Getting rid of the inverse FFT entirely
[opus.git] / celt / mdct.c
1 /* Copyright (c) 2007-2008 CSIRO
2    Copyright (c) 2007-2008 Xiph.Org Foundation
3    Written by Jean-Marc Valin */
4 /*
5    Redistribution and use in source and binary forms, with or without
6    modification, are permitted provided that the following conditions
7    are met:
8
9    - Redistributions of source code must retain the above copyright
10    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
11
12    - Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
13    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
14    documentation and/or other materials provided with the distribution.
15
16    THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
17    ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
18    LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
19    A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT OWNER
20    OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL,
21    EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO,
22    PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR
23    PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF
24    LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING
25    NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS
26    SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
27 */
28
29 /* This is a simple MDCT implementation that uses a N/4 complex FFT
30    to do most of the work. It should be relatively straightforward to
31    plug in pretty much and FFT here.
32
33    This replaces the Vorbis FFT (and uses the exact same API), which
34    was a bit too messy and that was ending up duplicating code
35    (might as well use the same FFT everywhere).
36
37    The algorithm is similar to (and inspired from) Fabrice Bellard's
38    MDCT implementation in FFMPEG, but has differences in signs, ordering
39    and scaling in many places.
40 */
41
42 #ifndef SKIP_CONFIG_H
43 #ifdef HAVE_CONFIG_H
44 #include "config.h"
45 #endif
46 #endif
47
48 #include "mdct.h"
49 #include "kiss_fft.h"
50 #include "_kiss_fft_guts.h"
51 #include <math.h>
52 #include "os_support.h"
53 #include "mathops.h"
54 #include "stack_alloc.h"
55
56 #ifdef CUSTOM_MODES
57
58 int clt_mdct_init(mdct_lookup *l,int N, int maxshift)
59 {
60    int i;
61    int N4;
62    kiss_twiddle_scalar *trig;
63 #if defined(FIXED_POINT)
64    int N2=N>>1;
65 #endif
66    l->n = N;
67    N4 = N>>2;
68    l->maxshift = maxshift;
69    for (i=0;i<=maxshift;i++)
70    {
71       if (i==0)
72          l->kfft[i] = opus_fft_alloc(N>>2>>i, 0, 0);
73       else
74          l->kfft[i] = opus_fft_alloc_twiddles(N>>2>>i, 0, 0, l->kfft[0]);
75 #ifndef ENABLE_TI_DSPLIB55
76       if (l->kfft[i]==NULL)
77          return 0;
78 #endif
79    }
80    l->trig = trig = (kiss_twiddle_scalar*)opus_alloc((N4+1)*sizeof(kiss_twiddle_scalar));
81    if (l->trig==NULL)
82      return 0;
83    /* We have enough points that sine isn't necessary */
84 #if defined(FIXED_POINT)
85    for (i=0;i<=N4;i++)
86       trig[i] = TRIG_UPSCALE*celt_cos_norm(DIV32(ADD32(SHL32(EXTEND32(i),17),N2),N));
87 #else
88    for (i=0;i<=N4;i++)
89       trig[i] = (kiss_twiddle_scalar)cos(2*PI*i/N);
90 #endif
91    return 1;
92 }
93
94 void clt_mdct_clear(mdct_lookup *l)
95 {
96    int i;
97    for (i=0;i<=l->maxshift;i++)
98       opus_fft_free(l->kfft[i]);
99    opus_free((kiss_twiddle_scalar*)l->trig);
100 }
101
102 #endif /* CUSTOM_MODES */
103
104 /* Forward MDCT trashes the input array */
105 void clt_mdct_forward(const mdct_lookup *l, kiss_fft_scalar *in, kiss_fft_scalar * OPUS_RESTRICT out,
106       const opus_val16 *window, int overlap, int shift, int stride)
107 {
108    int i;
109    int N, N2, N4;
110    kiss_twiddle_scalar sine;
111    VARDECL(kiss_fft_scalar, f);
112    VARDECL(kiss_fft_cpx, f2);
113    const kiss_fft_state *st = l->kfft[shift];
114 #ifdef FIXED_POINT
115    /* FIXME: This should eventually just go in the state. */
116    opus_val16 scale;
117    int scale_shift;
118    scale_shift = celt_ilog2(st->nfft);
119    if (st->nfft == 1<<scale_shift)
120       scale = Q15ONE;
121    else
122       scale = (1073741824+st->nfft/2)/st->nfft>>(15-scale_shift);
123 #endif
124    SAVE_STACK;
125    N = l->n;
126    N >>= shift;
127    N2 = N>>1;
128    N4 = N>>2;
129    ALLOC(f, N2, kiss_fft_scalar);
130    ALLOC(f2, N2, kiss_fft_cpx);
131    /* sin(x) ~= x here */
132 #ifdef FIXED_POINT
133    sine = TRIG_UPSCALE*(QCONST16(0.7853981f, 15)+N2)/N;
134 #else
135    sine = (kiss_twiddle_scalar)2*PI*(.125f)/N;
136 #endif
137
138    /* Consider the input to be composed of four blocks: [a, b, c, d] */
139    /* Window, shuffle, fold */
140    {
141       /* Temp pointers to make it really clear to the compiler what we're doing */
142       const kiss_fft_scalar * OPUS_RESTRICT xp1 = in+(overlap>>1);
143       const kiss_fft_scalar * OPUS_RESTRICT xp2 = in+N2-1+(overlap>>1);
144       kiss_fft_scalar * OPUS_RESTRICT yp = f;
145       const opus_val16 * OPUS_RESTRICT wp1 = window+(overlap>>1);
146       const opus_val16 * OPUS_RESTRICT wp2 = window+(overlap>>1)-1;
147       for(i=0;i<((overlap+3)>>2);i++)
148       {
149          /* Real part arranged as -d-cR, Imag part arranged as -b+aR*/
150          *yp++ = MULT16_32_Q15(*wp2, xp1[N2]) + MULT16_32_Q15(*wp1,*xp2);
151          *yp++ = MULT16_32_Q15(*wp1, *xp1)    - MULT16_32_Q15(*wp2, xp2[-N2]);
152          xp1+=2;
153          xp2-=2;
154          wp1+=2;
155          wp2-=2;
156       }
157       wp1 = window;
158       wp2 = window+overlap-1;
159       for(;i<N4-((overlap+3)>>2);i++)
160       {
161          /* Real part arranged as a-bR, Imag part arranged as -c-dR */
162          *yp++ = *xp2;
163          *yp++ = *xp1;
164          xp1+=2;
165          xp2-=2;
166       }
167       for(;i<N4;i++)
168       {
169          /* Real part arranged as a-bR, Imag part arranged as -c-dR */
170          *yp++ =  -MULT16_32_Q15(*wp1, xp1[-N2]) + MULT16_32_Q15(*wp2, *xp2);
171          *yp++ = MULT16_32_Q15(*wp2, *xp1)     + MULT16_32_Q15(*wp1, xp2[N2]);
172          xp1+=2;
173          xp2-=2;
174          wp1+=2;
175          wp2-=2;
176       }
177    }
178    /* Pre-rotation */
179    {
180       kiss_fft_scalar * OPUS_RESTRICT yp = f;
181       const kiss_twiddle_scalar *t = &l->trig[0];
182       for(i=0;i<N4;i++)
183       {
184          kiss_fft_cpx yc;
185          kiss_fft_scalar re, im, yr, yi;
186          re = *yp++;
187          im = *yp++;
188          yr = -S_MUL(re,t[i<<shift])  -  S_MUL(im,t[(N4-i)<<shift]);
189          yi = -S_MUL(im,t[i<<shift])  +  S_MUL(re,t[(N4-i)<<shift]);
190          /* works because the cos is nearly one */
191          yc.r = yr + S_MUL(yi,sine);
192          yc.i = yi - S_MUL(yr,sine);
193 #ifdef FIXED_POINT
194          yc.r = SHR32(MULT16_32_Q15(scale, yc.r), scale_shift);
195          yc.i = SHR32(MULT16_32_Q15(scale, yc.i), scale_shift);
196 #else
197          yc.r *= st->scale;
198          yc.i *= st->scale;
199 #endif
200          f2[st->bitrev[i]] = yc;
201       }
202    }
203
204    /* N/4 complex FFT, down-scales by 4/N */
205    opus_fft_impl(st, f2);
206
207    /* Post-rotate */
208    {
209       /* Temp pointers to make it really clear to the compiler what we're doing */
210       const kiss_fft_cpx * OPUS_RESTRICT fp = f2;
211       kiss_fft_scalar * OPUS_RESTRICT yp1 = out;
212       kiss_fft_scalar * OPUS_RESTRICT yp2 = out+stride*(N2-1);
213       const kiss_twiddle_scalar *t = &l->trig[0];
214       /* Temp pointers to make it really clear to the compiler what we're doing */
215       for(i=0;i<N4;i++)
216       {
217          kiss_fft_scalar yr, yi;
218          yr = S_MUL(fp->i,t[(N4-i)<<shift]) + S_MUL(fp->r,t[i<<shift]);
219          yi = S_MUL(fp->r,t[(N4-i)<<shift]) - S_MUL(fp->i,t[i<<shift]);
220          /* works because the cos is nearly one */
221          *yp1 = yr - S_MUL(yi,sine);
222          *yp2 = yi + S_MUL(yr,sine);;
223          fp++;
224          yp1 += 2*stride;
225          yp2 -= 2*stride;
226       }
227    }
228    RESTORE_STACK;
229 }
230
231 void clt_mdct_backward(const mdct_lookup *l, kiss_fft_scalar *in, kiss_fft_scalar * OPUS_RESTRICT out,
232       const opus_val16 * OPUS_RESTRICT window, int overlap, int shift, int stride)
233 {
234    int i;
235    int N, N2, N4;
236    kiss_twiddle_scalar sine;
237    VARDECL(kiss_fft_cpx, f2);
238    SAVE_STACK;
239    N = l->n;
240    N >>= shift;
241    N2 = N>>1;
242    N4 = N>>2;
243    ALLOC(f2, N4, kiss_fft_cpx);
244    /* sin(x) ~= x here */
245 #ifdef FIXED_POINT
246    sine = TRIG_UPSCALE*(QCONST16(0.7853981f, 15)+N2)/N;
247 #else
248    sine = (kiss_twiddle_scalar)2*PI*(.125f)/N;
249 #endif
250
251    /* Pre-rotate */
252    {
253       /* Temp pointers to make it really clear to the compiler what we're doing */
254       const kiss_fft_scalar * OPUS_RESTRICT xp1 = in;
255       const kiss_fft_scalar * OPUS_RESTRICT xp2 = in+stride*(N2-1);
256       kiss_fft_cpx * OPUS_RESTRICT yp = f2;
257       const kiss_twiddle_scalar * OPUS_RESTRICT t = &l->trig[0];
258       const opus_int16 * OPUS_RESTRICT bitrev = l->kfft[shift]->bitrev;
259       for(i=0;i<N4;i++)
260       {
261          kiss_fft_scalar yr, yi;
262          kiss_fft_cpx yc;
263          yr = -S_MUL(*xp2, t[i<<shift]) + S_MUL(*xp1,t[(N4-i)<<shift]);
264          yi =  -S_MUL(*xp2, t[(N4-i)<<shift]) - S_MUL(*xp1,t[i<<shift]);
265          /* Works because the cos is nearly one. We swap real and imag because we
266             use an FFT instead of an IFFT. */
267          yc.i = yr - S_MUL(yi,sine);
268          yc.r = yi + S_MUL(yr,sine);
269          /* Storing the pre-rotation directly in the bitrev order. */
270          yp[*bitrev++] = yc;
271          xp1+=2*stride;
272          xp2-=2*stride;
273       }
274    }
275
276    opus_fft_impl(l->kfft[shift], f2);
277
278    /* Post-rotate and de-shuffle from both ends of the buffer at once to make
279       it in-place. */
280    {
281       kiss_fft_scalar * OPUS_RESTRICT yp0 = out+(overlap>>1);
282       kiss_fft_scalar * OPUS_RESTRICT yp1 = out+(overlap>>1)+N2-2;
283       const kiss_twiddle_scalar *t = &l->trig[0];
284       /* Loop to (N4+1)>>1 to handle odd N4. When N4 is odd, the
285          middle pair will be computed twice. */
286       for(i=0;i<(N4+1)>>1;i++)
287       {
288          kiss_fft_scalar re, im, yr, yi;
289          kiss_twiddle_scalar t0, t1;
290          /* We swap real and imag because we're using an FFT instead of an IFFT. */
291          re = f2[i].i;
292          im = f2[i].r;
293          t0 = t[i<<shift];
294          t1 = t[(N4-i)<<shift];
295          /* We'd scale up by 2 here, but instead it's done when mixing the windows */
296          yr = S_MUL(re,t0) - S_MUL(im,t1);
297          yi = S_MUL(im,t0) + S_MUL(re,t1);
298          /* We swap real and imag because we're using an FFT instead of an IFFT. */
299          re = f2[N4-i-1].i;
300          im = f2[N4-i-1].r;
301          /* works because the cos is nearly one */
302          yp0[0] = -(yr - S_MUL(yi,sine));
303          yp1[1] = yi + S_MUL(yr,sine);
304
305          t0 = t[(N4-i-1)<<shift];
306          t1 = t[(i+1)<<shift];
307          /* We'd scale up by 2 here, but instead it's done when mixing the windows */
308          yr = S_MUL(re,t0) - S_MUL(im,t1);
309          yi = S_MUL(im,t0) + S_MUL(re,t1);
310          /* works because the cos is nearly one */
311          yp1[0] = -(yr - S_MUL(yi,sine));
312          yp0[1] = yi + S_MUL(yr,sine);
313          yp0 += 2;
314          yp1 -= 2;
315       }
316    }
317
318    /* Mirror on both sides for TDAC */
319    {
320       kiss_fft_scalar * OPUS_RESTRICT xp1 = out+overlap-1;
321       kiss_fft_scalar * OPUS_RESTRICT yp1 = out;
322       const opus_val16 * OPUS_RESTRICT wp1 = window;
323       const opus_val16 * OPUS_RESTRICT wp2 = window+overlap-1;
324
325       for(i = 0; i < overlap/2; i++)
326       {
327          kiss_fft_scalar x1, x2;
328          x1 = *xp1;
329          x2 = *yp1;
330          *yp1++ = MULT16_32_Q15(*wp2, x2) - MULT16_32_Q15(*wp1, x1);
331          *xp1-- = MULT16_32_Q15(*wp1, x2) + MULT16_32_Q15(*wp2, x1);
332          wp1++;
333          wp2--;
334       }
335    }
336    RESTORE_STACK;
337 }