MDCT conversion, part I.
[opus.git] / libcelt / mdct.c
1 /* (C) 2008 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 /* This is a simple MDCT implementation that uses a N/4 complex FFT
33    to do most of the work. It should be relatively straightforward to
34    plug in pretty much and FFT here.
35    
36    This replaces the Vorbis FFT (and uses the exact same API), which 
37    was a bit too messy and that was ending up duplicating code 
38    (might as well use the same FFT everywhere).
39    
40    The algorithm is similar to (and inspired from) Fabrice Bellard's
41    MDCT implementation in FFMPEG, but has differences in signs, ordering
42    and scaling in many places. 
43 */
44
45 #ifdef HAVE_CONFIG_H
46 #include "config.h"
47 #endif
48
49 #include "mdct.h"
50 #include "kiss_fft.h"
51 #include <math.h>
52 #include "os_support.h"
53 #include "_kiss_fft_guts.h"
54
55 #ifndef M_PI
56 #define M_PI 3.14159263
57 #endif
58
59 #undef S_MUL
60 #define S_MUL(a,b) ((a)*(b))
61 void mdct_init(mdct_lookup *l,int N)
62 {
63    int i;
64    int N2, N4;
65    l->n = N;
66    N2 = N/2;
67    N4 = N/4;
68    l->kfft = kiss_fft_alloc(N4, NULL, NULL);
69    l->trig = celt_alloc(N2*sizeof(float));
70    /* We have enough points that sine isn't necessary */
71    for (i=0;i<N2;i++)
72       l->trig[i] = cos(2*M_PI*(i+1./8.)/N);
73 }
74
75 void mdct_clear(mdct_lookup *l)
76 {
77    kiss_fft_free(l->kfft);
78    celt_free(l->trig);
79 }
80
81 void mdct_forward(mdct_lookup *l, kiss_fft_scalar *in, kiss_fft_scalar *out)
82 {
83    int i;
84    int N, N2, N4, N8;
85    VARDECL(kiss_fft_scalar *f);
86    N = l->n;
87    N2 = N/2;
88    N4 = N/4;
89    N8 = N/8;
90    ALLOC(f, N2, kiss_fft_scalar);
91    
92    /* Consider the input to be compused of four blocks: [a, b, c, d] */
93    /* Shuffle, fold, pre-rotate (part 1) */
94    for(i=0;i<N8;i++)
95    {
96       kiss_fft_scalar re, im;
97       /* Real part arranged as -d-cR, Imag part arranged as -b+aR*/
98       re = -.5*(in[N2+N4+2*i] + in[N2+N4-2*i-1]);
99       im = -.5*(in[N4+2*i]    - in[N4-2*i-1]);
100       out[2*i]   = S_MUL(re,l->trig[i])  -  S_MUL(im,l->trig[i+N4]);
101       out[2*i+1] = S_MUL(im,l->trig[i])  +  S_MUL(re,l->trig[i+N4]);
102    }
103    for(;i<N4;i++)
104    {
105       kiss_fft_scalar re, im;
106       /* Real part arranged as a-bR, Imag part arranged as -c-dR */
107       re =  .5*(in[2*i-N4] - in[N2+N4-2*i-1]);
108       im = -.5*(in[N4+2*i] + in[N+N4-2*i-1]);
109       out[2*i]   = S_MUL(re,l->trig[i])  -  S_MUL(im,l->trig[i+N4]);
110       out[2*i+1] = S_MUL(im,l->trig[i])  +  S_MUL(re,l->trig[i+N4]);
111    }
112
113    /* N/4 complex FFT, which should normally down-scale by 4/N (but doesn't now) */
114    kiss_fft(l->kfft, (const kiss_fft_cpx *)out, (kiss_fft_cpx *)f);
115
116    /* Post-rotate and apply the scaling if the FFT doesn't to it itself */
117    for(i=0;i<N4;i++)
118    {
119       out[2*i]      = -S_MUL(f[2*i+1],l->trig[i+N4]) + S_MUL(f[2*i]  ,l->trig[i]);
120       out[N2-1-2*i] = -S_MUL(f[2*i]  ,l->trig[i+N4]) - S_MUL(f[2*i+1],l->trig[i]);
121    }
122 }
123
124
125 void mdct_backward(mdct_lookup *l, kiss_fft_scalar *in, kiss_fft_scalar *out)
126 {
127    int i;
128    int N, N2, N4, N8;
129    VARDECL(kiss_fft_scalar *f);
130    N = l->n;
131    N2 = N/2;
132    N4 = N/4;
133    N8 = N/8;
134    ALLOC(f, N2, kiss_fft_scalar);
135    
136    /* Pre-rotate */
137    for(i=0;i<N4;i++) 
138    {
139       out[2*i]   = -S_MUL(in[N2-2*i-1], l->trig[i])    - S_MUL(in[2*i],l->trig[i+N4]);
140       out[2*i+1] =  S_MUL(in[N2-2*i-1], l->trig[i+N4]) - S_MUL(in[2*i],l->trig[i]);
141    }
142
143    /* Inverse N/4 complex FFT. This one should *not* downscale even in fixed-point */
144    kiss_ifft(l->kfft, (const kiss_fft_cpx *)out, (kiss_fft_cpx *)f);
145    
146    /* Post-rotate */
147    for(i=0;i<N4;i++)
148    {
149       kiss_fft_scalar re, im;
150       re = f[2*i];
151       im = f[2*i+1];
152       /* We'd scale up by 2 here, but instead it's done when mixing the windows */
153       f[2*i]   = S_MUL(re,l->trig[i]) + S_MUL(im,l->trig[i+N4]);
154       f[2*i+1] = S_MUL(im,l->trig[i]) - S_MUL(re,l->trig[i+N4]);
155    }
156    /* De-shuffle the components for the middle of the window only */
157    for(i = 0; i < N4; i++)
158    {
159       out[N4+2*i]   =-f[2*i];
160       out[N4+2*i+1] = f[N2-2*i-1];
161    }
162
163    /* Mirror on both sides for TDAC */
164    for(i = 0; i < N4; i++)
165    {
166       out[i]     =-out[N2-i-1];
167       out[N-i-1] = out[N2+i];
168    }
169 }
170
171