libavcodec/qcelpdec.c

   1 /*
   2  * QCELP decoder
   3  * Copyright (c) 2007 Reynaldo H. Verdejo Pinochet
   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  * @file qcelpdec.c
  23  * QCELP decoder
  24  * @author Reynaldo H. Verdejo Pinochet
  25  */
  26
  27 #include <stddef.h>
  28
  29 #include "avcodec.h"
  30 #include "bitstream.h"
  31
  32 #include "qcelp.h"
  33 #include "qcelpdata.h"
  34
  35 #include "celp_math.h"
  36 #include "celp_filters.h"
  37
  38 #undef NDEBUG
  39 #include <assert.h>
  40
  41 static void weighted_vector_sumf(float *out,
  42                                  const float *in_a,
  43                                  const float *in_b,
  44                                  float weight_coeff_a,
  45                                  float weight_coeff_b,
  46                                  int length) {
  47     int   i;
  48
  49     for (i = 0; i < length; i++)
  50         out[i] = weight_coeff_a * in_a[i]
  51                + weight_coeff_b * in_b[i];
  52 }
  53
  54 /**
  55  * Initialize the speech codec according to the specification.
  56  *
  57  * TIA/EIA/IS-733 2.4.9
  58  */
  59 static av_cold int qcelp_decode_init(AVCodecContext *avctx) {
  60     QCELPContext *q = avctx->priv_data;
  61     int i;
  62
  63     avctx->sample_fmt = SAMPLE_FMT_FLT;
  64
  65     for (i = 0; i < 10; i++)
  66         q->prev_lspf[i] = (i + 1) / 11.;
  67
  68     return 0;
  69 }
  70
  71 /**
  72  * Computes the scaled codebook vector Cdn From INDEX and GAIN
  73  * for all rates.
  74  *
  75  * The specification lacks some information here.
  76  *
  77  * TIA/EIA/IS-733 has an omission on the codebook index determination
  78  * formula for RATE_FULL and RATE_HALF frames at section 2.4.8.1.1. It says
  79  * you have to subtract the decoded index parameter from the given scaled
  80  * codebook vector index 'n' to get the desired circular codebook index, but
  81  * it does not mention that you have to clamp 'n' to [0-9] in order to get
  82  * RI-compliant results.
  83  *
  84  * The reason for this mistake seems to be the fact they forgot to mention you
  85  * have to do these calculations per codebook subframe and adjust given
  86  * equation values accordingly.
  87  *
  88  * @param q the context
  89  * @param gain array holding the 4 pitch subframe gain values
  90  * @param cdn_vector array for the generated scaled codebook vector
  91  */
  92 static void compute_svector(const QCELPContext *q,
  93                             const float *gain,
  94                             float *cdn_vector) {
  95     int      i, j, k;
  96     uint16_t cbseed, cindex;
  97     float    *rnd, tmp_gain, fir_filter_value;
  98
  99     switch (q->framerate) {
 100     case RATE_FULL:
 101         for (i = 0; i < 16; i++) {
 102             tmp_gain = gain[i] * QCELP_RATE_FULL_CODEBOOK_RATIO;
 103             cindex = -q->cindex[i];
 104             for (j = 0; j < 10; j++)
 105                 *cdn_vector++ = tmp_gain * qcelp_rate_full_codebook[cindex++ & 127];
 106         }
 107         break;
 108     case RATE_HALF:
 109         for (i = 0; i < 4; i++) {
 110             tmp_gain = gain[i] * QCELP_RATE_HALF_CODEBOOK_RATIO;
 111             cindex = -q->cindex[i];
 112             for (j = 0; j < 40; j++)
 113                 *cdn_vector++ = tmp_gain * qcelp_rate_half_codebook[cindex++ & 127];
 114         }
 115         break;
 116     case RATE_QUARTER:
 117         cbseed = (0x0003 & q->lspv[4])<<14 |
 118                  (0x003F & q->lspv[3])<< 8 |
 119                  (0x0060 & q->lspv[2])<< 1 |
 120                  (0x0007 & q->lspv[1])<< 3 |
 121                  (0x0038 & q->lspv[0])>> 3 ;
 122         rnd = q->rnd_fir_filter_mem + 20;
 123         for (i = 0; i < 8; i++) {
 124             tmp_gain = gain[i] * (QCELP_SQRT1887 / 32768.0);
 125             for (k = 0; k < 20; k++) {
 126                 cbseed = 521 * cbseed + 259;
 127                 *rnd = (int16_t)cbseed;
 128
 129                 // FIR filter
 130                 fir_filter_value = 0.0;
 131                 for (j = 0; j < 10; j++)
 132                     fir_filter_value += qcelp_rnd_fir_coefs[j ] * (rnd[-j ] + rnd[-20+j]);
 133                 fir_filter_value     += qcelp_rnd_fir_coefs[10] *  rnd[-10];
 134
 135                 *cdn_vector++ = tmp_gain * fir_filter_value;
 136                 rnd++;
 137             }
 138         }
 139         memcpy(q->rnd_fir_filter_mem, q->rnd_fir_filter_mem + 160, 20 * sizeof(float));
 140         break;
 141     case RATE_OCTAVE:
 142         cbseed = q->first16bits;
 143         for (i = 0; i < 8; i++) {
 144             tmp_gain = gain[i] * (QCELP_SQRT1887 / 32768.0);
 145             for (j = 0; j < 20; j++) {
 146                 cbseed = 521 * cbseed + 259;
 147                 *cdn_vector++ = tmp_gain * (int16_t)cbseed;
 148             }
 149         }
 150         break;
 151     case I_F_Q:
 152         cbseed = -44; // random codebook index
 153         for (i = 0; i < 4; i++) {
 154             tmp_gain = gain[i] * QCELP_RATE_FULL_CODEBOOK_RATIO;
 155             for (j = 0; j < 40; j++)
 156                 *cdn_vector++ = tmp_gain * qcelp_rate_full_codebook[cbseed++ & 127];
 157         }
 158         break;
 159     }
 160 }
 161
 162 /**
 163  * Apply generic gain control.
 164  *
 165  * @param v_out output vector
 166  * @param v_in gain-controlled vector
 167  * @param v_ref vector to control gain of
 168  *
 169  * FIXME: If v_ref is a zero vector, it energy is zero
 170  *        and the behavior of the gain control is
 171  *        undefined in the specs.
 172  *
 173  * TIA/EIA/IS-733 2.4.8.3-2/3/4/5, 2.4.8.6
 174  */
 175 static void apply_gain_ctrl(float *v_out,
 176                             const float *v_ref,
 177                             const float *v_in) {
 178     int   i, j, len;
 179     float scalefactor;
 180
 181     for (i = 0, j = 0; i < 4; i++) {
 182         scalefactor = ff_dot_productf(v_in + j, v_in + j, 40);
 183         if (scalefactor)
 184             scalefactor = sqrt(ff_dot_productf(v_ref + j, v_ref + j, 40) / scalefactor);
 185         else
 186             av_log_missing_feature(NULL, "Zero energy for gain control", 1);
 187         for (len = j + 40; j < len; j++)
 188             v_out[j] = scalefactor * v_in[j];
 189     }
 190 }
 191
 192 /**
 193  * Apply filter in pitch-subframe steps.
 194  *
 195  * @param memory buffer for the previous state of the filter
 196  *        - must be able to contain 303 elements
 197  *        - the 143 first elements are from the previous state
 198  *        - the next 160 are for output
 199  * @param v_in input filter vector
 200  * @param gain per-subframe gain array, each element is between 0.0 and 2.0
 201  * @param lag per-subframe lag array, each element is
 202  *        - between 16 and 143 if its corresponding pfrac is 0,
 203  *        - between 16 and 139 otherwise
 204  * @param pfrac per-subframe boolean array, 1 if the lag is fractional, 0 otherwise
 205  *
 206  * @return filter output vector
 207  */
 208 static const float *do_pitchfilter(float memory[303],
 209                                    const float v_in[160],
 210                                    const float gain[4],
 211                                    const uint8_t *lag,
 212                                    const uint8_t pfrac[4]) {
 213     int         i, j;
 214     float       *v_lag, *v_out;
 215     const float *v_len;
 216
 217     v_out = memory + 143; // Output vector starts at memory[143].
 218
 219     for (i = 0; i < 4; i++)
 220         if (gain[i]) {
 221             v_lag = memory + 143 + 40 * i - lag[i];
 222             for (v_len = v_in + 40; v_in < v_len; v_in++) {
 223                 if (pfrac[i]) { // If it is a fractional lag...
 224                     for (j = 0, *v_out = 0.; j < 4; j++)
 225                         *v_out += qcelp_hammsinc_table[j] * (v_lag[j-4] + v_lag[3-j]);
 226                 } else
 227                     *v_out = *v_lag;
 228
 229                 *v_out = *v_in + gain[i] * *v_out;
 230
 231                 v_lag++;
 232                 v_out++;
 233             }
 234         } else {
 235             memcpy(v_out, v_in, 40 * sizeof(float));
 236             v_in  += 40;
 237             v_out += 40;
 238         }
 239
 240     memmove(memory, memory + 160, 143 * sizeof(float));
 241     return memory + 143;
 242 }
 243
 244 /**
 245  * Interpolates LSP frequencies and computes LPC coefficients
 246  * for a given framerate & pitch subframe.
 247  *
 248  * TIA/EIA/IS-733 2.4.3.3.4
 249  *
 250  * @param q the context
 251  * @param curr_lspf LSP frequencies vector of the current frame
 252  * @param lpc float vector for the resulting LPC
 253  * @param subframe_num frame number in decoded stream
 254  */
 255 void interpolate_lpc(QCELPContext *q,
 256                      const float *curr_lspf,
 257                      float *lpc,
 258                      const int subframe_num) {
 259     float interpolated_lspf[10];
 260     float weight;
 261
 262     if (q->framerate >= RATE_QUARTER) {
 263         weight = 0.25 * (subframe_num + 1);
 264     } else if (q->framerate == RATE_OCTAVE && !subframe_num) {
 265         weight = 0.625;
 266     } else {
 267         weight = 1.0;
 268     }
 269
 270     if (weight != 1.0) {
 271         weighted_vector_sumf(interpolated_lspf, curr_lspf, q->prev_lspf, weight, 1.0 - weight, 10);
 272         qcelp_lspf2lpc(interpolated_lspf, lpc);
 273     } else if (q->framerate >= RATE_QUARTER || (q->framerate == I_F_Q && !subframe_num))
 274         qcelp_lspf2lpc(curr_lspf, lpc);
 275 }
 276
 277 static int buf_size2framerate(const int buf_size) {
 278     switch (buf_size) {
 279     case 35:
 280         return RATE_FULL;
 281     case 17:
 282         return RATE_HALF;
 283     case  8:
 284         return RATE_QUARTER;
 285     case  4:
 286         return RATE_OCTAVE;
 287     case  1:
 288         return SILENCE;
 289     }
 290     return -1;
 291 }
 292
 293 static void warn_insufficient_frame_quality(AVCodecContext *avctx,
 294                                             const char *message) {
 295     av_log(avctx, AV_LOG_WARNING, "Frame #%d, IFQ: %s\n", avctx->frame_number, message);
 296 }
 297
 298 AVCodec qcelp_decoder =
 299 {
 300     .name   = "qcelp",
 301     .type   = CODEC_TYPE_AUDIO,
 302     .id     = CODEC_ID_QCELP,
 303     .init   = qcelp_decode_init,
 304     .decode = qcelp_decode_frame,
 305     .priv_data_size = sizeof(QCELPContext),
 306     .long_name = NULL_IF_CONFIG_SMALL("QCELP / PureVoice"),
 307 };