optimisation: reworked intra_prediction() so that yy is computed fully only
[opus.git] / libcelt / vq.c
1 /* (C) 2007-2008 Jean-Marc Valin, CSIRO
2 */
3 /*
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6    are met:
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10    
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12    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
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30 */
31
32 #ifdef HAVE_CONFIG_H
33 #include "config.h"
34 #endif
35
36 #include "mathops.h"
37 #include "cwrs.h"
38 #include "vq.h"
39 #include "arch.h"
40 #include "os_support.h"
41
42 /** Takes the pitch vector and the decoded residual vector, computes the gain
43     that will give ||p+g*y||=1 and mixes the residual with the pitch. */
44 static void mix_pitch_and_residual(int * restrict iy, celt_norm_t * restrict X, int N, int K, const celt_norm_t * restrict P)
45 {
46    int i;
47    celt_word32_t Ryp, Ryy, Rpp;
48    celt_word32_t g;
49    VARDECL(celt_norm_t, y);
50 #ifdef FIXED_POINT
51    int yshift;
52 #endif
53    SAVE_STACK;
54 #ifdef FIXED_POINT
55    yshift = 13-celt_ilog2(K);
56 #endif
57    ALLOC(y, N, celt_norm_t);
58
59    /*for (i=0;i<N;i++)
60    printf ("%d ", iy[i]);*/
61    Rpp = 0;
62    i=0;
63    do {
64       Rpp = MAC16_16(Rpp,P[i],P[i]);
65       y[i] = SHL16(iy[i],yshift);
66    } while (++i < N);
67
68    Ryp = 0;
69    Ryy = 0;
70    /* If this doesn't generate a dual MAC (on supported archs), fire the compiler guy */
71    i=0;
72    do {
73       Ryp = MAC16_16(Ryp, y[i], P[i]);
74       Ryy = MAC16_16(Ryy, y[i], y[i]);
75    } while (++i < N);
76
77    /* g = (sqrt(Ryp^2 + Ryy - Rpp*Ryy)-Ryp)/Ryy */
78    g = MULT16_32_Q15(
79             celt_sqrt(MULT16_16(ROUND16(Ryp,14),ROUND16(Ryp,14)) + Ryy -
80                       MULT16_16(ROUND16(Ryy,14),ROUND16(Rpp,14)))
81             - ROUND16(Ryp,14),
82        celt_rcp(SHR32(Ryy,9)));
83
84    i=0;
85    do 
86       X[i] = P[i] + ROUND16(MULT16_16(y[i], g),11);
87    while (++i < N);
88
89    RESTORE_STACK;
90 }
91
92
93 void alg_quant(celt_norm_t *X, celt_mask_t *W, int N, int K, const celt_norm_t *P, ec_enc *enc)
94 {
95    VARDECL(celt_norm_t, y);
96    VARDECL(int, iy);
97    VARDECL(int, signx);
98    int j, is;
99    celt_word16_t s;
100    int pulsesLeft;
101    celt_word32_t sum;
102    celt_word32_t xy, yy, yp;
103    celt_word16_t Rpp;
104    int N_1; /* Inverse of N, in Q14 format (even for float) */
105 #ifdef FIXED_POINT
106    int yshift;
107 #endif
108    SAVE_STACK;
109
110 #ifdef FIXED_POINT
111    yshift = 13-celt_ilog2(K);
112 #endif
113
114    ALLOC(y, N, celt_norm_t);
115    ALLOC(iy, N, int);
116    ALLOC(signx, N, int);
117    N_1 = 512/N;
118
119    sum = 0;
120    for (j=0;j<N;j++)
121    {
122       if (X[j]>0)
123          signx[j]=1;
124       else
125          signx[j]=-1;
126       iy[j] = 0;
127       y[j] = 0;
128       sum = MAC16_16(sum, P[j],P[j]);
129    }
130    Rpp = ROUND16(sum, NORM_SHIFT);
131
132    celt_assert2(Rpp<=NORM_SCALING, "Rpp should never have a norm greater than unity");
133
134    xy = yy = yp = 0;
135
136    pulsesLeft = K;
137    while (pulsesLeft > 0)
138    {
139       int pulsesAtOnce=1;
140       int best_id;
141       celt_word16_t magnitude;
142 #ifdef FIXED_POINT
143       int rshift;
144 #endif
145       /* Decide on how many pulses to find at once */
146       pulsesAtOnce = (pulsesLeft*N_1)>>9; /* pulsesLeft/N */
147       if (pulsesAtOnce<1)
148          pulsesAtOnce = 1;
149 #ifdef FIXED_POINT
150       rshift = yshift+1+celt_ilog2(K-pulsesLeft+pulsesAtOnce);
151 #endif
152       magnitude = SHL16(pulsesAtOnce, yshift);
153
154       best_id = 0;
155       /* The squared magnitude term gets added anyway, so we might as well 
156          add it outside the loop */
157       yy = ADD32(yy, MULT16_16(magnitude,magnitude));
158       /* Choose between fast and accurate strategy depending on where we are in the search */
159       if (pulsesLeft>1)
160       {
161          /* This should ensure that anything we can process will have a better score */
162          celt_word32_t best_num = -VERY_LARGE16;
163          celt_word16_t best_den = 0;
164          j=0;
165          do {
166             celt_word16_t Rxy, Ryy;
167             /* Select sign based on X[j] alone */
168             s = signx[j]*magnitude;
169             /* Temporary sums of the new pulse(s) */
170             Rxy = EXTRACT16(SHR32(xy + MULT16_16(s,X[j]),rshift));
171             /* We're multiplying y[j] by two so we don't have to do it here */
172             Ryy = EXTRACT16(SHR32(yy + MULT16_16(s,y[j]),rshift));
173             
174             /* Approximate score: we maximise Rxy/sqrt(Ryy) (we're guaranteed that 
175                Rxy is positive because the sign is pre-computed) */
176             Rxy = MULT16_16_Q15(Rxy,Rxy);
177             /* The idea is to check for num/den >= best_num/best_den, but that way
178                we can do it without any division */
179             /* OPT: Make sure to use conditional moves here */
180             if (MULT16_16(best_den, Rxy) > MULT16_16(Ryy, best_num))
181             {
182                best_den = Ryy;
183                best_num = Rxy;
184                best_id = j;
185             }
186          } while (++j<N);
187       } else {
188          celt_word16_t g;
189          celt_word16_t best_num = -VERY_LARGE16;
190          celt_word16_t best_den = 0;
191          j=0;
192          do {
193             celt_word16_t Rxy, Ryy, Ryp;
194             celt_word16_t num;
195             /* Select sign based on X[j] alone */
196             s = signx[j]*magnitude;
197             /* Temporary sums of the new pulse(s) */
198             /* We only shift by 13 so we don't have to multiply by 2 later */
199             Rxy = ROUND16(xy + MULT16_16(s,X[j]), 13);
200             /* We're multiplying y[j] by two so we don't have to do it here */
201             Ryy = ROUND16(yy + MULT16_16(s,y[j]), 14);
202             Ryp = ROUND16(yp + MULT16_16(s,P[j]), 14);
203
204             /* Compute the gain such that ||p + g*y|| = 1 
205                ...but instead, we compute g*Ryy to avoid dividing */
206             g = celt_psqrt(MULT16_16(Ryp,Ryp) + MULT16_16(Ryy,QCONST16(1.f,14)-Rpp)) - Ryp;
207             /* Knowing that gain, what's the error: (x-g*y)^2 
208                (result is negated and we discard x^2 because it's constant) */
209             /* score = 2*g*Rxy - g*g*Ryy;*/
210 #ifdef FIXED_POINT
211             /* No need to multiply Rxy by 2 because we did it earlier */
212             num = EXTRACT16(SHR32(MULT16_16(SUB16(Rxy,g),g),15));
213 #else
214             num = g*(2*Rxy-g);
215 #endif
216             if (MULT16_16(best_den, num) > MULT16_16(Ryy, best_num))
217             {
218                best_den = Ryy;
219                best_num = num;
220                best_id = j;
221             }
222          } while (++j<N);
223       }
224       
225       j = best_id;
226       is = signx[j]*pulsesAtOnce;
227       s = SHL16(is, yshift);
228
229       /* Updating the sums of the new pulse(s) */
230       xy = xy + MULT16_16(s,X[j]);
231       /* We're multiplying y[j] by two so we don't have to do it here */
232       yy = yy + MULT16_16(s,y[j]);
233       yp = yp + MULT16_16(s, P[j]);
234
235       /* Only now that we've made the final choice, update y/iy */
236       /* Multiplying y[j] by 2 so we don't have to do it everywhere else */
237       y[j] += 2*s;
238       iy[j] += is;
239       pulsesLeft -= pulsesAtOnce;
240    }
241    
242    encode_pulses(iy, N, K, enc);
243    
244    /* Recompute the gain in one pass to reduce the encoder-decoder mismatch
245    due to the recursive computation used in quantisation. */
246    mix_pitch_and_residual(iy, X, N, K, P);
247    RESTORE_STACK;
248 }
249
250
251 /** Decode pulse vector and combine the result with the pitch vector to produce
252     the final normalised signal in the current band. */
253 void alg_unquant(celt_norm_t *X, int N, int K, celt_norm_t *P, ec_dec *dec)
254 {
255    VARDECL(int, iy);
256    SAVE_STACK;
257    ALLOC(iy, N, int);
258    decode_pulses(iy, N, K, dec);
259    mix_pitch_and_residual(iy, X, N, K, P);
260    RESTORE_STACK;
261 }
262
263 #ifdef FIXED_POINT
264 static const celt_word16_t pg[11] = {32767, 24576, 21299, 19661, 19661, 19661, 18022, 18022, 16384, 16384, 16384};
265 #else
266 static const celt_word16_t pg[11] = {1.f, .75f, .65f, 0.6f, 0.6f, .6f, .55f, .55f, .5f, .5f, .5f};
267 #endif
268
269 #define MAX_INTRA 32
270 #define LOG_MAX_INTRA 5
271       
272 void intra_prediction(celt_norm_t *x, celt_mask_t *W, int N, int K, celt_norm_t *Y, celt_norm_t * restrict P, int B, int N0, ec_enc *enc)
273 {
274    int i,j,c;
275    int best=0;
276    celt_word16_t best_num=-VERY_LARGE16;
277    celt_word16_t best_den=0;
278    celt_word16_t s = 1;
279    int sign;
280    celt_word32_t E;
281    celt_word16_t pred_gain;
282    int max_pos = N0-N;
283    celt_word32_t yy=0;
284    VARDECL(celt_norm_t, Xr);
285    SAVE_STACK;
286
287    ALLOC(Xr, B*N, celt_norm_t);
288    
289    if (max_pos > MAX_INTRA)
290       max_pos = MAX_INTRA;
291
292    /* Reverse the samples of x without reversing the channels */
293    for (c=0;c<B;c++)
294       for (j=0;j<N;j++)
295          Xr[B*N-B*j-B+c] = x[B*j+c];
296
297    /* Compute yy for i=0 */
298    j=0;
299    do {
300       yy = MAC16_16(yy, Y[j], Y[j]);
301    } while (++j<B*N); /* Promises we loop at least once */
302
303    for (i=0;i<max_pos;i++)
304    {
305       celt_word32_t xy=0;
306       celt_word16_t num, den;
307       const celt_word16_t * restrict xp = Xr;
308       const celt_word16_t * restrict yp = Y+B*i;
309       j=0;
310       do {
311          xy = MAC16_16(xy, *xp++, *yp++);
312       } while (++j<B*N); /* Promises we loop at least once */
313       /* Using xy^2/yy as the score but without having to do the division */
314       num = MULT16_16_Q15(ROUND16(xy,14),ROUND16(xy,14));
315       den = ROUND16(yy,14);
316       /* If you're really desperate for speed, just use xy as the score */
317       /* OPT: Make sure to use a conditional move here */
318       if (MULT16_16(best_den, num) >  MULT16_16(den, best_num))
319       {
320          best_num = num;
321          best_den = den;
322          best = i;
323          /* Store xy as the sign. We'll normalise it to +/- 1 later. */
324          s = ROUND16(xy,14);
325       }
326       /* Update yy for the next iteration */
327       yp = Y+B*i;
328       j=0;
329       do {
330          yy = yy - MULT16_16(*yp, *yp) + MULT16_16(yp[B*N], yp[B*N]);
331          yp++;
332       } while (++j<B);
333    }
334    if (s<0)
335    {
336       s = -1;
337       sign = 1;
338    } else {
339       s = 1;
340       sign = 0;
341    }
342    /*printf ("%d %d ", sign, best);*/
343    ec_enc_bits(enc,sign,1);
344    if (max_pos == MAX_INTRA)
345       ec_enc_bits(enc,best,LOG_MAX_INTRA);
346    else
347       ec_enc_uint(enc,best,max_pos);
348
349    /*printf ("%d %f\n", best, best_score);*/
350    
351    if (K>10)
352       pred_gain = pg[10];
353    else
354       pred_gain = pg[K];
355    E = EPSILON;
356    for (c=0;c<B;c++)
357    {
358       for (j=0;j<N;j++)
359       {
360          P[B*j+c] = s*Y[B*best+B*(N-j-1)+c];
361          E = MAC16_16(E, P[j],P[j]);
362       }
363    }
364    /*pred_gain = pred_gain/sqrt(E);*/
365    pred_gain = MULT16_16_Q15(pred_gain,celt_rcp(SHL32(celt_sqrt(E),9)));
366    for (j=0;j<B*N;j++)
367       P[j] = PSHR32(MULT16_16(pred_gain, P[j]),8);
368    if (K>0)
369    {
370       for (j=0;j<B*N;j++)
371          x[j] -= P[j];
372    } else {
373       for (j=0;j<B*N;j++)
374          x[j] = P[j];
375    }
376    /*printf ("quant ");*/
377    /*for (j=0;j<N;j++) printf ("%f ", P[j]);*/
378    RESTORE_STACK;
379 }
380
381 void intra_unquant(celt_norm_t *x, int N, int K, celt_norm_t *Y, celt_norm_t * restrict P, int B, int N0, ec_dec *dec)
382 {
383    int j, c;
384    int sign;
385    celt_word16_t s;
386    int best;
387    celt_word32_t E;
388    celt_word16_t pred_gain;
389    int max_pos = N0-N;
390    if (max_pos > MAX_INTRA)
391       max_pos = MAX_INTRA;
392    
393    sign = ec_dec_bits(dec, 1);
394    if (sign == 0)
395       s = 1;
396    else
397       s = -1;
398    
399    if (max_pos == MAX_INTRA)
400       best = B*ec_dec_bits(dec, LOG_MAX_INTRA);
401    else
402       best = B*ec_dec_uint(dec, max_pos);
403    /*printf ("%d %d ", sign, best);*/
404
405    if (K>10)
406       pred_gain = pg[10];
407    else
408       pred_gain = pg[K];
409    E = EPSILON;
410    for (c=0;c<B;c++)
411    {
412       for (j=0;j<N;j++)
413       {
414          P[B*j+c] = s*Y[best+B*(N-j-1)+c];
415          E = MAC16_16(E, P[j],P[j]);
416       }
417    }
418    /*pred_gain = pred_gain/sqrt(E);*/
419    pred_gain = MULT16_16_Q15(pred_gain,celt_rcp(SHL32(celt_sqrt(E),9)));
420    for (j=0;j<B*N;j++)
421       P[j] = PSHR32(MULT16_16(pred_gain, P[j]),8);
422    if (K==0)
423    {
424       for (j=0;j<B*N;j++)
425          x[j] = P[j];
426    }
427 }
428
429 void intra_fold(celt_norm_t *x, int N, celt_norm_t *Y, celt_norm_t * restrict P, int B, int N0, int Nmax)
430 {
431    int i, j;
432    celt_word32_t E;
433    celt_word16_t g;
434    
435    E = EPSILON;
436    if (N0 >= (Nmax>>1))
437    {
438       for (i=0;i<B;i++)
439       {
440          for (j=0;j<N;j++)
441          {
442             P[j*B+i] = Y[(Nmax-N0-j-1)*B+i];
443             E += P[j*B+i]*P[j*B+i];
444          }
445       }
446    } else {
447       for (j=0;j<B*N;j++)
448       {
449          P[j] = Y[j];
450          E = MAC16_16(E, P[j],P[j]);
451       }
452    }
453    g = celt_rcp(SHL32(celt_sqrt(E),9));
454    for (j=0;j<B*N;j++)
455       P[j] = PSHR32(MULT16_16(g, P[j]),8);
456    for (j=0;j<B*N;j++)
457       x[j] = P[j];
458 }
459