optimize imdct_half:
[ffmpeg.git] / 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 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 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_16[8]);
33 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_32[16]);
34 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_64[32]);
35 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_128[64]);
36 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_256[128]);
37 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_512[256]);
38 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_1024[512]);
39 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_2048[1024]);
40 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_4096[2048]);
41 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_8192[4096]);
42 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_16384[8192]);
43 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_32768[16384]);
44 DECLARE_ALIGNED_16(FFTSample, ff_cos_65536[32768]);
45 static FFTSample *ff_cos_tabs[] = {
46     ff_cos_16, ff_cos_32, ff_cos_64, ff_cos_128, ff_cos_256, ff_cos_512, ff_cos_1024,
47     ff_cos_2048, ff_cos_4096, ff_cos_8192, ff_cos_16384, ff_cos_32768, ff_cos_65536,
48 };
49
50 static int split_radix_permutation(int i, int n, int inverse)
51 {
52     int m;
53     if(n <= 2) return i&1;
54     m = n >> 1;
55     if(!(i&m))            return split_radix_permutation(i, m, inverse)*2;
56     m >>= 1;
57     if(inverse == !(i&m)) return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 + 1;
58     else                  return split_radix_permutation(i, m, inverse)*4 - 1;
59 }
60
61 /**
62  * The size of the FFT is 2^nbits. If inverse is TRUE, inverse FFT is
63  * done
64  */
65 int ff_fft_init(FFTContext *s, int nbits, int inverse)
66 {
67     int i, j, m, n;
68     float alpha, c1, s1, s2;
69     int split_radix = 1;
70     int av_unused has_vectors;
71
72     if (nbits < 2 || nbits > 16)
73         goto fail;
74     s->nbits = nbits;
75     n = 1 << nbits;
76
77     s->tmp_buf = NULL;
78     s->exptab = av_malloc((n / 2) * sizeof(FFTComplex));
79     if (!s->exptab)
80         goto fail;
81     s->revtab = av_malloc(n * sizeof(uint16_t));
82     if (!s->revtab)
83         goto fail;
84     s->inverse = inverse;
85
86     s2 = inverse ? 1.0 : -1.0;
87
88     s->fft_permute = ff_fft_permute_c;
89     s->fft_calc = ff_fft_calc_c;
90     s->imdct_calc = ff_imdct_calc;
91     s->imdct_half = ff_imdct_half;
92     s->exptab1 = NULL;
93
94 #if defined HAVE_MMX && defined HAVE_YASM
95     has_vectors = mm_support();
96     if (has_vectors & MM_SSE) {
97         /* SSE for P3/P4/K8 */
98         s->imdct_calc = ff_imdct_calc_sse;
99         s->imdct_half = ff_imdct_half_sse;
100         s->fft_permute = ff_fft_permute_sse;
101         s->fft_calc = ff_fft_calc_sse;
102     } else if (has_vectors & MM_3DNOWEXT) {
103         /* 3DNowEx for K7 */
104         s->imdct_calc = ff_imdct_calc_3dn2;
105         s->imdct_half = ff_imdct_half_3dn2;
106         s->fft_calc = ff_fft_calc_3dn2;
107     } else if (has_vectors & MM_3DNOW) {
108         /* 3DNow! for K6-2/3 */
109         s->imdct_calc = ff_imdct_calc_3dn;
110         s->imdct_half = ff_imdct_half_3dn;
111         s->fft_calc = ff_fft_calc_3dn;
112     }
113 #elif defined HAVE_ALTIVEC && !defined ALTIVEC_USE_REFERENCE_C_CODE
114     has_vectors = mm_support();
115     if (has_vectors & MM_ALTIVEC) {
116         s->fft_calc = ff_fft_calc_altivec;
117         split_radix = 0;
118     }
119 #endif
120
121     if (split_radix) {
122         for(j=4; j<=nbits; j++) {
123             int m = 1<<j;
124             double freq = 2*M_PI/m;
125             FFTSample *tab = ff_cos_tabs[j-4];
126             for(i=0; i<=m/4; i++)
127                 tab[i] = cos(i*freq);
128             for(i=1; i<m/4; i++)
129                 tab[m/2-i] = tab[i];
130         }
131         for(i=0; i<n; i++)
132             s->revtab[-split_radix_permutation(i, n, s->inverse) & (n-1)] = i;
133         s->tmp_buf = av_malloc(n * sizeof(FFTComplex));
134     } else {
135         int np, nblocks, np2, l;
136         FFTComplex *q;
137
138         for(i=0; i<(n/2); i++) {
139             alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
140             c1 = cos(alpha);
141             s1 = sin(alpha) * s2;
142             s->exptab[i].re = c1;
143             s->exptab[i].im = s1;
144         }
145
146         np = 1 << nbits;
147         nblocks = np >> 3;
148         np2 = np >> 1;
149         s->exptab1 = av_malloc(np * 2 * sizeof(FFTComplex));
150         if (!s->exptab1)
151             goto fail;
152         q = s->exptab1;
153         do {
154             for(l = 0; l < np2; l += 2 * nblocks) {
155                 *q++ = s->exptab[l];
156                 *q++ = s->exptab[l + nblocks];
157
158                 q->re = -s->exptab[l].im;
159                 q->im = s->exptab[l].re;
160                 q++;
161                 q->re = -s->exptab[l + nblocks].im;
162                 q->im = s->exptab[l + nblocks].re;
163                 q++;
164             }
165             nblocks = nblocks >> 1;
166         } while (nblocks != 0);
167         av_freep(&s->exptab);
168
169         /* compute bit reverse table */
170         for(i=0;i<n;i++) {
171             m=0;
172             for(j=0;j<nbits;j++) {
173                 m |= ((i >> j) & 1) << (nbits-j-1);
174             }
175             s->revtab[i]=m;
176         }
177     }
178
179     return 0;
180  fail:
181     av_freep(&s->revtab);
182     av_freep(&s->exptab);
183     av_freep(&s->exptab1);
184     av_freep(&s->tmp_buf);
185     return -1;
186 }
187
188 /**
189  * Do the permutation needed BEFORE calling ff_fft_calc()
190  */
191 void ff_fft_permute_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
192 {
193     int j, k, np;
194     FFTComplex tmp;
195     const uint16_t *revtab = s->revtab;
196     np = 1 << s->nbits;
197
198     if (s->tmp_buf) {
199         /* TODO: handle split-radix permute in a more optimal way, probably in-place */
200         for(j=0;j<np;j++) s->tmp_buf[revtab[j]] = z[j];
201         memcpy(z, s->tmp_buf, np * sizeof(FFTComplex));
202         return;
203     }
204
205     /* reverse */
206     for(j=0;j<np;j++) {
207         k = revtab[j];
208         if (k < j) {
209             tmp = z[k];
210             z[k] = z[j];
211             z[j] = tmp;
212         }
213     }
214 }
215
216 void ff_fft_end(FFTContext *s)
217 {
218     av_freep(&s->revtab);
219     av_freep(&s->exptab);
220     av_freep(&s->exptab1);
221     av_freep(&s->tmp_buf);
222 }
223
224 #define sqrthalf (float)M_SQRT1_2
225
226 #define BF(x,y,a,b) {\
227     x = a - b;\
228     y = a + b;\
229 }
230
231 #define BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3) {\
232     BF(t3, t5, t5, t1);\
233     BF(a2.re, a0.re, a0.re, t5);\
234     BF(a3.im, a1.im, a1.im, t3);\
235     BF(t4, t6, t2, t6);\
236     BF(a3.re, a1.re, a1.re, t4);\
237     BF(a2.im, a0.im, a0.im, t6);\
238 }
239
240 // force loading all the inputs before storing any.
241 // this is slightly slower for small data, but avoids store->load aliasing
242 // for addresses separated by large powers of 2.
243 #define BUTTERFLIES_BIG(a0,a1,a2,a3) {\
244     FFTSample r0=a0.re, i0=a0.im, r1=a1.re, i1=a1.im;\
245     BF(t3, t5, t5, t1);\
246     BF(a2.re, a0.re, r0, t5);\
247     BF(a3.im, a1.im, i1, t3);\
248     BF(t4, t6, t2, t6);\
249     BF(a3.re, a1.re, r1, t4);\
250     BF(a2.im, a0.im, i0, t6);\
251 }
252
253 #define TRANSFORM(a0,a1,a2,a3,wre,wim) {\
254     t1 = a2.re * wre + a2.im * wim;\
255     t2 = a2.im * wre - a2.re * wim;\
256     t5 = a3.re * wre - a3.im * wim;\
257     t6 = a3.im * wre + a3.re * wim;\
258     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
259 }
260
261 #define TRANSFORM_ZERO(a0,a1,a2,a3) {\
262     t1 = a2.re;\
263     t2 = a2.im;\
264     t5 = a3.re;\
265     t6 = a3.im;\
266     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
267 }
268
269 /* z[0...8n-1], w[1...2n-1] */
270 #define PASS(name)\
271 static void name(FFTComplex *z, const FFTSample *wre, unsigned int n)\
272 {\
273     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;\
274     int o1 = 2*n;\
275     int o2 = 4*n;\
276     int o3 = 6*n;\
277     const FFTSample *wim = wre+o1;\
278     n--;\
279 \
280     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[o1],z[o2],z[o3]);\
281     TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
282     do {\
283         z += 2;\
284         wre += 2;\
285         wim -= 2;\
286         TRANSFORM(z[0],z[o1],z[o2],z[o3],wre[0],wim[0]);\
287         TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
288     } while(--n);\
289 }
290
291 PASS(pass)
292 #undef BUTTERFLIES
293 #define BUTTERFLIES BUTTERFLIES_BIG
294 PASS(pass_big)
295
296 #define DECL_FFT(n,n2,n4)\
297 static void fft##n(FFTComplex *z)\
298 {\
299     fft##n2(z);\
300     fft##n4(z+n4*2);\
301     fft##n4(z+n4*3);\
302     pass(z,ff_cos_##n,n4/2);\
303 }
304
305 static void fft4(FFTComplex *z)
306 {
307     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
308
309     BF(t3, t1, z[0].re, z[1].re);
310     BF(t8, t6, z[3].re, z[2].re);
311     BF(z[2].re, z[0].re, t1, t6);
312     BF(t4, t2, z[0].im, z[1].im);
313     BF(t7, t5, z[2].im, z[3].im);
314     BF(z[3].im, z[1].im, t4, t8);
315     BF(z[3].re, z[1].re, t3, t7);
316     BF(z[2].im, z[0].im, t2, t5);
317 }
318
319 static void fft8(FFTComplex *z)
320 {
321     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
322
323     fft4(z);
324
325     BF(t1, z[5].re, z[4].re, -z[5].re);
326     BF(t2, z[5].im, z[4].im, -z[5].im);
327     BF(t3, z[7].re, z[6].re, -z[7].re);
328     BF(t4, z[7].im, z[6].im, -z[7].im);
329     BF(t8, t1, t3, t1);
330     BF(t7, t2, t2, t4);
331     BF(z[4].re, z[0].re, z[0].re, t1);
332     BF(z[4].im, z[0].im, z[0].im, t2);
333     BF(z[6].re, z[2].re, z[2].re, t7);
334     BF(z[6].im, z[2].im, z[2].im, t8);
335
336     TRANSFORM(z[1],z[3],z[5],z[7],sqrthalf,sqrthalf);
337 }
338
339 #ifndef CONFIG_SMALL
340 static void fft16(FFTComplex *z)
341 {
342     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;
343
344     fft8(z);
345     fft4(z+8);
346     fft4(z+12);
347
348     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[4],z[8],z[12]);
349     TRANSFORM(z[2],z[6],z[10],z[14],sqrthalf,sqrthalf);
350     TRANSFORM(z[1],z[5],z[9],z[13],ff_cos_16[1],ff_cos_16[3]);
351     TRANSFORM(z[3],z[7],z[11],z[15],ff_cos_16[3],ff_cos_16[1]);
352 }
353 #else
354 DECL_FFT(16,8,4)
355 #endif
356 DECL_FFT(32,16,8)
357 DECL_FFT(64,32,16)
358 DECL_FFT(128,64,32)
359 DECL_FFT(256,128,64)
360 DECL_FFT(512,256,128)
361 #ifndef CONFIG_SMALL
362 #define pass pass_big
363 #endif
364 DECL_FFT(1024,512,256)
365 DECL_FFT(2048,1024,512)
366 DECL_FFT(4096,2048,1024)
367 DECL_FFT(8192,4096,2048)
368 DECL_FFT(16384,8192,4096)
369 DECL_FFT(32768,16384,8192)
370 DECL_FFT(65536,32768,16384)
371
372 static void (*fft_dispatch[])(FFTComplex*) = {
373     fft4, fft8, fft16, fft32, fft64, fft128, fft256, fft512, fft1024,
374     fft2048, fft4096, fft8192, fft16384, fft32768, fft65536,
375 };
376
377 /**
378  * Do a complex FFT with the parameters defined in ff_fft_init(). The
379  * input data must be permuted before with s->revtab table. No
380  * 1.0/sqrt(n) normalization is done.
381  */
382 void ff_fft_calc_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
383 {
384     fft_dispatch[s->nbits-2](z);
385 }
386