT(n,n2,n4)\
 279 static void fft##n(FFTComplex *z)\
 280 {\
 281     fft##n2(z);\
 282     fft##n4(z+n4*2);\
 283     fft##n4(z+n4*3);\
 284     pass(z,ff_cos_##n,n4/2);\
 285 }
 286
 287 static void fft4(FFTComplex *z)
 288 {
 289     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
 290
 291     BF(t3, t1, z[0].re, z[1].re);
 292     BF(t8, t6, z[3].re, z[2].re);
 293     BF(z[2].re, z[0].re, t1, t6);
 294     BF(t4, t2, z[0].im, z[1].im);
 295     BF(t7, t5, z[2].im, z[3].im);
 296     BF(z[3].im, z[1].im, t4, t8);
 297     BF(z[3].re, z[1].re, t3, t7);
 298     BF(z[2].im, z[0].im, t2, t5);
 299 }
 300
 301 static void fft8(FFTComplex *z)
 302 {
 303     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
 304
 305     fft4(z);
 306
 307     BF(t1, z[5].re, z[4].re, -z[5].re);
 308     BF(t2, z[5].im, z[4].im, -z[5].im);
 309     BF(t3, z[7].re, z[6].re, -z[7].re);
 310     BF(t4, z[7].im, z[6].im, -z[7].im);
 311     BF(t8, t1, t3, t1);
 312     BF(t7, t2, t2, t4);
 313     BF(z[4].re, z[0].re, z[0].re, t1);
 314     BF(z[4].im, z[0].im, z[0].im, t2);
 315     BF(z[6].re, z[2].re, z[2].re, t7);
 316     BF(z[6].im, z[2].im, z[2].im, t8);
 317
 318     TRANSFORM(z[1],z[3],z[5],z[7],sqrthalf,sqrthalf);
 319 }
 320
 321 #if !CONFIG_SMALL
 322 static void fft16(FFTComplex *z)
 323 {
 324     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;
 325
 326     fft8(z);
 327     fft4(z+8);
 328     fft4(z+12);
 329
 330     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[4],z[8],z[12]);
 331     TRANSFORM(z[2],z[6],z[10],z[14],sqrthalf,sqrthalf);
 332     TRANSFORM(z[1],z[5],z[9],z[13],ff_cos_16[1],ff_cos_16[3]);
 333     TRANSFORM(z[3],z[7],z[11],z[15],ff_cos_16[3],ff_cos_16[1]);
 334 }
 335 #else
 336 DECL_FFT(16,8,4)
 337 #endif
 338 DECL_FFT(32,16,8)
 339 DECL_FFT(64,32,16)
 340 DECL_FFT(128,64,32)
 341 DECL_FFT(256,128,64)
 342 DECL_FFT(512,256,128)
 343 #if !CONFIG_SMALL
 344 #define pass pass_big
 345 #endif
 346 DECL_FFT(1024,512,256)
 347 DECL_FFT(2048,1024,512)
 348 DECL_FFT(4096,2048,1024)
 349 DECL_FFT(8192,4096,2048)
 350 DECL_FFT(16384,8192,4096)
 351 DECL_FFT(32768,16384,8192)
 352 DECL_FFT(65536,32768,16384)
 353
 354 static void (* const fft_dispatch[])(FFTComplex*) = {
 355     fft4, fft8, fft16, fft32, fft64, fft128, fft256, fft512, fft1024,
 356     fft2048, fft4096, fft8192, fft16384, fft32768, fft65536,
 357 };
 358
 359 void ff_fft_calc_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
 360 {
 361     fft_dispatch[s->nbits-2](z);
 362 }
 363