avcodec/lpc: Use a function pointer from an initialized context
[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     /* The optimization in commit fa4ed8c does not support odd len.
41      * If someone wants odd len extend that change. */
42     av_assert2(!(len & 1));
43
44     n2 = (len >> 1);
45     c = 2.0 / (len - 1.0);
46
47     w_data+=n2;
48       data+=n2;
49     for(i=0; i<n2; i++) {
50         w = c - n2 + i;
51         w = 1.0 - (w * w);
52         w_data[-i-1] = data[-i-1] * w;
53         w_data[+i  ] = data[+i  ] * w;
54     }
55 }
56
57 /**
58  * Calculate autocorrelation data from audio samples
59  * A Welch window function is applied before calculation.
60  */
61 static void lpc_compute_autocorr_c(const double *data, int len, int lag,
62                                    double *autoc)
63 {
64     int i, j;
65
66     for(j=0; j<lag; j+=2){
67         double sum0 = 1.0, sum1 = 1.0;
68         for(i=j; i<len; i++){
69             sum0 += data[i] * data[i-j];
70             sum1 += data[i] * data[i-j-1];
71         }
72         autoc[j  ] = sum0;
73         autoc[j+1] = sum1;
74     }
75
76     if(j==lag){
77         double sum = 1.0;
78         for(i=j-1; i<len; i+=2){
79             sum += data[i  ] * data[i-j  ]
80                  + data[i+1] * data[i-j+1];
81         }
82         autoc[j] = sum;
83     }
84 }
85
86 /**
87  * Quantize LPC coefficients
88  */
89 static void quantize_lpc_coefs(double *lpc_in, int order, int precision,
90                                int32_t *lpc_out, int *shift, int max_shift, int zero_shift)
91 {
92     int i;
93     double cmax, error;
94     int32_t qmax;
95     int sh;
96
97     /* define maximum levels */
98     qmax = (1 << (precision - 1)) - 1;
99
100     /* find maximum coefficient value */
101     cmax = 0.0;
102     for(i=0; i<order; i++) {
103         cmax= FFMAX(cmax, fabs(lpc_in[i]));
104     }
105
106     /* if maximum value quantizes to zero, return all zeros */
107     if(cmax * (1 << max_shift) < 1.0) {
108         *shift = zero_shift;
109         memset(lpc_out, 0, sizeof(int32_t) * order);
110         return;
111     }
112
113     /* calculate level shift which scales max coeff to available bits */
114     sh = max_shift;
115     while((cmax * (1 << sh) > qmax) && (sh > 0)) {
116         sh--;
117     }
118
119     /* since negative shift values are unsupported in decoder, scale down
120        coefficients instead */
121     if(sh == 0 && cmax > qmax) {
122         double scale = ((double)qmax) / cmax;
123         for(i=0; i<order; i++) {
124             lpc_in[i] *= scale;
125         }
126     }
127
128     /* output quantized coefficients and level shift */
129     error=0;
130     for(i=0; i<order; i++) {
131         error -= lpc_in[i] * (1 << sh);
132         lpc_out[i] = av_clip(lrintf(error), -qmax, qmax);
133         error -= lpc_out[i];
134     }
135     *shift = sh;
136 }
137
138 static int estimate_best_order(double *ref, int min_order, int max_order)
139 {
140     int i, est;
141
142     est = min_order;
143     for(i=max_order-1; i>=min_order-1; i--) {
144         if(ref[i] > 0.10) {
145             est = i+1;
146             break;
147         }
148     }
149     return est;
150 }
151
152 int ff_lpc_calc_ref_coefs(LPCContext *s,
153                           const int32_t *samples, int order, double *ref)
154 {
155     double autoc[MAX_LPC_ORDER + 1];
156
157     s->lpc_apply_welch_window(samples, s->blocksize, s->windowed_samples);
158     s->lpc_compute_autocorr(s->windowed_samples, s->blocksize, order, autoc);
159     compute_ref_coefs(autoc, order, ref, NULL);
160
161     return order;
162 }
163
164 /**
165  * Calculate LPC coefficients for multiple orders
166  *
167  * @param lpc_type LPC method for determining coefficients,
168  *                 see #FFLPCType for details
169  */
170 int ff_lpc_calc_coefs(LPCContext *s,
171                       const int32_t *samples, int blocksize, int min_order,
172                       int max_order, int precision,
173                       int32_t coefs[][MAX_LPC_ORDER], int *shift,
174                       enum FFLPCType lpc_type, int lpc_passes,
175                       int omethod, int max_shift, int zero_shift)
176 {
177     double autoc[MAX_LPC_ORDER+1];
178     double ref[MAX_LPC_ORDER];
179     double lpc[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
180     int i, j, pass = 0;
181     int opt_order;
182
183     av_assert2(max_order >= MIN_LPC_ORDER && max_order <= MAX_LPC_ORDER &&
184            lpc_type > FF_LPC_TYPE_FIXED);
185
186     /* reinit LPC context if parameters have changed */
187     if (blocksize != s->blocksize || max_order != s->max_order ||
188         lpc_type  != s->lpc_type) {
189         ff_lpc_end(s);
190         ff_lpc_init(s, blocksize, max_order, lpc_type);
191     }
192
193     if(lpc_passes <= 0)
194         lpc_passes = 2;
195
196     if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_LEVINSON || (lpc_type == FF_LPC_TYPE_CHOLESKY && lpc_passes > 1)) {
197         s->lpc_apply_welch_window(samples, blocksize, s->windowed_samples);
198
199         s->lpc_compute_autocorr(s->windowed_samples, blocksize, max_order, autoc);
200
201         compute_lpc_coefs(autoc, max_order, &lpc[0][0], MAX_LPC_ORDER, 0, 1);
202
203         for(i=0; i<max_order; i++)
204             ref[i] = fabs(lpc[i][i]);
205
206         pass++;
207     }
208
209     if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_CHOLESKY) {
210         LLSModel m[2];
211         LOCAL_ALIGNED(32, double, var, [FFALIGN(MAX_LPC_ORDER+1,4)]);
212         double av_uninit(weight);
213         memset(var, 0, FFALIGN(MAX_LPC_ORDER+1,4)*sizeof(*var));
214
215         for(j=0; j<max_order; j++)
216             m[0].coeff[max_order-1][j] = -lpc[max_order-1][j];
217
218         for(; pass<lpc_passes; pass++){
219             avpriv_init_lls(&m[pass&1], max_order);
220
221             weight=0;
222             for(i=max_order; i<blocksize; i++){
223                 for(j=0; j<=max_order; j++)
224                     var[j]= samples[i-j];
225
226                 if(pass){
227                     double eval, inv, rinv;
228                     eval= m[pass&1].evaluate_lls(&m[(pass-1)&1], var+1, max_order-1);
229                     eval= (512>>pass) + fabs(eval - var[0]);
230                     inv = 1/eval;
231                     rinv = sqrt(inv);
232                     for(j=0; j<=max_order; j++)
233                         var[j] *= rinv;
234                     weight += inv;
235                 }else
236                     weight++;
237
238                 m[pass&1].update_lls(&m[pass&1], var);
239             }
240             avpriv_solve_lls(&m[pass&1], 0.001, 0);
241         }
242
243         for(i=0; i<max_order; i++){
244             for(j=0; j<max_order; j++)
245                 lpc[i][j]=-m[(pass-1)&1].coeff[i][j];
246             ref[i]= sqrt(m[(pass-1)&1].variance[i] / weight) * (blocksize - max_order) / 4000;
247         }
248         for(i=max_order-1; i>0; i--)
249             ref[i] = ref[i-1] - ref[i];
250     }
251
252     opt_order = max_order;
253
254     if(omethod == ORDER_METHOD_EST) {
255         opt_order = estimate_best_order(ref, min_order, max_order);
256         i = opt_order-1;
257         quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i], max_shift, zero_shift);
258     } else {
259         for(i=min_order-1; i<max_order; i++) {
260             quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i], max_shift, zero_shift);
261         }
262     }
263
264     return opt_order;
265 }
266
267 av_cold int ff_lpc_init(LPCContext *s, int blocksize, int max_order,
268                         enum FFLPCType lpc_type)
269 {
270     s->blocksize = blocksize;
271     s->max_order = max_order;
272     s->lpc_type  = lpc_type;
273
274     s->windowed_buffer = av_mallocz((blocksize + 2 + FFALIGN(max_order, 4)) *
275                                     sizeof(*s->windowed_samples));
276     if (!s->windowed_buffer)
277         return AVERROR(ENOMEM);
278     s->windowed_samples = s->windowed_buffer + FFALIGN(max_order, 4);
279
280     s->lpc_apply_welch_window = lpc_apply_welch_window_c;
281     s->lpc_compute_autocorr   = lpc_compute_autocorr_c;
282
283     if (ARCH_X86)
284         ff_lpc_init_x86(s);
285
286     return 0;
287 }
288
289 av_cold void ff_lpc_end(LPCContext *s)
290 {
291     av_freep(&s->windowed_buffer);
292 }