Vector quantisation of the residual (copied from Ghost/ceft)
[opus.git] / libcelt / celt.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 "os_support.h"
33 #include "mdct.h"
34 #include <math.h>
35 #include "celt.h"
36 #include "pitch.h"
37 #include "fftwrap.h"
38 #include "bands.h"
39
40 #define MAX_PERIOD 1024
41
42 struct CELTState_ {
43    int frame_size;
44    int block_size;
45    int nb_blocks;
46       
47    float preemph;
48    float preemph_mem;
49    
50    mdct_lookup mdct_lookup;
51    void *fft;
52    
53    float *window;
54    float *in_mem;
55    float *mdct_overlap;
56    float *out_mem;
57
58 };
59
60
61
62 CELTState *celt_encoder_new(int blockSize, int blocksPerFrame)
63 {
64    int i, N;
65    N = blockSize;
66    CELTState *st = celt_alloc(sizeof(CELTState));
67    
68    st->frame_size = blockSize * blocksPerFrame;
69    st->block_size = blockSize;
70    st->nb_blocks  = blocksPerFrame;
71    
72    mdct_init(&st->mdct_lookup, 2*N);
73    st->fft = spx_fft_init(MAX_PERIOD);
74    
75    st->window = celt_alloc(2*N*sizeof(float));
76    st->in_mem = celt_alloc(N*sizeof(float));
77    st->mdct_overlap = celt_alloc(N*sizeof(float));
78    st->out_mem = celt_alloc(MAX_PERIOD*sizeof(float));
79    for (i=0;i<N;i++)
80       st->window[i] = st->window[2*N-i-1] = sin(.5*M_PI* sin(.5*M_PI*(i+.5)/N) * sin(.5*M_PI*(i+.5)/N));
81    return st;
82 }
83
84 void celt_encoder_destroy(CELTState *st)
85 {
86    if (st == NULL)
87    {
88       celt_warning("NULL passed to celt_encoder_destroy");
89       return;
90    }
91    mdct_clear(&st->mdct_lookup);
92    spx_fft_destroy(st->fft);
93
94    celt_free(st->window);
95    celt_free(st->in_mem);
96    celt_free(st->mdct_overlap);
97    celt_free(st->out_mem);
98    
99    celt_free(st);
100 }
101
102 static void compute_mdcts(mdct_lookup *mdct_lookup, float *window, float *in, float *out, int N, int B)
103 {
104    int i;
105    for (i=0;i<B;i++)
106    {
107       int j;
108       float x[2*N];
109       float tmp[N];
110       for (j=0;j<2*N;j++)
111          x[j] = window[j]*in[i*N+j];
112       mdct_forward(mdct_lookup, x, tmp);
113       /* Interleaving the sub-frames */
114       for (j=0;j<N;j++)
115          out[B*j+i] = tmp[j];
116    }
117
118 }
119
120 int celt_encode(CELTState *st, short *pcm)
121 {
122    int i, N, B;
123    N = st->block_size;
124    B = st->nb_blocks;
125    float in[(B+1)*N];
126    
127    float X[B*N]; /**< Interleaved signal MDCTs */
128    float P[B*N]; /**< Interleaved pitch MDCTs*/
129    float bandEp[NBANDS];
130    float bandE[NBANDS];
131    float gains[PBANDS];
132    int pitch_index;
133    
134    /* FIXME: Add preemphasis */
135    for (i=0;i<N;i++)
136       in[i] = st->in_mem[i];
137    for (;i<(B+1)*N;i++)
138       in[i] = pcm[i-N];
139    
140    for (i=0;i<N;i++)
141       st->in_mem[i] = pcm[(B-1)*N+i];
142
143    /* Compute MDCTs */
144    compute_mdcts(&st->mdct_lookup, st->window, in, X, N, B);
145    
146    /* Pitch analysis */
147    for (i=0;i<N;i++)
148    {
149       in[i] *= st->window[i];
150       in[B*N+i] *= st->window[N+i];
151    }
152    find_spectral_pitch(st->fft, in, st->out_mem, MAX_PERIOD, (B+1)*N, &pitch_index, NULL);
153    
154    /* Compute MDCTs of the pitch part */
155    compute_mdcts(&st->mdct_lookup, st->window, st->out_mem+pitch_index, P, N, B);
156    
157    /*int j;
158    for (j=0;j<B*N;j++)
159       printf ("%f ", X[j]);
160    for (j=0;j<B*N;j++)
161       printf ("%f ", P[j]);
162    printf ("\n");*/
163    
164    /* Band normalisation */
165    compute_bands(X, B, bandE);
166    //for (i=0;i<NBANDS;i++) printf("%f ",bandE[i]);printf("\n"); 
167    normalise_bands(X, B, bandE);
168    
169    compute_bands(P, B, bandEp);
170    normalise_bands(P, B, bandEp);
171
172    /* Pitch prediction */
173    compute_pitch_gain(X, B, P, gains, bandE);
174    //quantise_pitch(gains, PBANDS);
175    pitch_quant_bands(X, B, P, gains);
176    
177    //for (i=0;i<B*N;i++) printf("%f ",P[i]);printf("\n");
178    /* Subtract the pitch prediction from the signal to encode */
179    for (i=0;i<B*N;i++)
180       X[i] -= P[i];
181
182    /* Residual quantisation */
183 #if 1
184    quant_bands(X, B, P);
185 #else
186    {
187       float tmpE[NBANDS];
188       compute_bands(X, B, tmpE);
189       normalise_bands(X, B, tmpE);
190       pitch_renormalise_bands(X, B, P);
191    }
192 #endif
193    
194    /* Synthesis */
195    denormalise_bands(X, B, bandE);
196
197    CELT_MOVE(st->out_mem, st->out_mem+B*N, MAX_PERIOD-B*N);
198    /* Compute inverse MDCTs */
199    for (i=0;i<B;i++)
200    {
201       int j;
202       float x[2*N];
203       float tmp[N];
204       /* De-interleaving the sub-frames */
205       for (j=0;j<N;j++)
206          tmp[j] = X[B*j+i];
207       mdct_backward(&st->mdct_lookup, tmp, x);
208       for (j=0;j<2*N;j++)
209          x[j] = st->window[j]*x[j];
210       for (j=0;j<N;j++)
211          st->out_mem[MAX_PERIOD+(i-B)*N+j] = x[j]+st->mdct_overlap[j];
212       for (j=0;j<N;j++)
213          st->mdct_overlap[j] = x[N+j];
214       
215       for (j=0;j<N;j++)
216          pcm[i*N+j] = (short)floor(.5+st->out_mem[MAX_PERIOD+(i-B)*N+j]);
217    }
218
219    return 0;
220 }
221