61498f73c8dd0ed656bb665e92480fb110cada12
[paraslash.git] / imdct.c
1 /*
2  * FFT/IFFT transforms.
3  *
4  * Extracted 2009 from mplayer 2009-02-10 libavcodec/fft.c and libavcodec/mdct.c
5  *
6  * Copyright (c) 2008 Loren Merritt
7  * Copyright (c) 2002 Fabrice Bellard
8  * Partly based on libdjbfft by D. J. Bernstein
9  *
10  * Licensed under the GNU Lesser General Public License.
11  * For licencing details see COPYING.LIB.
12  */
13
14 /**
15  * \file imdct.c Inverse modified discrete cosine transform.
16  */
17
18 #include <inttypes.h>
19 #include <math.h>
20 #include <string.h>
21 #include <stdlib.h>
22 #include <regex.h>
23
24 #include "para.h"
25 #include "error.h"
26 #include "string.h"
27 #include "imdct.h"
28 #include "wma.h"
29
30 typedef float fftsample_t;
31
32 #define M_SQRT1_2      0.70710678118654752440   /* 1/sqrt(2) */
33
34 struct fft_complex {
35         fftsample_t re, im;
36 };
37
38 struct fft_context {
39         int nbits;
40         int inverse;
41         uint16_t *revtab;
42         struct fft_complex *exptab;
43 };
44
45 struct mdct_context {
46         /** Size of MDCT (i.e. number of input data * 2). */
47         int n;
48         /** n = 2^n bits. */
49         int nbits;
50         /** pre/post rotation tables */
51         fftsample_t *tcos;
52         fftsample_t *tsin;
53         struct fft_context fft;
54 };
55
56 /* cos(2*pi*x/n) for 0<=x<=n/4, followed by its reverse */
57 DECLARE_ALIGNED_16(fftsample_t, ff_cos_16[8]);
58 DECLARE_ALIGNED_16(fftsample_t, ff_cos_32[16]);
59 DECLARE_ALIGNED_16(fftsample_t, ff_cos_64[32]);
60 DECLARE_ALIGNED_16(fftsample_t, ff_cos_128[64]);
61 DECLARE_ALIGNED_16(fftsample_t, ff_cos_256[128]);
62 DECLARE_ALIGNED_16(fftsample_t, ff_cos_512[256]);
63 DECLARE_ALIGNED_16(fftsample_t, ff_cos_1024[512]);
64 DECLARE_ALIGNED_16(fftsample_t, ff_cos_2048[1024]);
65 DECLARE_ALIGNED_16(fftsample_t, ff_cos_4096[2048]);
66 DECLARE_ALIGNED_16(fftsample_t, ff_cos_8192[4096]);
67 DECLARE_ALIGNED_16(fftsample_t, ff_cos_16384[8192]);
68 DECLARE_ALIGNED_16(fftsample_t, ff_cos_32768[16384]);
69 DECLARE_ALIGNED_16(fftsample_t, ff_cos_65536[32768]);
70
71 static fftsample_t *ff_cos_tabs[] = {
72         ff_cos_16, ff_cos_32, ff_cos_64, ff_cos_128, ff_cos_256,
73         ff_cos_512, ff_cos_1024, ff_cos_2048, ff_cos_4096, ff_cos_8192,
74         ff_cos_16384, ff_cos_32768, ff_cos_65536,
75 };
76
77 static int split_radix_permutation(int i, int n, int inverse)
78 {
79         int m;
80         if (n <= 2)
81                 return i & 1;
82         m = n >> 1;
83         if (!(i & m))
84                 return split_radix_permutation(i, m, inverse) * 2;
85         m >>= 1;
86         if (inverse == !(i & m))
87                 return split_radix_permutation(i, m, inverse) * 4 + 1;
88         else
89                 return split_radix_permutation(i, m, inverse) * 4 - 1;
90 }
91
92 #define sqrthalf (float)M_SQRT1_2
93
94 #define BF(x,y,a,b) {\
95     x = a - b;\
96     y = a + b;\
97 }
98
99 #define BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3) {\
100     BF(t3, t5, t5, t1);\
101     BF(a2.re, a0.re, a0.re, t5);\
102     BF(a3.im, a1.im, a1.im, t3);\
103     BF(t4, t6, t2, t6);\
104     BF(a3.re, a1.re, a1.re, t4);\
105     BF(a2.im, a0.im, a0.im, t6);\
106 }
107
108 // force loading all the inputs before storing any.
109 // this is slightly slower for small data, but avoids store->load aliasing
110 // for addresses separated by large powers of 2.
111 #define BUTTERFLIES_BIG(a0,a1,a2,a3) {\
112     fftsample_t r0=a0.re, i0=a0.im, r1=a1.re, i1=a1.im;\
113     BF(t3, t5, t5, t1);\
114     BF(a2.re, a0.re, r0, t5);\
115     BF(a3.im, a1.im, i1, t3);\
116     BF(t4, t6, t2, t6);\
117     BF(a3.re, a1.re, r1, t4);\
118     BF(a2.im, a0.im, i0, t6);\
119 }
120
121 #define TRANSFORM(a0,a1,a2,a3,wre,wim) {\
122     t1 = a2.re * wre + a2.im * wim;\
123     t2 = a2.im * wre - a2.re * wim;\
124     t5 = a3.re * wre - a3.im * wim;\
125     t6 = a3.im * wre + a3.re * wim;\
126     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
127 }
128
129 #define TRANSFORM_ZERO(a0,a1,a2,a3) {\
130     t1 = a2.re;\
131     t2 = a2.im;\
132     t5 = a3.re;\
133     t6 = a3.im;\
134     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
135 }
136
137 /* z[0...8n-1], w[1...2n-1] */
138 #define PASS(name)\
139 static void name(struct fft_complex *z, const fftsample_t *wre, unsigned int n)\
140 {\
141     fftsample_t t1, t2, t3, t4, t5, t6;\
142     int o1 = 2*n;\
143     int o2 = 4*n;\
144     int o3 = 6*n;\
145     const fftsample_t *wim = wre+o1;\
146     n--;\
147 \
148     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[o1],z[o2],z[o3]);\
149     TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
150     do {\
151         z += 2;\
152         wre += 2;\
153         wim -= 2;\
154         TRANSFORM(z[0],z[o1],z[o2],z[o3],wre[0],wim[0]);\
155         TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
156     } while(--n);\
157 }
158
159 PASS(pass)
160 #undef BUTTERFLIES
161 #define BUTTERFLIES BUTTERFLIES_BIG
162
163 #define DECL_FFT(n,n2,n4)\
164 static void fft##n(struct fft_complex *z)\
165 {\
166     fft##n2(z);\
167     fft##n4(z+n4*2);\
168     fft##n4(z+n4*3);\
169     pass(z,ff_cos_##n,n4/2);\
170 }
171 static void fft4(struct fft_complex *z)
172 {
173         fftsample_t t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
174
175         BF(t3, t1, z[0].re, z[1].re);
176         BF(t8, t6, z[3].re, z[2].re);
177         BF(z[2].re, z[0].re, t1, t6);
178         BF(t4, t2, z[0].im, z[1].im);
179         BF(t7, t5, z[2].im, z[3].im);
180         BF(z[3].im, z[1].im, t4, t8);
181         BF(z[3].re, z[1].re, t3, t7);
182         BF(z[2].im, z[0].im, t2, t5);
183 }
184
185 static void fft8(struct fft_complex *z)
186 {
187         fftsample_t t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
188
189         fft4(z);
190
191         BF(t1, z[5].re, z[4].re, -z[5].re);
192         BF(t2, z[5].im, z[4].im, -z[5].im);
193         BF(t3, z[7].re, z[6].re, -z[7].re);
194         BF(t4, z[7].im, z[6].im, -z[7].im);
195         BF(t8, t1, t3, t1);
196         BF(t7, t2, t2, t4);
197         BF(z[4].re, z[0].re, z[0].re, t1);
198         BF(z[4].im, z[0].im, z[0].im, t2);
199         BF(z[6].re, z[2].re, z[2].re, t7);
200         BF(z[6].im, z[2].im, z[2].im, t8);
201
202         TRANSFORM(z[1], z[3], z[5], z[7], sqrthalf, sqrthalf);
203 }
204
205 static void fft16(struct fft_complex *z)
206 {
207         fftsample_t t1, t2, t3, t4, t5, t6;
208
209         fft8(z);
210         fft4(z + 8);
211         fft4(z + 12);
212
213         TRANSFORM_ZERO(z[0], z[4], z[8], z[12]);
214         TRANSFORM(z[2], z[6], z[10], z[14], sqrthalf, sqrthalf);
215         TRANSFORM(z[1], z[5], z[9], z[13], ff_cos_16[1], ff_cos_16[3]);
216         TRANSFORM(z[3], z[7], z[11], z[15], ff_cos_16[3], ff_cos_16[1]);
217 }
218
219 DECL_FFT(32, 16, 8)
220 DECL_FFT(64, 32, 16)
221 DECL_FFT(128, 64, 32)
222 DECL_FFT(256, 128, 64)
223 DECL_FFT(512, 256, 128)
224
225 DECL_FFT(1024, 512, 256)
226 DECL_FFT(2048, 1024, 512)
227 DECL_FFT(4096, 2048, 1024)
228 DECL_FFT(8192, 4096, 2048)
229 DECL_FFT(16384, 8192, 4096)
230 DECL_FFT(32768, 16384, 8192)
231 DECL_FFT(65536, 32768, 16384)
232
233 static void (*fft_dispatch[]) (struct fft_complex *) = {
234         fft4, fft8, fft16, fft32, fft64, fft128, fft256, fft512, fft1024,
235         fft2048, fft4096, fft8192, fft16384, fft32768, fft65536,
236 };
237
238 static void fft(struct fft_context *s, struct fft_complex *z)
239 {
240         fft_dispatch[s->nbits - 2] (z);
241 }
242
243 /* complex multiplication: p = a * b */
244 #define CMUL(pre, pim, are, aim, bre, bim) \
245 {\
246         fftsample_t _are = (are);\
247         fftsample_t _aim = (aim);\
248         fftsample_t _bre = (bre);\
249         fftsample_t _bim = (bim);\
250         (pre) = _are * _bre - _aim * _bim;\
251         (pim) = _are * _bim + _aim * _bre;\
252 }
253
254 /**
255  * Compute the middle half of the inverse MDCT of size N = 2^nbits
256  *
257  * Thus excluding the parts that can be derived by symmetry.
258  *
259  * \param output N/2 samples.
260  * \param input N/2 samples.
261  */
262 static void imdct_half(struct mdct_context *s, fftsample_t *output,
263                 const fftsample_t *input)
264 {
265         int k, n8, n4, n2, n, j;
266         const uint16_t *revtab = s->fft.revtab;
267         const fftsample_t *tcos = s->tcos;
268         const fftsample_t *tsin = s->tsin;
269         const fftsample_t *in1, *in2;
270         struct fft_complex *z = (struct fft_complex *)output;
271
272         n = 1 << s->nbits;
273         n2 = n >> 1;
274         n4 = n >> 2;
275         n8 = n >> 3;
276
277         /* pre rotation */
278         in1 = input;
279         in2 = input + n2 - 1;
280         for (k = 0; k < n4; k++) {
281                 j = revtab[k];
282                 CMUL(z[j].re, z[j].im, *in2, *in1, tcos[k], tsin[k]);
283                 in1 += 2;
284                 in2 -= 2;
285         }
286         fft(&s->fft, z);
287
288         /* post rotation + reordering */
289         output += n4;
290         for (k = 0; k < n8; k++) {
291                 fftsample_t r0, i0, r1, i1;
292                 CMUL(r0, i1, z[n8 - k - 1].im, z[n8 - k - 1].re,
293                         tsin[n8 - k - 1], tcos[n8 - k - 1]);
294                 CMUL(r1, i0, z[n8 + k].im, z[n8 + k].re, tsin[n8 + k],
295                         tcos[n8 + k]);
296                 z[n8 - k - 1].re = r0;
297                 z[n8 - k - 1].im = i0;
298                 z[n8 + k].re = r1;
299                 z[n8 + k].im = i1;
300         }
301 }
302
303 /**
304  * Compute the inverse MDCT of size N = 2^nbits.
305  *
306  * \param output N samples.
307  * \param input N/2 samples.
308  */
309 void imdct(struct mdct_context *s, float *output, const float *input)
310 {
311         int k;
312         int n = 1 << s->nbits;
313         int n2 = n >> 1;
314         int n4 = n >> 2;
315
316         imdct_half(s, output + n4, input);
317
318         for (k = 0; k < n4; k++) {
319                 output[k] = -output[n2 - k - 1];
320                 output[n - k - 1] = output[n2 + k];
321         }
322 }
323
324 static int fft_init(struct fft_context *s, int nbits, int inverse)
325 {
326         int i, j, n;
327
328         if (nbits < 2 || nbits > 16)
329                 return -E_FFT_BAD_PARAMS;
330         s->nbits = nbits;
331         n = 1 << nbits;
332
333         s->exptab = para_malloc((n / 2) * sizeof(struct fft_complex));
334         s->revtab = para_malloc(n * sizeof(uint16_t));
335         s->inverse = inverse;
336
337         for (j = 4; j <= nbits; j++) {
338                 int k = 1 << j;
339                 double freq = 2 * M_PI / k;
340                 fftsample_t *tab = ff_cos_tabs[j - 4];
341                 for (i = 0; i <= k / 4; i++)
342                         tab[i] = cos(i * freq);
343                 for (i = 1; i < k / 4; i++)
344                         tab[k / 2 - i] = tab[i];
345         }
346         for (i = 0; i < n; i++)
347                 s->revtab[-split_radix_permutation(
348                         i, n, s->inverse) & (n - 1)] = i;
349         return 0;
350 }
351
352 static void fft_end(struct fft_context *ctx)
353 {
354         freep(&ctx->revtab);
355         freep(&ctx->exptab);
356 }
357
358 /**
359  * Init MDCT or IMDCT computation.
360  */
361 int imdct_init(int nbits, int inverse, struct mdct_context **result)
362 {
363         int ret, n, n4, i;
364         double alpha;
365         struct mdct_context *s;
366
367         s = para_calloc(sizeof(*s));
368         n = 1 << nbits;
369         s->nbits = nbits;
370         s->n = n;
371         n4 = n >> 2;
372         s->tcos = para_malloc(n4 * sizeof(fftsample_t));
373         s->tsin = para_malloc(n4 * sizeof(fftsample_t));
374
375         for (i = 0; i < n4; i++) {
376                 alpha = 2 * M_PI * (i + 1.0 / 8.0) / n;
377                 s->tcos[i] = -cos(alpha);
378                 s->tsin[i] = -sin(alpha);
379         }
380         ret = fft_init(&s->fft, s->nbits - 2, inverse);
381         if (ret < 0)
382                 goto fail;
383         *result = s;
384         return 0;
385 fail:
386         freep(&s->tcos);
387         freep(&s->tsin);
388         free(s);
389         return ret;
390 }
391
392 void imdct_end(struct mdct_context *ctx)
393 {
394         freep(&ctx->tcos);
395         freep(&ctx->tsin);
396         fft_end(&ctx->fft);
397         free(ctx);
398 }