fft-test: Add RDFT/IRDFT support.
[ffmpeg.git] / libavcodec / fft-test.c
1 /*
2  * (c) 2002 Fabrice Bellard
3  *
4  * This file is part of FFmpeg.
5  *
6  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
7  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
8  * License as published by the Free Software Foundation; either
9  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
10  *
11  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
14  * Lesser General Public License for more details.
15  *
16  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
17  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
18  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
19  */
20
21 /**
22  * @file libavcodec/fft-test.c
23  * FFT and MDCT tests.
24  */
25
26 #include "libavutil/lfg.h"
27 #include "dsputil.h"
28 #include <math.h>
29 #include <unistd.h>
30 #include <sys/time.h>
31 #include <stdlib.h>
32 #include <string.h>
33
34 #undef exit
35
36 /* reference fft */
37
38 #define MUL16(a,b) ((a) * (b))
39
40 #define CMAC(pre, pim, are, aim, bre, bim) \
41 {\
42    pre += (MUL16(are, bre) - MUL16(aim, bim));\
43    pim += (MUL16(are, bim) + MUL16(bre, aim));\
44 }
45
46 FFTComplex *exptab;
47
48 static void fft_ref_init(int nbits, int inverse)
49 {
50     int n, i;
51     double c1, s1, alpha;
52
53     n = 1 << nbits;
54     exptab = av_malloc((n / 2) * sizeof(FFTComplex));
55
56     for (i = 0; i < (n/2); i++) {
57         alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
58         c1 = cos(alpha);
59         s1 = sin(alpha);
60         if (!inverse)
61             s1 = -s1;
62         exptab[i].re = c1;
63         exptab[i].im = s1;
64     }
65 }
66
67 static void fft_ref(FFTComplex *tabr, FFTComplex *tab, int nbits)
68 {
69     int n, i, j, k, n2;
70     double tmp_re, tmp_im, s, c;
71     FFTComplex *q;
72
73     n = 1 << nbits;
74     n2 = n >> 1;
75     for (i = 0; i < n; i++) {
76         tmp_re = 0;
77         tmp_im = 0;
78         q = tab;
79         for (j = 0; j < n; j++) {
80             k = (i * j) & (n - 1);
81             if (k >= n2) {
82                 c = -exptab[k - n2].re;
83                 s = -exptab[k - n2].im;
84             } else {
85                 c = exptab[k].re;
86                 s = exptab[k].im;
87             }
88             CMAC(tmp_re, tmp_im, c, s, q->re, q->im);
89             q++;
90         }
91         tabr[i].re = tmp_re;
92         tabr[i].im = tmp_im;
93     }
94 }
95
96 static void imdct_ref(float *out, float *in, int nbits)
97 {
98     int n = 1<<nbits;
99     int k, i, a;
100     double sum, f;
101
102     for (i = 0; i < n; i++) {
103         sum = 0;
104         for (k = 0; k < n/2; k++) {
105             a = (2 * i + 1 + (n / 2)) * (2 * k + 1);
106             f = cos(M_PI * a / (double)(2 * n));
107             sum += f * in[k];
108         }
109         out[i] = -sum;
110     }
111 }
112
113 /* NOTE: no normalisation by 1 / N is done */
114 static void mdct_ref(float *output, float *input, int nbits)
115 {
116     int n = 1<<nbits;
117     int k, i;
118     double a, s;
119
120     /* do it by hand */
121     for (k = 0; k < n/2; k++) {
122         s = 0;
123         for (i = 0; i < n; i++) {
124             a = (2*M_PI*(2*i+1+n/2)*(2*k+1) / (4 * n));
125             s += input[i] * cos(a);
126         }
127         output[k] = s;
128     }
129 }
130
131
132 static float frandom(AVLFG *prng)
133 {
134     return (int16_t)av_lfg_get(prng) / 32768.0;
135 }
136
137 static int64_t gettime(void)
138 {
139     struct timeval tv;
140     gettimeofday(&tv,NULL);
141     return (int64_t)tv.tv_sec * 1000000 + tv.tv_usec;
142 }
143
144 static void check_diff(float *tab1, float *tab2, int n, double scale)
145 {
146     int i;
147     double max= 0;
148     double error= 0;
149
150     for (i = 0; i < n; i++) {
151         double e= fabsf(tab1[i] - (tab2[i] / scale));
152         if (e >= 1e-3) {
153             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "ERROR %d: %f %f\n",
154                    i, tab1[i], tab2[i]);
155         }
156         error+= e*e;
157         if(e>max) max= e;
158     }
159     av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "max:%f e:%g\n", max, sqrt(error)/n);
160 }
161
162
163 static void help(void)
164 {
165     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"usage: fft-test [-h] [-s] [-i] [-n b]\n"
166            "-h     print this help\n"
167            "-s     speed test\n"
168            "-m     (I)MDCT test\n"
169            "-i     inverse transform test\n"
170            "-n b   set the transform size to 2^b\n"
171            "-f x   set scale factor for output data of (I)MDCT to x\n"
172            );
173     exit(1);
174 }
175
176 enum tf_transform {
177     TRANSFORM_FFT,
178     TRANSFORM_MDCT,
179     TRANSFORM_RDFT,
180 };
181
182 int main(int argc, char **argv)
183 {
184     FFTComplex *tab, *tab1, *tab_ref;
185     FFTSample *tab2;
186     int it, i, c;
187     int do_speed = 0;
188     enum tf_transform transform = TRANSFORM_FFT;
189     int do_inverse = 0;
190     FFTContext s1, *s = &s1;
191     FFTContext m1, *m = &m1;
192     RDFTContext r1, *r = &r1;
193     int fft_nbits, fft_size, fft_size_2;
194     double scale = 1.0;
195     AVLFG prng;
196     av_lfg_init(&prng, 1);
197
198     fft_nbits = 9;
199     for(;;) {
200         c = getopt(argc, argv, "hsimrn:f:");
201         if (c == -1)
202             break;
203         switch(c) {
204         case 'h':
205             help();
206             break;
207         case 's':
208             do_speed = 1;
209             break;
210         case 'i':
211             do_inverse = 1;
212             break;
213         case 'm':
214             transform = TRANSFORM_MDCT;
215             break;
216         case 'r':
217             transform = TRANSFORM_RDFT;
218             break;
219         case 'n':
220             fft_nbits = atoi(optarg);
221             break;
222         case 'f':
223             scale = atof(optarg);
224             break;
225         }
226     }
227
228     fft_size = 1 << fft_nbits;
229     fft_size_2 = fft_size >> 1;
230     tab = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
231     tab1 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
232     tab_ref = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
233     tab2 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTSample));
234
235     switch (transform) {
236     case TRANSFORM_MDCT:
237         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Scale factor is set to %f\n", scale);
238         if (do_inverse)
239             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IMDCT");
240         else
241             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"MDCT");
242         ff_mdct_init(m, fft_nbits, do_inverse, scale);
243         break;
244     case TRANSFORM_FFT:
245         if (do_inverse)
246             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IFFT");
247         else
248             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"FFT");
249         ff_fft_init(s, fft_nbits, do_inverse);
250         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
251         break;
252     case TRANSFORM_RDFT:
253         if (do_inverse)
254             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IRDFT");
255         else
256             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"RDFT");
257         ff_rdft_init(r, fft_nbits, do_inverse ? IRDFT : RDFT);
258         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
259         break;
260     }
261     av_log(NULL, AV_LOG_INFO," %d test\n", fft_size);
262
263     /* generate random data */
264
265     for (i = 0; i < fft_size; i++) {
266         tab1[i].re = frandom(&prng);
267         tab1[i].im = frandom(&prng);
268     }
269
270     /* checking result */
271     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Checking...\n");
272
273     switch (transform) {
274     case TRANSFORM_MDCT:
275         if (do_inverse) {
276             imdct_ref((float *)tab_ref, (float *)tab1, fft_nbits);
277             ff_imdct_calc(m, tab2, (float *)tab1);
278             check_diff((float *)tab_ref, tab2, fft_size, scale);
279         } else {
280             mdct_ref((float *)tab_ref, (float *)tab1, fft_nbits);
281
282             ff_mdct_calc(m, tab2, (float *)tab1);
283
284             check_diff((float *)tab_ref, tab2, fft_size / 2, scale);
285         }
286         break;
287     case TRANSFORM_FFT:
288         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
289         ff_fft_permute(s, tab);
290         ff_fft_calc(s, tab);
291
292         fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
293         check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size * 2, 1.0);
294         break;
295     case TRANSFORM_RDFT:
296         if (do_inverse) {
297             tab1[         0].im = 0;
298             tab1[fft_size_2].im = 0;
299             for (i = 1; i < fft_size_2; i++) {
300                 tab1[fft_size_2+i].re =  tab1[fft_size_2-i].re;
301                 tab1[fft_size_2+i].im = -tab1[fft_size_2-i].im;
302             }
303
304             memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
305             tab2[1] = tab1[fft_size_2].re;
306
307             ff_rdft_calc(r, tab2);
308             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
309             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
310                 tab[i].re = tab2[i];
311                 tab[i].im = 0;
312             }
313             check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size * 2, 0.5);
314         } else {
315             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
316                 tab2[i]    = tab1[i].re;
317                 tab1[i].im = 0;
318             }
319             ff_rdft_calc(r, tab2);
320             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
321             tab_ref[0].im = tab_ref[fft_size_2].re;
322             check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab2, fft_size, 1.0);
323         }
324     }
325
326     /* do a speed test */
327
328     if (do_speed) {
329         int64_t time_start, duration;
330         int nb_its;
331
332         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Speed test...\n");
333         /* we measure during about 1 seconds */
334         nb_its = 1;
335         for(;;) {
336             time_start = gettime();
337             for (it = 0; it < nb_its; it++) {
338                 switch (transform) {
339                 case TRANSFORM_MDCT:
340                     if (do_inverse) {
341                         ff_imdct_calc(m, (float *)tab, (float *)tab1);
342                     } else {
343                         ff_mdct_calc(m, (float *)tab, (float *)tab1);
344                     }
345                     break;
346                 case TRANSFORM_FFT:
347                     memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
348                     ff_fft_calc(s, tab);
349                     break;
350                 case TRANSFORM_RDFT:
351                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
352                     ff_rdft_calc(r, tab2);
353                     break;
354                 }
355             }
356             duration = gettime() - time_start;
357             if (duration >= 1000000)
358                 break;
359             nb_its *= 2;
360         }
361         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"time: %0.1f us/transform [total time=%0.2f s its=%d]\n",
362                (double)duration / nb_its,
363                (double)duration / 1000000.0,
364                nb_its);
365     }
366
367     switch (transform) {
368     case TRANSFORM_MDCT:
369         ff_mdct_end(m);
370         break;
371     case TRANSFORM_FFT:
372         ff_fft_end(s);
373         break;
374     case TRANSFORM_RDFT:
375         ff_rdft_end(r);
376         break;
377     }
378     return 0;
379 }