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