ARM: NEON optimised FFT and MDCT
[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 libavcodec/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 FFTSample * const 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 av_cold int ff_fft_init(FFTContext *s, int nbits, int inverse)
62 {
63     int i, j, m, n;
64     float alpha, c1, s1, s2;
65     int split_radix = 1;
66     int av_unused has_vectors;
67     int revtab_shift = 0;
68
69     if (nbits < 2 || nbits > 16)
70         goto fail;
71     s->nbits = nbits;
72     n = 1 << nbits;
73
74     s->tmp_buf = NULL;
75     s->exptab  = av_malloc((n / 2) * sizeof(FFTComplex));
76     if (!s->exptab)
77         goto fail;
78     s->revtab = av_malloc(n * sizeof(uint16_t));
79     if (!s->revtab)
80         goto fail;
81     s->inverse = inverse;
82
83     s2 = inverse ? 1.0 : -1.0;
84
85     s->fft_permute = ff_fft_permute_c;
86     s->fft_calc    = ff_fft_calc_c;
87     s->imdct_calc  = ff_imdct_calc_c;
88     s->imdct_half  = ff_imdct_half_c;
89     s->exptab1     = NULL;
90
91 #if HAVE_MMX && HAVE_YASM
92     has_vectors = mm_support();
93     if (has_vectors & FF_MM_SSE && HAVE_SSE) {
94         /* SSE for P3/P4/K8 */
95         s->imdct_calc  = ff_imdct_calc_sse;
96         s->imdct_half  = ff_imdct_half_sse;
97         s->fft_permute = ff_fft_permute_sse;
98         s->fft_calc    = ff_fft_calc_sse;
99     } else if (has_vectors & FF_MM_3DNOWEXT && HAVE_AMD3DNOWEXT) {
100         /* 3DNowEx for K7 */
101         s->imdct_calc = ff_imdct_calc_3dn2;
102         s->imdct_half = ff_imdct_half_3dn2;
103         s->fft_calc   = ff_fft_calc_3dn2;
104     } else if (has_vectors & FF_MM_3DNOW && HAVE_AMD3DNOW) {
105         /* 3DNow! for K6-2/3 */
106         s->imdct_calc = ff_imdct_calc_3dn;
107         s->imdct_half = ff_imdct_half_3dn;
108         s->fft_calc   = ff_fft_calc_3dn;
109     }
110 #elif HAVE_ALTIVEC
111     has_vectors = mm_support();
112     if (has_vectors & FF_MM_ALTIVEC) {
113         s->fft_calc = ff_fft_calc_altivec;
114         split_radix = 0;
115     }
116 #elif HAVE_NEON
117     s->fft_permute = ff_fft_permute_neon;
118     s->fft_calc    = ff_fft_calc_neon;
119     s->imdct_calc  = ff_imdct_calc_neon;
120     s->imdct_half  = ff_imdct_half_neon;
121     revtab_shift = 3;
122 #endif
123
124     if (split_radix) {
125         for(j=4; j<=nbits; j++) {
126             int m = 1<<j;
127             double freq = 2*M_PI/m;
128             FFTSample *tab = ff_cos_tabs[j-4];
129             for(i=0; i<=m/4; i++)
130                 tab[i] = cos(i*freq);
131             for(i=1; i<m/4; i++)
132                 tab[m/2-i] = tab[i];
133         }
134         for(i=0; i<n; i++)
135             s->revtab[-split_radix_permutation(i, n, s->inverse) & (n-1)] =
136                 i << revtab_shift;
137         s->tmp_buf = av_malloc(n * sizeof(FFTComplex));
138     } else {
139         int np, nblocks, np2, l;
140         FFTComplex *q;
141
142         for(i=0; i<(n/2); i++) {
143             alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
144             c1 = cos(alpha);
145             s1 = sin(alpha) * s2;
146             s->exptab[i].re = c1;
147             s->exptab[i].im = s1;
148         }
149
150         np = 1 << nbits;
151         nblocks = np >> 3;
152         np2 = np >> 1;
153         s->exptab1 = av_malloc(np * 2 * sizeof(FFTComplex));
154         if (!s->exptab1)
155             goto fail;
156         q = s->exptab1;
157         do {
158             for(l = 0; l < np2; l += 2 * nblocks) {
159                 *q++ = s->exptab[l];
160                 *q++ = s->exptab[l + nblocks];
161
162                 q->re = -s->exptab[l].im;
163                 q->im = s->exptab[l].re;
164                 q++;
165                 q->re = -s->exptab[l + nblocks].im;
166                 q->im = s->exptab[l + nblocks].re;
167                 q++;
168             }
169             nblocks = nblocks >> 1;
170         } while (nblocks != 0);
171         av_freep(&s->exptab);
172
173         /* compute bit reverse table */
174         for(i=0;i<n;i++) {
175             m=0;
176             for(j=0;j<nbits;j++) {
177                 m |= ((i >> j) & 1) << (nbits-j-1);
178             }
179             s->revtab[i]=m;
180         }
181     }
182
183     return 0;
184  fail:
185     av_freep(&s->revtab);
186     av_freep(&s->exptab);
187     av_freep(&s->exptab1);
188     av_freep(&s->tmp_buf);
189     return -1;
190 }
191
192 void ff_fft_permute_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
193 {
194     int j, k, np;
195     FFTComplex tmp;
196     const uint16_t *revtab = s->revtab;
197     np = 1 << s->nbits;
198
199     if (s->tmp_buf) {
200         /* TODO: handle split-radix permute in a more optimal way, probably in-place */
201         for(j=0;j<np;j++) s->tmp_buf[revtab[j]] = z[j];
202         memcpy(z, s->tmp_buf, np * sizeof(FFTComplex));
203         return;
204     }
205
206     /* reverse */
207     for(j=0;j<np;j++) {
208         k = revtab[j];
209         if (k < j) {
210             tmp = z[k];
211             z[k] = z[j];
212             z[j] = tmp;
213         }
214     }
215 }
216
217 av_cold void ff_fft_end(FFTContext *s)
218 {
219     av_freep(&s->revtab);
220     av_freep(&s->exptab);
221     av_freep(&s->exptab1);
222     av_freep(&s->tmp_buf);
223 }
224
225 #define sqrthalf (float)M_SQRT1_2
226
227 #define BF(x,y,a,b) {\
228     x = a - b;\
229     y = a + b;\
230 }
231
232 #define BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3) {\
233     BF(t3, t5, t5, t1);\
234     BF(a2.re, a0.re, a0.re, t5);\
235     BF(a3.im, a1.im, a1.im, t3);\
236     BF(t4, t6, t2, t6);\
237     BF(a3.re, a1.re, a1.re, t4);\
238     BF(a2.im, a0.im, a0.im, t6);\
239 }
240
241 // force loading all the inputs before storing any.
242 // this is slightly slower for small data, but avoids store->load aliasing
243 // for addresses separated by large powers of 2.
244 #define BUTTERFLIES_BIG(a0,a1,a2,a3) {\
245     FFTSample r0=a0.re, i0=a0.im, r1=a1.re, i1=a1.im;\
246     BF(t3, t5, t5, t1);\
247     BF(a2.re, a0.re, r0, t5);\
248     BF(a3.im, a1.im, i1, t3);\
249     BF(t4, t6, t2, t6);\
250     BF(a3.re, a1.re, r1, t4);\
251     BF(a2.im, a0.im, i0, t6);\
252 }
253
254 #define TRANSFORM(a0,a1,a2,a3,wre,wim) {\
255     t1 = a2.re * wre + a2.im * wim;\
256     t2 = a2.im * wre - a2.re * wim;\
257     t5 = a3.re * wre - a3.im * wim;\
258     t6 = a3.im * wre + a3.re * wim;\
259     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
260 }
261
262 #define TRANSFORM_ZERO(a0,a1,a2,a3) {\
263     t1 = a2.re;\
264     t2 = a2.im;\
265     t5 = a3.re;\
266     t6 = a3.im;\
267     BUTTERFLIES(a0,a1,a2,a3)\
268 }
269
270 /* z[0...8n-1], w[1...2n-1] */
271 #define PASS(name)\
272 static void name(FFTComplex *z, const FFTSample *wre, unsigned int n)\
273 {\
274     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;\
275     int o1 = 2*n;\
276     int o2 = 4*n;\
277     int o3 = 6*n;\
278     const FFTSample *wim = wre+o1;\
279     n--;\
280 \
281     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[o1],z[o2],z[o3]);\
282     TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
283     do {\
284         z += 2;\
285         wre += 2;\
286         wim -= 2;\
287         TRANSFORM(z[0],z[o1],z[o2],z[o3],wre[0],wim[0]);\
288         TRANSFORM(z[1],z[o1+1],z[o2+1],z[o3+1],wre[1],wim[-1]);\
289     } while(--n);\
290 }
291
292 PASS(pass)
293 #undef BUTTERFLIES
294 #define BUTTERFLIES BUTTERFLIES_BIG
295 PASS(pass_big)
296
297 #define DECL_FFT(n,n2,n4)\
298 static void fft##n(FFTComplex *z)\
299 {\
300     fft##n2(z);\
301     fft##n4(z+n4*2);\
302     fft##n4(z+n4*3);\
303     pass(z,ff_cos_##n,n4/2);\
304 }
305
306 static void fft4(FFTComplex *z)
307 {
308     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
309
310     BF(t3, t1, z[0].re, z[1].re);
311     BF(t8, t6, z[3].re, z[2].re);
312     BF(z[2].re, z[0].re, t1, t6);
313     BF(t4, t2, z[0].im, z[1].im);
314     BF(t7, t5, z[2].im, z[3].im);
315     BF(z[3].im, z[1].im, t4, t8);
316     BF(z[3].re, z[1].re, t3, t7);
317     BF(z[2].im, z[0].im, t2, t5);
318 }
319
320 static void fft8(FFTComplex *z)
321 {
322     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8;
323
324     fft4(z);
325
326     BF(t1, z[5].re, z[4].re, -z[5].re);
327     BF(t2, z[5].im, z[4].im, -z[5].im);
328     BF(t3, z[7].re, z[6].re, -z[7].re);
329     BF(t4, z[7].im, z[6].im, -z[7].im);
330     BF(t8, t1, t3, t1);
331     BF(t7, t2, t2, t4);
332     BF(z[4].re, z[0].re, z[0].re, t1);
333     BF(z[4].im, z[0].im, z[0].im, t2);
334     BF(z[6].re, z[2].re, z[2].re, t7);
335     BF(z[6].im, z[2].im, z[2].im, t8);
336
337     TRANSFORM(z[1],z[3],z[5],z[7],sqrthalf,sqrthalf);
338 }
339
340 #if !CONFIG_SMALL
341 static void fft16(FFTComplex *z)
342 {
343     FFTSample t1, t2, t3, t4, t5, t6;
344
345     fft8(z);
346     fft4(z+8);
347     fft4(z+12);
348
349     TRANSFORM_ZERO(z[0],z[4],z[8],z[12]);
350     TRANSFORM(z[2],z[6],z[10],z[14],sqrthalf,sqrthalf);
351     TRANSFORM(z[1],z[5],z[9],z[13],ff_cos_16[1],ff_cos_16[3]);
352     TRANSFORM(z[3],z[7],z[11],z[15],ff_cos_16[3],ff_cos_16[1]);
353 }
354 #else
355 DECL_FFT(16,8,4)
356 #endif
357 DECL_FFT(32,16,8)
358 DECL_FFT(64,32,16)
359 DECL_FFT(128,64,32)
360 DECL_FFT(256,128,64)
361 DECL_FFT(512,256,128)
362 #if !CONFIG_SMALL
363 #define pass pass_big
364 #endif
365 DECL_FFT(1024,512,256)
366 DECL_FFT(2048,1024,512)
367 DECL_FFT(4096,2048,1024)
368 DECL_FFT(8192,4096,2048)
369 DECL_FFT(16384,8192,4096)
370 DECL_FFT(32768,16384,8192)
371 DECL_FFT(65536,32768,16384)
372
373 static void (*fft_dispatch[])(FFTComplex*) = {
374     fft4, fft8, fft16, fft32, fft64, fft128, fft256, fft512, fft1024,
375     fft2048, fft4096, fft8192, fft16384, fft32768, fft65536,
376 };
377
378 void ff_fft_calc_c(FFTContext *s, FFTComplex *z)
379 {
380     fft_dispatch[s->nbits-2](z);
381 }
382