]> git.tuebingen.mpg.de Git - paraslash.git/blob - imdct.c
Always include stdbool.h.
[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 /** Canonical representation of a complex number. */
33 struct fft_complex {
34         /** Real part. */
35         fftsample_t re;
36         /** Imaginary part. */
37         fftsample_t im;
38 };
39
40 /** FFT Lookup table. */
41 struct fft_context {
42         /** Number of bits of this instance of the FFT. */
43         int nbits;
44         /** The lookup table for cosine values. */
45         uint16_t *revtab;
46 };
47
48 struct mdct_context {
49         /** Size of MDCT (number of input data * 2). */
50         int n;
51         /** n = 2^n bits. */
52         int nbits;
53         /** Cosine table for pre/post rotation. */
54         fftsample_t *tcos;
55         /** Sine table for pre/post rotation. */
56         fftsample_t *tsin;
57         /** The context for the underlying fast Fourier transform. */
58         struct fft_context fft;
59 };
60
61 /** cos(2 * pi * x / n) for 0 <= x <= n / 4, followed by its reverse */
62 #define COSINE_TAB(n) static fftsample_t cos_ ## n[n / 2] __a_aligned(16)
63
64 COSINE_TAB(16);
65 COSINE_TAB(32);
66 COSINE_TAB(64);
67 COSINE_TAB(128);
68 COSINE_TAB(256);
69 COSINE_TAB(512);
70 COSINE_TAB(1024);
71 COSINE_TAB(2048);
72 COSINE_TAB(4096);
73 COSINE_TAB(8192);
74 COSINE_TAB(16384);
75 COSINE_TAB(32768);
76 COSINE_TAB(65536);
77
78 static fftsample_t *cos_tabs[] = {
79         cos_16, cos_32, cos_64, cos_128, cos_256, cos_512, cos_1024, cos_2048,
80         cos_4096, cos_8192, cos_16384, cos_32768, cos_65536,
81 };
82
83 __a_const static int split_radix_permutation(int i, int n)
84 {
85         int m;
86         if (n <= 2)
87                 return i & 1;
88         m = n >> 1;
89         if ((i & m) == 0)
90                 return split_radix_permutation(i, m) * 2;
91         m >>= 1;
92         if ((i & m) == 0)
93                 return split_radix_permutation(i, m) * 4 + 1;
94         else
95                 return split_radix_permutation(i, m) * 4 - 1;
96 }
97
98 #define BF(x, y, a, b) {\
99         x = a - b;\
100         y = a + b;\
101 }
102
103 #define BUTTERFLIES(a0, a1, a2, a3) {\
104         BF(t3, t5, t5, t1);\
105         BF(a2.re, a0.re, a0.re, t5);\
106         BF(a3.im, a1.im, a1.im, t3);\
107         BF(t4, t6, t2, t6);\
108         BF(a3.re, a1.re, a1.re, t4);\
109         BF(a2.im, a0.im, a0.im, t6);\
110 }
111
112 /*
113  * Force loading all the inputs before storing any. This is slightly slower for
114  * small data, but avoids store->load aliasing for addresses separated by large
115  * powers of 2.
116  */
117 #define BUTTERFLIES_BIG(a0, a1, a2, a3) {\
118         fftsample_t r0 = a0.re, i0 = a0.im, r1 = a1.re, i1 = a1.im;\
119         BF(t3, t5, t5, t1);\
120         BF(a2.re, a0.re, r0, t5);\
121         BF(a3.im, a1.im, i1, t3);\
122         BF(t4, t6, t2, t6);\
123         BF(a3.re, a1.re, r1, t4);\
124         BF(a2.im, a0.im, i0, t6);\
125 }
126
127 #define TRANSFORM(a0, a1, a2, a3, wre,wim) {\
128         t1 = a2.re * wre + a2.im * wim;\
129         t2 = a2.im * wre - a2.re * wim;\
130         t5 = a3.re * wre - a3.im * wim;\
131         t6 = a3.im * wre + a3.re * wim;\
132         BUTTERFLIES(a0, a1, a2, a3)\
133 }
134
135 #define TRANSFORM_ZERO(a0, a1, a2, a3) {\
136         t1 = a2.re;\
137         t2 = a2.im;\
138         t5 = a3.re;\
139         t6 = a3.im;\
140         BUTTERFLIES(a0, a1, a2, a3)\
141 }
142
143 /* z[0...8n - 1], w[1...2n - 1] */
144 #define PASS(name)\
145 static void name(struct fft_complex *z, const fftsample_t *wre, unsigned int n)\
146 {\
147         fftsample_t t1, t2, t3, t4, t5, t6;\
148         int o1 = 2 * n;\
149         int o2 = 4 * n;\
150         int o3 = 6 * n;\
151         const fftsample_t *wim = wre + o1;\
152         n--;\
153 \
154         TRANSFORM_ZERO(z[0], z[o1], z[o2], z[o3]);\
155         TRANSFORM(z[1], z[o1 + 1], z[o2 + 1], z[o3 + 1], wre[1], wim[-1]);\
156         do {\
157                 z += 2;\
158                 wre += 2;\
159                 wim -= 2;\
160                 TRANSFORM(z[0], z[o1], z[o2], z[o3], wre[0], wim[0]);\
161                 TRANSFORM(z[1], z[o1 + 1], z[o2 + 1], z[o3 + 1], wre[1], wim[-1]);\
162         } while (--n);\
163 }
164
165 PASS(pass)
166 #undef BUTTERFLIES
167 #define BUTTERFLIES BUTTERFLIES_BIG
168
169 #define DECL_FFT(n, n2, n4)\
170 static void fft##n(struct fft_complex *z)\
171 {\
172         fft ## n2(z);\
173         fft ## n4(z + n4 * 2);\
174         fft ## n4(z + n4 * 3);\
175         pass(z, cos_ ## n, n4 / 2);\
176 }
177
178 static void fft4(struct fft_complex *z)
179 {
180         fftsample_t t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
181
182         BF(t3, t1, z[0].re, z[1].re);
183         BF(t8, t6, z[3].re, z[2].re);
184         BF(z[2].re, z[0].re, t1, t6);
185         BF(t4, t2, z[0].im, z[1].im);
186         BF(t7, t5, z[2].im, z[3].im);
187         BF(z[3].im, z[1].im, t4, t8);
188         BF(z[3].re, z[1].re, t3, t7);
189         BF(z[2].im, z[0].im, t2, t5);
190 }
191
192 static void fft8(struct fft_complex *z)
193 {
194         fftsample_t t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
195
196         fft4(z);
197
198         BF(t1, z[5].re, z[4].re, -z[5].re);
199         BF(t2, z[5].im, z[4].im, -z[5].im);
200         BF(t3, z[7].re, z[6].re, -z[7].re);
201         BF(t4, z[7].im, z[6].im, -z[7].im);
202         BF(t8, t1, t3, t1);
203         BF(t7, t2, t2, t4);
204         BF(z[4].re, z[0].re, z[0].re, t1);
205         BF(z[4].im, z[0].im, z[0].im, t2);
206         BF(z[6].re, z[2].re, z[2].re, t7);
207         BF(z[6].im, z[2].im, z[2].im, t8);
208
209         TRANSFORM(z[1], z[3], z[5], z[7], M_SQRT1_2, M_SQRT1_2);
210 }
211
212 static void fft16(struct fft_complex *z)
213 {
214         fftsample_t t1, t2, t3, t4, t5, t6;
215
216         fft8(z);
217         fft4(z + 8);
218         fft4(z + 12);
219
220         TRANSFORM_ZERO(z[0], z[4], z[8], z[12]);
221         TRANSFORM(z[2], z[6], z[10], z[14], M_SQRT1_2, M_SQRT1_2);
222         TRANSFORM(z[1], z[5], z[9], z[13], cos_16[1], cos_16[3]);
223         TRANSFORM(z[3], z[7], z[11], z[15], cos_16[3], cos_16[1]);
224 }
225
226 DECL_FFT(32, 16, 8)
227 DECL_FFT(64, 32, 16)
228 DECL_FFT(128, 64, 32)
229 DECL_FFT(256, 128, 64)
230 DECL_FFT(512, 256, 128)
231
232 DECL_FFT(1024, 512, 256)
233 DECL_FFT(2048, 1024, 512)
234 DECL_FFT(4096, 2048, 1024)
235 DECL_FFT(8192, 4096, 2048)
236 DECL_FFT(16384, 8192, 4096)
237 DECL_FFT(32768, 16384, 8192)
238 DECL_FFT(65536, 32768, 16384)
239
240 static void (*fft_dispatch[]) (struct fft_complex *) = {
241         fft4, fft8, fft16, fft32, fft64, fft128, fft256, fft512, fft1024,
242         fft2048, fft4096, fft8192, fft16384, fft32768, fft65536,
243 };
244
245 static void fft(struct fft_context *s, struct fft_complex *z)
246 {
247         fft_dispatch[s->nbits - 2] (z);
248 }
249
250 /* complex multiplication: p = a * b */
251 #define CMUL(pre, pim, are, aim, bre, bim) \
252 {\
253         fftsample_t _are = (are);\
254         fftsample_t _aim = (aim);\
255         fftsample_t _bre = (bre);\
256         fftsample_t _bim = (bim);\
257         (pre) = _are * _bre - _aim * _bim;\
258         (pim) = _are * _bim + _aim * _bre;\
259 }
260
261 /**
262  * Compute the middle half of the inverse MDCT of size N = 2^nbits
263  *
264  * Thus excluding the parts that can be derived by symmetry.
265  *
266  * \param output N/2 samples.
267  * \param input N/2 samples.
268  */
269 static void imdct_half(struct mdct_context *s, fftsample_t *output,
270                 const fftsample_t *input)
271 {
272         int k, n8, n4, n2, n, j;
273         const uint16_t *revtab = s->fft.revtab;
274         const fftsample_t *tcos = s->tcos;
275         const fftsample_t *tsin = s->tsin;
276         const fftsample_t *in1, *in2;
277         struct fft_complex *z = (struct fft_complex *)output;
278
279         n = 1 << s->nbits;
280         n2 = n >> 1;
281         n4 = n >> 2;
282         n8 = n >> 3;
283
284         /* pre rotation */
285         in1 = input;
286         in2 = input + n2 - 1;
287         for (k = 0; k < n4; k++) {
288                 j = revtab[k];
289                 CMUL(z[j].re, z[j].im, *in2, *in1, tcos[k], tsin[k]);
290                 in1 += 2;
291                 in2 -= 2;
292         }
293         fft(&s->fft, z);
294
295         /* post rotation + reordering */
296         for (k = 0; k < n8; k++) {
297                 fftsample_t r0, i0, r1, i1;
298                 CMUL(r0, i1, z[n8 - k - 1].im, z[n8 - k - 1].re,
299                         tsin[n8 - k - 1], tcos[n8 - k - 1]);
300                 CMUL(r1, i0, z[n8 + k].im, z[n8 + k].re, tsin[n8 + k],
301                         tcos[n8 + k]);
302                 z[n8 - k - 1].re = r0;
303                 z[n8 - k - 1].im = i0;
304                 z[n8 + k].re = r1;
305                 z[n8 + k].im = i1;
306         }
307 }
308
309 /**
310  * Compute the inverse MDCT.
311  *
312  * \param ctx The initialized context structure.
313  * \param output N samples.
314  * \param input N/2 samples.
315  *
316  * \sa \ref imdct_init().
317  */
318 void imdct(struct mdct_context *ctx, float *output, const float *input)
319 {
320         int k;
321         int n = 1 << ctx->nbits;
322         int n2 = n >> 1;
323         int n4 = n >> 2;
324
325         imdct_half(ctx, output + n4, input);
326
327         for (k = 0; k < n4; k++) {
328                 output[k] = -output[n2 - k - 1];
329                 output[n - k - 1] = output[n2 + k];
330         }
331 }
332
333 static int fft_init(struct fft_context *s, int nbits)
334 {
335         int i, j, n;
336
337         if (nbits < 2 || nbits > 16)
338                 return -E_FFT_BAD_PARAMS;
339         s->nbits = nbits;
340         n = 1 << nbits;
341
342         s->revtab = para_malloc(n * sizeof(uint16_t));
343         for (j = 4; j <= nbits; j++) {
344                 int k = 1 << j;
345                 double freq = 2 * M_PI / k;
346                 fftsample_t *tab = cos_tabs[j - 4];
347                 for (i = 0; i <= k / 4; i++)
348                         tab[i] = cos(i * freq);
349                 for (i = 1; i < k / 4; i++)
350                         tab[k / 2 - i] = tab[i];
351         }
352         for (i = 0; i < n; i++)
353                 s->revtab[-split_radix_permutation(i, n) & (n - 1)] = i;
354         return 0;
355 }
356
357 /**
358  * Initialize the inverse modified cosine transform.
359  *
360  * \param nbits The number of bits to use (4 <= \a nbits <= 18).
361  *
362  * \param result Opaque structure that must be passed to \ref imdct().
363  *
364  * \return Standard.
365  */
366 int imdct_init(int nbits, struct mdct_context **result)
367 {
368         int ret, n, n4, i;
369         double alpha;
370         struct mdct_context *s;
371
372         s = para_calloc(sizeof(*s));
373         n = 1 << nbits;
374         s->nbits = nbits;
375         s->n = n;
376         n4 = n >> 2;
377         s->tcos = para_malloc(n4 * sizeof(fftsample_t));
378         s->tsin = para_malloc(n4 * sizeof(fftsample_t));
379
380         for (i = 0; i < n4; i++) {
381                 alpha = 2 * M_PI * (i + 1.0 / 8.0) / n;
382                 s->tcos[i] = -cos(alpha);
383                 s->tsin[i] = -sin(alpha);
384         }
385         ret = fft_init(&s->fft, s->nbits - 2);
386         if (ret < 0)
387                 goto fail;
388         *result = s;
389         return 0;
390 fail:
391         freep(&s->tcos);
392         freep(&s->tsin);
393         free(s);
394         return ret;
395 }
396
397 /**
398  * Deallocate imdct resources.
399  *
400  * \param ctx The pointer obtained by imdct_init().
401  */
402 void imdct_end(struct mdct_context *ctx)
403 {
404         free(ctx->tcos);
405         free(ctx->tsin);
406         free(ctx->fft.revtab);
407         free(ctx);
408 }