early code for bit-rate management
[opus.git] / libcelt / bands.c
1 /* (C) 2007 Jean-Marc Valin, CSIRO
2 */
3 /*
4    Redistribution and use in source and binary forms, with or without
5    modification, are permitted provided that the following conditions
6    are met:
7    
8    - Redistributions of source code must retain the above copyright
9    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
10    
11    - Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
12    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
13    documentation and/or other materials provided with the distribution.
14    
15    - Neither the name of the Xiph.org Foundation nor the names of its
16    contributors may be used to endorse or promote products derived from
17    this software without specific prior written permission.
18    
19    THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
20    ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
21    LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
22    A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE FOUNDATION OR
23    CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL,
24    EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO,
25    PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR
26    PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF
27    LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING
28    NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS
29    SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
30 */
31
32 #include <math.h>
33 #include "bands.h"
34 #include "modes.h"
35 #include "vq.h"
36 #include "cwrs.h"
37
38 /* Applies a series of rotations so that pulses are spread like a two-sided
39 exponential. The effect of this is to reduce the tonal noise created by the
40 sparse spectrum resulting from the pulse codebook */
41 static void exp_rotation(float *X, int len, float theta, int dir, int stride, int iter)
42 {
43    int i, k;
44    float c, s;
45    c = cos(theta);
46    s = sin(theta);
47    if (dir > 0)
48    {
49       for (k=0;k<iter;k++)
50       {
51          for (i=0;i<len-stride;i++)
52          {
53             float x1, x2;
54             x1 = X[i];
55             x2 = X[i+stride];
56             X[i] = c*x1 - s*x2;
57             X[i+stride] = c*x2 + s*x1;
58          }
59          for (i=len-2*stride-1;i>=0;i--)
60          {
61             float x1, x2;
62             x1 = X[i];
63             x2 = X[i+stride];
64             X[i] = c*x1 - s*x2;
65             X[i+stride] = c*x2 + s*x1;
66          }
67       }
68    } else {
69       for (k=0;k<iter;k++)
70       {
71          for (i=0;i<len-2*stride;i++)
72          {
73             float x1, x2;
74             x1 = X[i];
75             x2 = X[i+stride];
76             X[i] = c*x1 + s*x2;
77             X[i+stride] = c*x2 - s*x1;
78          }
79          for (i=len-stride-1;i>=0;i--)
80          {
81             float x1, x2;
82             x1 = X[i];
83             x2 = X[i+stride];
84             X[i] = c*x1 + s*x2;
85             X[i+stride] = c*x2 - s*x1;
86          }
87       }
88    }
89 }
90
91 /* Compute the amplitude (sqrt energy) in each of the bands */
92 void compute_band_energies(const CELTMode *m, float *X, float *bank)
93 {
94    int i, c, B, C;
95    const int *eBands = m->eBands;
96    B = m->nbMdctBlocks;
97    C = m->nbChannels;
98    for (c=0;c<C;c++)
99    {
100       for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
101       {
102          int j;
103          float sum = 1e-10;
104          for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
105             sum += X[j*C+c]*X[j*C+c];
106          bank[i*C+c] = sqrt(C*sum);
107          //printf ("%f ", bank[i*C+c]);
108       }
109    }
110    //printf ("\n");
111 }
112
113 /* Normalise each band such that the energy is one. */
114 void normalise_bands(const CELTMode *m, float *X, float *bank)
115 {
116    int i, c, B, C;
117    const int *eBands = m->eBands;
118    B = m->nbMdctBlocks;
119    C = m->nbChannels;
120    for (c=0;c<C;c++)
121    {
122       for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
123       {
124          int j;
125          float g = 1.f/(1e-10+bank[i*C+c]);
126          for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
127             X[j*C+c] *= g;
128       }
129    }
130    for (i=B*C*eBands[m->nbEBands];i<B*C*eBands[m->nbEBands+1];i++)
131       X[i] = 0;
132 }
133
134 void renormalise_bands(const CELTMode *m, float *X)
135 {
136    float tmpE[m->nbEBands*m->nbChannels];
137    compute_band_energies(m, X, tmpE);
138    normalise_bands(m, X, tmpE);
139 }
140
141 /* De-normalise the energy to produce the synthesis from the unit-energy bands */
142 void denormalise_bands(const CELTMode *m, float *X, float *bank)
143 {
144    int i, c, B, C;
145    const int *eBands = m->eBands;
146    B = m->nbMdctBlocks;
147    C = m->nbChannels;
148    for (c=0;c<C;c++)
149    {
150       for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
151       {
152          int j;
153          float g = bank[i*C+c];
154          for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
155             X[j*C+c] *= g;
156       }
157    }
158    for (i=B*C*eBands[m->nbEBands];i<B*C*eBands[m->nbEBands+1];i++)
159       X[i] = 0;
160 }
161
162
163 /* Compute the best gain for each "pitch band" */
164 void compute_pitch_gain(const CELTMode *m, float *X, float *P, float *gains, float *bank)
165 {
166    int i, B;
167    const int *eBands = m->eBands;
168    const int *pBands = m->pBands;
169    B = m->nbMdctBlocks*m->nbChannels;
170    float w[B*eBands[m->nbEBands]];
171    for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
172    {
173       int j;
174       for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
175          w[j] = bank[i];
176    }
177
178    
179    for (i=0;i<m->nbPBands;i++)
180    {
181       float Sxy=0;
182       float Sxx = 0;
183       int j;
184       float gain;
185       for (j=B*pBands[i];j<B*pBands[i+1];j++)
186       {
187          Sxy += X[j]*P[j]*w[j];
188          Sxx += X[j]*X[j]*w[j];
189       }
190       gain = Sxy/(1e-10+Sxx);
191       //gain = Sxy/(2*(pbank[i+1]-pbank[i]));
192       //if (i<3)
193       //gain *= 1+.02*gain;
194       if (gain > 1.f)
195          gain = 1.f;
196       if (gain < 0.0f)
197          gain = 0.0f;
198       /* We need to be a bit conservative, otherwise residual doesn't quantise well */
199       gain *= .9f;
200       gains[i] = gain;
201       //printf ("%f ", 1-sqrt(1-gain*gain));
202    }
203    /*if(rand()%10==0)
204    {
205       for (i=0;i<m->nbPBands;i++)
206          printf ("%f ", 1-sqrt(1-gains[i]*gains[i]));
207       printf ("\n");
208    }*/
209    for (i=B*pBands[m->nbPBands];i<B*pBands[m->nbPBands+1];i++)
210       P[i] = 0;
211 }
212
213 /* Apply the (quantised) gain to each "pitch band" */
214 void pitch_quant_bands(const CELTMode *m, float *X, float *P, float *gains)
215 {
216    int i, B;
217    const int *pBands = m->pBands;
218    B = m->nbMdctBlocks*m->nbChannels;
219    for (i=0;i<m->nbPBands;i++)
220    {
221       int j;
222       for (j=B*pBands[i];j<B*pBands[i+1];j++)
223          P[j] *= gains[i];
224       //printf ("%f ", gain);
225    }
226    for (i=B*pBands[m->nbPBands];i<B*pBands[m->nbPBands+1];i++)
227       P[i] = 0;
228 }
229
230
231 /* Quantisation of the residual */
232 void quant_bands(const CELTMode *m, float *X, float *P, float *W, ec_enc *enc)
233 {
234    int i, j, B;
235    const int *eBands = m->eBands;
236    B = m->nbMdctBlocks*m->nbChannels;
237    float norm[B*eBands[m->nbEBands+1]];
238    
239    /*printf ("%d %d\n", ec_enc_tell(enc, 0), compute_allocation(m, m->nbPulses));*/
240    for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
241    {
242       int q;
243       float theta, n;
244       q = m->nbPulses[i];
245       n = sqrt(B*(eBands[i+1]-eBands[i]));
246       theta = .007*(B*(eBands[i+1]-eBands[i]))/(.1f+abs(m->nbPulses[i]));
247          
248       if (q<=0) {
249          q = -q;
250          intra_prediction(X+B*eBands[i], W+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q, norm, P+B*eBands[i], B, eBands[i], enc);
251       }
252          
253       if (q != 0)
254       {
255          exp_rotation(P+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), theta, -1, B, 8);
256          exp_rotation(X+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), theta, -1, B, 8);
257          alg_quant(X+B*eBands[i], W+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q, P+B*eBands[i], 0.7, enc);
258          exp_rotation(X+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), theta, 1, B, 8);
259       }
260       for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
261          norm[j] = X[j] * n;
262       //printf ("%f ", log2(ncwrs64(B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q))/(B*(eBands[i+1]-eBands[i])));
263       //printf ("%f ", log2(ncwrs64(B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q)));
264    }
265    //printf ("\n");
266    for (i=B*eBands[m->nbEBands];i<B*eBands[m->nbEBands+1];i++)
267       X[i] = 0;
268 }
269
270 /* Decoding of the residual */
271 void unquant_bands(const CELTMode *m, float *X, float *P, ec_dec *dec)
272 {
273    int i, j, B;
274    const int *eBands = m->eBands;
275    B = m->nbMdctBlocks*m->nbChannels;
276    float norm[B*eBands[m->nbEBands+1]];
277    
278    for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
279    {
280       int q;
281       float theta, n;
282       q = m->nbPulses[i];
283       n = sqrt(B*(eBands[i+1]-eBands[i]));
284       theta = .007*(B*(eBands[i+1]-eBands[i]))/(.1f+abs(m->nbPulses[i]));
285
286       if (q<=0) {
287          q = -q;
288          intra_unquant(X+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q, norm, P+B*eBands[i], B, eBands[i], dec);
289       }
290
291       if (q != 0)
292       {
293          exp_rotation(P+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), theta, -1, B, 8);
294          alg_unquant(X+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q, P+B*eBands[i], 0.7, dec);
295          exp_rotation(X+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), theta, 1, B, 8);
296       }
297       for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
298          norm[j] = X[j] * n;
299    }
300    for (i=B*eBands[m->nbEBands];i<B*eBands[m->nbEBands+1];i++)
301       X[i] = 0;
302 }
303
304 void stereo_mix(const CELTMode *m, float *X, float *bank, int dir)
305 {
306    int i, B, C;
307    const int *eBands = m->eBands;
308    B = m->nbMdctBlocks;
309    C = m->nbChannels;
310    for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
311    {
312       int j;
313       float left, right;
314       float a1, a2;
315       left = bank[i*C];
316       right = bank[i*C+1];
317       a1 = left/sqrt(.01+left*left+right*right);
318       a2 = dir*right/sqrt(.01+left*left+right*right);
319       for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
320       {
321          float r, l;
322          l = X[j*C];
323          r = X[j*C+1];         
324          X[j*C] = a1*l + a2*r;
325          X[j*C+1] = a1*r - a2*l;
326       }
327    }
328    for (i=B*C*eBands[m->nbEBands];i<B*C*eBands[m->nbEBands+1];i++)
329       X[i] = 0;
330
331 }