More simplifications to the VQ search
[opus.git] / libcelt / vq.c
1 /* Copyright (c) 2007-2008 CSIRO
2    Copyright (c) 2007-2009 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    - Neither the name of the Xiph.org Foundation nor the names of its
17    contributors may be used to endorse or promote products derived from
18    this software without specific prior written permission.
19    
20    THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
21    ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
22    LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
23    A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE FOUNDATION OR
24    CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL,
25    EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO,
26    PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR
27    PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF
28    LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING
29    NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS
30    SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
31 */
32
33 #ifdef HAVE_CONFIG_H
34 #include "config.h"
35 #endif
36
37 #include "mathops.h"
38 #include "cwrs.h"
39 #include "vq.h"
40 #include "arch.h"
41 #include "os_support.h"
42 #include "rate.h"
43
44 #ifndef M_PI
45 #define M_PI 3.141592653
46 #endif
47
48 static celt_uint32 lcg_rand(celt_uint32 seed)
49 {
50    return 1664525 * seed + 1013904223;
51 }
52
53 static void exp_rotation1(celt_norm *X, int len, int stride, celt_word16 c, celt_word16 s)
54 {
55    int i;
56    celt_norm *Xptr;
57    Xptr = X;
58    for (i=0;i<len-stride;i++)
59    {
60       celt_norm x1, x2;
61       x1 = Xptr[0];
62       x2 = Xptr[stride];
63       Xptr[stride] = EXTRACT16(SHR32(MULT16_16(c,x2) + MULT16_16(s,x1), 15));
64       *Xptr++      = EXTRACT16(SHR32(MULT16_16(c,x1) - MULT16_16(s,x2), 15));
65    }
66    Xptr = &X[len-2*stride-1];
67    for (i=len-2*stride-1;i>=0;i--)
68    {
69       celt_norm x1, x2;
70       x1 = Xptr[0];
71       x2 = Xptr[stride];
72       Xptr[stride] = EXTRACT16(SHR32(MULT16_16(c,x2) + MULT16_16(s,x1), 15));
73       *Xptr--      = EXTRACT16(SHR32(MULT16_16(c,x1) - MULT16_16(s,x2), 15));
74    }
75 }
76
77 static void exp_rotation(celt_norm *X, int len, int dir, int stride, int K, int spread)
78 {
79    int i;
80    celt_word16 c, s;
81    celt_word16 gain, theta;
82    int stride2=0;
83    int factor;
84    /*int i;
85    if (len>=30)
86    {
87       for (i=0;i<len;i++)
88          X[i] = 0;
89       X[14] = 1;
90       K=5;
91    }*/
92    if (2*K>=len || spread==0)
93       return;
94    if (spread==1)
95       factor=10;
96    else if (spread==2)
97       factor=5;
98    else
99       factor=15;
100
101    gain = celt_div((celt_word32)MULT16_16(Q15_ONE,len),(celt_word32)(len+factor*K));
102    /* FIXME: Make that HALF16 instead of HALF32 */
103    theta = HALF32(MULT16_16_Q15(gain,gain));
104
105    c = celt_cos_norm(EXTEND32(theta));
106    s = celt_cos_norm(EXTEND32(SUB16(Q15ONE,theta))); /*  sin(theta) */
107
108    if (len>=8*stride)
109    {
110       stride2 = 1;
111       /* This is just a simple way of computing sqrt(len/stride) with rounding.
112          It's basically incrementing long as (stride2+0.5)^2 < len/stride.
113          I _think_ it is bit-exact */
114       while ((stride2*stride2+stride2)*stride + (stride>>2) < len)
115          stride2++;
116    }
117    len /= stride;
118    for (i=0;i<stride;i++)
119    {
120       if (dir < 0)
121       {
122          if (stride2)
123             exp_rotation1(X+i*len, len, stride2, s, c);
124          exp_rotation1(X+i*len, len, 1, c, s);
125       } else {
126          exp_rotation1(X+i*len, len, 1, c, -s);
127          if (stride2)
128             exp_rotation1(X+i*len, len, stride2, s, -c);
129       }
130    }
131    /*if (len>=30)
132    {
133       for (i=0;i<len;i++)
134          printf ("%f ", X[i]);
135       printf ("\n");
136       exit(0);
137    }*/
138 }
139
140 /** Takes the pitch vector and the decoded residual vector, computes the gain
141     that will give ||p+g*y||=1 and mixes the residual with the pitch. */
142 static void normalise_residual(int * restrict iy, celt_norm * restrict X,
143       int N, int K, celt_word32 Ryy, celt_word16 gain)
144 {
145    int i;
146 #ifdef FIXED_POINT
147    int k;
148 #endif
149    celt_word32 t;
150    celt_word16 g;
151
152 #ifdef FIXED_POINT
153    k = celt_ilog2(Ryy)>>1;
154 #endif
155    t = VSHR32(Ryy, (k-7)<<1);
156    g = MULT16_16_P15(celt_rsqrt_norm(t),gain);
157
158    i=0;
159    do
160       X[i] = EXTRACT16(PSHR32(MULT16_16(g, iy[i]), k+1));
161    while (++i < N);
162 }
163
164 void alg_quant(celt_norm *X, int N, int K, int spread, int B, celt_norm *lowband,
165       int resynth, ec_enc *enc, celt_int32 *seed, celt_word16 gain)
166 {
167    VARDECL(celt_norm, y);
168    VARDECL(int, iy);
169    VARDECL(celt_word16, signx);
170    int i, j;
171    celt_word16 s;
172    int pulsesLeft;
173    celt_word32 sum;
174    celt_word32 xy, yy;
175    int N_1; /* Inverse of N, in Q14 format (even for float) */
176 #ifdef FIXED_POINT
177    int yshift;
178 #endif
179    SAVE_STACK;
180
181    /* When there's no pulse, fill with noise or folded spectrum */
182    if (K==0)
183    {
184       if (lowband != NULL && resynth)
185       {
186          if (spread==2 && B<=1)
187          {
188             for (j=0;j<N;j++)
189             {
190                *seed = lcg_rand(*seed);
191                X[j] = (int)(*seed)>>20;
192             }
193          } else {
194             for (j=0;j<N;j++)
195                X[j] = lowband[j];
196          }
197          renormalise_vector(X, N, gain);
198       } else {
199          /* This is important for encoding the side in stereo mode */
200          for (j=0;j<N;j++)
201             X[j] = 0;
202       }
203       return;
204    }
205    K = get_pulses(K);
206 #ifdef FIXED_POINT
207    yshift = 13-celt_ilog2(K);
208 #endif
209
210    ALLOC(y, N, celt_norm);
211    ALLOC(iy, N, int);
212    ALLOC(signx, N, celt_word16);
213    N_1 = 512/N;
214    
215    exp_rotation(X, N, 1, B, K, spread);
216
217    /* Get rid of the sign */
218    sum = 0;
219    j=0; do {
220       if (X[j]>0)
221          signx[j]=1;
222       else {
223          signx[j]=-1;
224          X[j]=-X[j];
225       }
226       iy[j] = 0;
227       y[j] = 0;
228    } while (++j<N);
229
230    xy = yy = 0;
231
232    pulsesLeft = K;
233
234    /* Do a pre-search by projecting on the pyramid */
235    if (K > (N>>1))
236    {
237       celt_word16 rcp;
238       j=0; do {
239          sum += X[j];
240       }  while (++j<N);
241
242       /* If X is too small, just replace it with a pulse at 0 */
243 #ifdef FIXED_POINT
244       if (sum <= K)
245 #else
246       if (sum <= EPSILON)
247 #endif
248       {
249          X[0] = QCONST16(1.f,14);
250          j=1; do
251             X[j]=0;
252          while (++j<N);
253          sum = QCONST16(1.f,14);
254       }
255       /* Do we have sufficient accuracy here? */
256       rcp = EXTRACT16(MULT16_32_Q16(K-1, celt_rcp(sum)));
257       j=0; do {
258 #ifdef FIXED_POINT
259          /* It's really important to round *towards zero* here */
260          iy[j] = MULT16_16_Q15(X[j],rcp);
261 #else
262          iy[j] = (int)floor(rcp*X[j]);
263 #endif
264          y[j] = SHL16(iy[j],yshift);
265          yy = MAC16_16(yy, y[j],y[j]);
266          xy = MAC16_16(xy, X[j],y[j]);
267          y[j] *= 2;
268          pulsesLeft -= iy[j];
269       }  while (++j<N);
270    }
271    celt_assert2(pulsesLeft>=1, "Allocated too many pulses in the quick pass");
272
273    /* This should never happen, but just in case it does (e.g. on silence)
274       we fill the first bin with pulses. */
275 #ifdef FIXED_POINT_DEBUG
276    celt_assert2(pulsesLeft<=N+3, "Not enough pulses in the quick pass");
277 #endif
278    if (pulsesLeft > N+3)
279    {
280       celt_word16 tmp = SHL16(pulsesLeft, yshift);
281       yy = MAC16_16(yy, tmp, tmp);
282       yy = MAC16_16(yy, tmp, y[0]);
283       iy[0] += pulsesLeft;
284       pulsesLeft=0;
285    }
286
287    s = SHL16(1, yshift);
288    for (i=0;i<pulsesLeft;i++)
289    {
290       int best_id;
291       celt_word32 best_num = -VERY_LARGE16;
292       celt_word16 best_den = 0;
293 #ifdef FIXED_POINT
294       int rshift;
295 #endif
296 #ifdef FIXED_POINT
297       rshift = yshift+1+celt_ilog2(K-pulsesLeft+i+1);
298 #endif
299
300       best_id = 0;
301       /* The squared magnitude term gets added anyway, so we might as well 
302          add it outside the loop */
303       yy = MAC16_16(yy, s,s);
304       /* Choose between fast and accurate strategy depending on where we are in the search */
305          /* This should ensure that anything we can process will have a better score */
306       j=0;
307       do {
308          celt_word16 Rxy, Ryy;
309          /* Temporary sums of the new pulse(s) */
310          Rxy = EXTRACT16(SHR32(MAC16_16(xy, s,X[j]),rshift));
311          /* We're multiplying y[j] by two so we don't have to do it here */
312          Ryy = EXTRACT16(SHR32(MAC16_16(yy, s,y[j]),rshift));
313             
314          /* Approximate score: we maximise Rxy/sqrt(Ryy) (we're guaranteed that
315             Rxy is positive because the sign is pre-computed) */
316          Rxy = MULT16_16_Q15(Rxy,Rxy);
317          /* The idea is to check for num/den >= best_num/best_den, but that way
318             we can do it without any division */
319          /* OPT: Make sure to use conditional moves here */
320          if (MULT16_16(best_den, Rxy) > MULT16_16(Ryy, best_num))
321          {
322             best_den = Ryy;
323             best_num = Rxy;
324             best_id = j;
325          }
326       } while (++j<N);
327       
328       j = best_id;
329
330       /* Updating the sums of the new pulse(s) */
331       xy = xy + MULT16_16(s,X[j]);
332       /* We're multiplying y[j] by two so we don't have to do it here */
333       yy = yy + MULT16_16(s,y[j]);
334
335       /* Only now that we've made the final choice, update y/iy */
336       /* Multiplying y[j] by 2 so we don't have to do it everywhere else */
337       y[j] += 2*s;
338       iy[j]++;
339    }
340
341    /* Put the original sign back */
342    j=0;
343    do {
344       X[j] = MULT16_16(signx[j],X[j]);
345       if (signx[j] < 0)
346          iy[j] = -iy[j];
347    } while (++j<N);
348    encode_pulses(iy, N, K, enc);
349    
350    if (resynth)
351    {
352       normalise_residual(iy, X, N, K, EXTRACT16(SHR32(yy,2*yshift)), gain);
353       exp_rotation(X, N, -1, B, K, spread);
354    }
355    RESTORE_STACK;
356 }
357
358
359 /** Decode pulse vector and combine the result with the pitch vector to produce
360     the final normalised signal in the current band. */
361 void alg_unquant(celt_norm *X, int N, int K, int spread, int B,
362       celt_norm *lowband, ec_dec *dec, celt_int32 *seed, celt_word16 gain)
363 {
364    int i;
365    celt_word32 Ryy;
366    VARDECL(int, iy);
367    SAVE_STACK;
368
369    if (K==0)
370    {
371       if (lowband != NULL)
372       {
373          if (spread==2 && B<=1)
374          {
375             for (i=0;i<N;i++)
376             {
377                *seed = lcg_rand(*seed);
378                X[i] = (int)(*seed)>>20;
379             }
380          } else {
381             for (i=0;i<N;i++)
382                X[i] = lowband[i];
383          }
384          renormalise_vector(X, N, gain);
385       } else {
386          /* This is important for encoding the side in stereo mode */
387          for (i=0;i<N;i++)
388             X[i] = 0;
389       }
390       return;
391    }
392    K = get_pulses(K);
393    ALLOC(iy, N, int);
394    decode_pulses(iy, N, K, dec);
395    Ryy = 0;
396    i=0;
397    do {
398       Ryy = MAC16_16(Ryy, iy[i], iy[i]);
399    } while (++i < N);
400    normalise_residual(iy, X, N, K, Ryy, gain);
401    exp_rotation(X, N, -1, B, K, spread);
402    RESTORE_STACK;
403 }
404
405 celt_word16 vector_norm(const celt_norm *X, int N)
406 {
407    int i;
408    celt_word32 E = EPSILON;
409    const celt_norm *xptr = X;
410    for (i=0;i<N;i++)
411    {
412       E = MAC16_16(E, *xptr, *xptr);
413       xptr++;
414    }
415    return celt_sqrt(E);
416 }
417
418 void renormalise_vector(celt_norm *X, int N, celt_word16 gain)
419 {
420    int i;
421 #ifdef FIXED_POINT
422    int k;
423 #endif
424    celt_word32 E = EPSILON;
425    celt_word16 g;
426    celt_word32 t;
427    celt_norm *xptr = X;
428    for (i=0;i<N;i++)
429    {
430       E = MAC16_16(E, *xptr, *xptr);
431       xptr++;
432    }
433 #ifdef FIXED_POINT
434    k = celt_ilog2(E)>>1;
435 #endif
436    t = VSHR32(E, (k-7)<<1);
437    g = MULT16_16_P15(celt_rsqrt_norm(t),gain);
438
439    xptr = X;
440    for (i=0;i<N;i++)
441    {
442       *xptr = EXTRACT16(PSHR32(MULT16_16(g, *xptr), k+1));
443       xptr++;
444    }
445    /*return celt_sqrt(E);*/
446 }
447