vp9: add mxext versions of the single-block (w=4,npx=8) h/v loopfilters.
[ffmpeg.git] / libavcodec / lpc.c
1 /*
2  * LPC utility code
3  * Copyright (c) 2006  Justin Ruggles <justin.ruggles@gmail.com>
4  *
5  * This file is part of FFmpeg.
6  *
7  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
8  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
9  * License as published by the Free Software Foundation; either
10  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
11  *
12  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
13  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
15  * Lesser General Public License for more details.
16  *
17  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
18  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
19  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
20  */
21
22 #include "libavutil/common.h"
23 #include "libavutil/lls.h"
24
25 #define LPC_USE_DOUBLE
26 #include "lpc.h"
27 #include "libavutil/avassert.h"
28
29
30 /**
31  * Apply Welch window function to audio block
32  */
33 static void lpc_apply_welch_window_c(const int32_t *data, int len,
34                                      double *w_data)
35 {
36     int i, n2;
37     double w;
38     double c;
39
40     n2 = (len >> 1);
41     c = 2.0 / (len - 1.0);
42
43     if (len & 1) {
44         for(i=0; i<n2; i++) {
45             w = c - i - 1.0;
46             w = 1.0 - (w * w);
47             w_data[i] = data[i] * w;
48             w_data[len-1-i] = data[len-1-i] * w;
49         }
50         return;
51     }
52
53     w_data+=n2;
54       data+=n2;
55     for(i=0; i<n2; i++) {
56         w = c - n2 + i;
57         w = 1.0 - (w * w);
58         w_data[-i-1] = data[-i-1] * w;
59         w_data[+i  ] = data[+i  ] * w;
60     }
61 }
62
63 /**
64  * Calculate autocorrelation data from audio samples
65  * A Welch window function is applied before calculation.
66  */
67 static void lpc_compute_autocorr_c(const double *data, int len, int lag,
68                                    double *autoc)
69 {
70     int i, j;
71
72     for(j=0; j<lag; j+=2){
73         double sum0 = 1.0, sum1 = 1.0;
74         for(i=j; i<len; i++){
75             sum0 += data[i] * data[i-j];
76             sum1 += data[i] * data[i-j-1];
77         }
78         autoc[j  ] = sum0;
79         autoc[j+1] = sum1;
80     }
81
82     if(j==lag){
83         double sum = 1.0;
84         for(i=j-1; i<len; i+=2){
85             sum += data[i  ] * data[i-j  ]
86                  + data[i+1] * data[i-j+1];
87         }
88         autoc[j] = sum;
89     }
90 }
91
92 /**
93  * Quantize LPC coefficients
94  */
95 static void quantize_lpc_coefs(double *lpc_in, int order, int precision,
96                                int32_t *lpc_out, int *shift, int max_shift, int zero_shift)
97 {
98     int i;
99     double cmax, error;
100     int32_t qmax;
101     int sh;
102
103     /* define maximum levels */
104     qmax = (1 << (precision - 1)) - 1;
105
106     /* find maximum coefficient value */
107     cmax = 0.0;
108     for(i=0; i<order; i++) {
109         cmax= FFMAX(cmax, fabs(lpc_in[i]));
110     }
111
112     /* if maximum value quantizes to zero, return all zeros */
113     if(cmax * (1 << max_shift) < 1.0) {
114         *shift = zero_shift;
115         memset(lpc_out, 0, sizeof(int32_t) * order);
116         return;
117     }
118
119     /* calculate level shift which scales max coeff to available bits */
120     sh = max_shift;
121     while((cmax * (1 << sh) > qmax) && (sh > 0)) {
122         sh--;
123     }
124
125     /* since negative shift values are unsupported in decoder, scale down
126        coefficients instead */
127     if(sh == 0 && cmax > qmax) {
128         double scale = ((double)qmax) / cmax;
129         for(i=0; i<order; i++) {
130             lpc_in[i] *= scale;
131         }
132     }
133
134     /* output quantized coefficients and level shift */
135     error=0;
136     for(i=0; i<order; i++) {
137         error -= lpc_in[i] * (1 << sh);
138         lpc_out[i] = av_clip(lrintf(error), -qmax, qmax);
139         error -= lpc_out[i];
140     }
141     *shift = sh;
142 }
143
144 static int estimate_best_order(double *ref, int min_order, int max_order)
145 {
146     int i, est;
147
148     est = min_order;
149     for(i=max_order-1; i>=min_order-1; i--) {
150         if(ref[i] > 0.10) {
151             est = i+1;
152             break;
153         }
154     }
155     return est;
156 }
157
158 int ff_lpc_calc_ref_coefs(LPCContext *s,
159                           const int32_t *samples, int order, double *ref)
160 {
161     double autoc[MAX_LPC_ORDER + 1];
162
163     s->lpc_apply_welch_window(samples, s->blocksize, s->windowed_samples);
164     s->lpc_compute_autocorr(s->windowed_samples, s->blocksize, order, autoc);
165     compute_ref_coefs(autoc, order, ref, NULL);
166
167     return order;
168 }
169
170 double ff_lpc_calc_ref_coefs_f(LPCContext *s, const float *samples, int len,
171                                int order, double *ref)
172 {
173     int i;
174     double signal = 0.0f, avg_err = 0.0f;
175     double autoc[MAX_LPC_ORDER+1] = {0}, error[MAX_LPC_ORDER+1] = {0};
176     const double a = 0.5f, b = 1.0f - a;
177
178     /* Apply windowing */
179     for (i = 0; i <= len / 2; i++) {
180         double weight = a - b*cos((2*M_PI*i)/(len - 1));
181         s->windowed_samples[i] = weight*samples[i];
182         s->windowed_samples[len-1-i] = weight*samples[len-1-i];
183     }
184
185     s->lpc_compute_autocorr(s->windowed_samples, len, order, autoc);
186     signal = autoc[0];
187     compute_ref_coefs(autoc, order, ref, error);
188     for (i = 0; i < order; i++)
189         avg_err = (avg_err + error[i])/2.0f;
190     return signal/avg_err;
191 }
192
193 /**
194  * Calculate LPC coefficients for multiple orders
195  *
196  * @param lpc_type LPC method for determining coefficients,
197  *                 see #FFLPCType for details
198  */
199 int ff_lpc_calc_coefs(LPCContext *s,
200                       const int32_t *samples, int blocksize, int min_order,
201                       int max_order, int precision,
202                       int32_t coefs[][MAX_LPC_ORDER], int *shift,
203                       enum FFLPCType lpc_type, int lpc_passes,
204                       int omethod, int max_shift, int zero_shift)
205 {
206     double autoc[MAX_LPC_ORDER+1];
207     double ref[MAX_LPC_ORDER] = { 0 };
208     double lpc[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
209     int i, j, pass = 0;
210     int opt_order;
211
212     av_assert2(max_order >= MIN_LPC_ORDER && max_order <= MAX_LPC_ORDER &&
213            lpc_type > FF_LPC_TYPE_FIXED);
214     av_assert0(lpc_type == FF_LPC_TYPE_CHOLESKY || lpc_type == FF_LPC_TYPE_LEVINSON);
215
216     /* reinit LPC context if parameters have changed */
217     if (blocksize != s->blocksize || max_order != s->max_order ||
218         lpc_type  != s->lpc_type) {
219         ff_lpc_end(s);
220         ff_lpc_init(s, blocksize, max_order, lpc_type);
221     }
222
223     if(lpc_passes <= 0)
224         lpc_passes = 2;
225
226     if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_LEVINSON || (lpc_type == FF_LPC_TYPE_CHOLESKY && lpc_passes > 1)) {
227         s->lpc_apply_welch_window(samples, blocksize, s->windowed_samples);
228
229         s->lpc_compute_autocorr(s->windowed_samples, blocksize, max_order, autoc);
230
231         compute_lpc_coefs(autoc, max_order, &lpc[0][0], MAX_LPC_ORDER, 0, 1);
232
233         for(i=0; i<max_order; i++)
234             ref[i] = fabs(lpc[i][i]);
235
236         pass++;
237     }
238
239     if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_CHOLESKY) {
240         LLSModel *m = s->lls_models;
241         LOCAL_ALIGNED(32, double, var, [FFALIGN(MAX_LPC_ORDER+1,4)]);
242         double av_uninit(weight);
243         memset(var, 0, FFALIGN(MAX_LPC_ORDER+1,4)*sizeof(*var));
244
245         for(j=0; j<max_order; j++)
246             m[0].coeff[max_order-1][j] = -lpc[max_order-1][j];
247
248         for(; pass<lpc_passes; pass++){
249             avpriv_init_lls(&m[pass&1], max_order);
250
251             weight=0;
252             for(i=max_order; i<blocksize; i++){
253                 for(j=0; j<=max_order; j++)
254                     var[j]= samples[i-j];
255
256                 if(pass){
257                     double eval, inv, rinv;
258                     eval= m[pass&1].evaluate_lls(&m[(pass-1)&1], var+1, max_order-1);
259                     eval= (512>>pass) + fabs(eval - var[0]);
260                     inv = 1/eval;
261                     rinv = sqrt(inv);
262                     for(j=0; j<=max_order; j++)
263                         var[j] *= rinv;
264                     weight += inv;
265                 }else
266                     weight++;
267
268                 m[pass&1].update_lls(&m[pass&1], var);
269             }
270             avpriv_solve_lls(&m[pass&1], 0.001, 0);
271         }
272
273         for(i=0; i<max_order; i++){
274             for(j=0; j<max_order; j++)
275                 lpc[i][j]=-m[(pass-1)&1].coeff[i][j];
276             ref[i]= sqrt(m[(pass-1)&1].variance[i] / weight) * (blocksize - max_order) / 4000;
277         }
278         for(i=max_order-1; i>0; i--)
279             ref[i] = ref[i-1] - ref[i];
280     }
281
282     opt_order = max_order;
283
284     if(omethod == ORDER_METHOD_EST) {
285         opt_order = estimate_best_order(ref, min_order, max_order);
286         i = opt_order-1;
287         quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i], max_shift, zero_shift);
288     } else {
289         for(i=min_order-1; i<max_order; i++) {
290             quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i], max_shift, zero_shift);
291         }
292     }
293
294     return opt_order;
295 }
296
297 av_cold int ff_lpc_init(LPCContext *s, int blocksize, int max_order,
298                         enum FFLPCType lpc_type)
299 {
300     s->blocksize = blocksize;
301     s->max_order = max_order;
302     s->lpc_type  = lpc_type;
303
304     s->windowed_buffer = av_mallocz((blocksize + 2 + FFALIGN(max_order, 4)) *
305                                     sizeof(*s->windowed_samples));
306     if (!s->windowed_buffer)
307         return AVERROR(ENOMEM);
308     s->windowed_samples = s->windowed_buffer + FFALIGN(max_order, 4);
309
310     s->lpc_apply_welch_window = lpc_apply_welch_window_c;
311     s->lpc_compute_autocorr   = lpc_compute_autocorr_c;
312
313     if (ARCH_X86)
314         ff_lpc_init_x86(s);
315
316     return 0;
317 }
318
319 av_cold void ff_lpc_end(LPCContext *s)
320 {
321     av_freep(&s->windowed_buffer);
322 }