No longer filling the stereo side with noise.
[opus.git] / libcelt / vq.c
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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 j, is;
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    while (pulsesLeft > 0)
274    {
275       int pulsesAtOnce=1;
276       int best_id;
277       celt_word16 magnitude;
278       celt_word32 best_num = -VERY_LARGE16;
279       celt_word16 best_den = 0;
280 #ifdef FIXED_POINT
281       int rshift;
282 #endif
283       /* Decide on how many pulses to find at once */
284       pulsesAtOnce = (pulsesLeft*N_1)>>9; /* pulsesLeft/N */
285       if (pulsesAtOnce<1)
286          pulsesAtOnce = 1;
287 #ifdef FIXED_POINT
288       rshift = yshift+1+celt_ilog2(K-pulsesLeft+pulsesAtOnce);
289 #endif
290       magnitude = SHL16(pulsesAtOnce, yshift);
291
292       best_id = 0;
293       /* The squared magnitude term gets added anyway, so we might as well 
294          add it outside the loop */
295       yy = MAC16_16(yy, magnitude,magnitude);
296       /* Choose between fast and accurate strategy depending on where we are in the search */
297          /* This should ensure that anything we can process will have a better score */
298       j=0;
299       do {
300          celt_word16 Rxy, Ryy;
301          /* Select sign based on X[j] alone */
302          s = magnitude;
303          /* Temporary sums of the new pulse(s) */
304          Rxy = EXTRACT16(SHR32(MAC16_16(xy, s,X[j]),rshift));
305          /* We're multiplying y[j] by two so we don't have to do it here */
306          Ryy = EXTRACT16(SHR32(MAC16_16(yy, s,y[j]),rshift));
307             
308          /* Approximate score: we maximise Rxy/sqrt(Ryy) (we're guaranteed that
309             Rxy is positive because the sign is pre-computed) */
310          Rxy = MULT16_16_Q15(Rxy,Rxy);
311          /* The idea is to check for num/den >= best_num/best_den, but that way
312             we can do it without any division */
313          /* OPT: Make sure to use conditional moves here */
314          if (MULT16_16(best_den, Rxy) > MULT16_16(Ryy, best_num))
315          {
316             best_den = Ryy;
317             best_num = Rxy;
318             best_id = j;
319          }
320       } while (++j<N);
321       
322       j = best_id;
323       is = pulsesAtOnce;
324       s = SHL16(is, yshift);
325
326       /* Updating the sums of the new pulse(s) */
327       xy = xy + MULT16_16(s,X[j]);
328       /* We're multiplying y[j] by two so we don't have to do it here */
329       yy = yy + MULT16_16(s,y[j]);
330
331       /* Only now that we've made the final choice, update y/iy */
332       /* Multiplying y[j] by 2 so we don't have to do it everywhere else */
333       y[j] += 2*s;
334       iy[j] += is;
335       pulsesLeft -= pulsesAtOnce;
336    }
337
338    /* Put the original sign back */
339    j=0;
340    do {
341       X[j] = MULT16_16(signx[j],X[j]);
342       if (signx[j] < 0)
343          iy[j] = -iy[j];
344    } while (++j<N);
345    encode_pulses(iy, N, K, enc);
346    
347    if (resynth)
348    {
349       normalise_residual(iy, X, N, K, EXTRACT16(SHR32(yy,2*yshift)), gain);
350       exp_rotation(X, N, -1, B, K, spread);
351    }
352    RESTORE_STACK;
353 }
354
355
356 /** Decode pulse vector and combine the result with the pitch vector to produce
357     the final normalised signal in the current band. */
358 void alg_unquant(celt_norm *X, int N, int K, int spread, int B,
359       celt_norm *lowband, ec_dec *dec, celt_int32 *seed, celt_word16 gain)
360 {
361    int i;
362    celt_word32 Ryy;
363    VARDECL(int, iy);
364    SAVE_STACK;
365
366    if (K==0)
367    {
368       if (lowband != NULL)
369       {
370          if (spread==2 && B<=1)
371          {
372             for (i=0;i<N;i++)
373             {
374                *seed = lcg_rand(*seed);
375                X[i] = (int)(*seed)>>20;
376             }
377          } else {
378             for (i=0;i<N;i++)
379                X[i] = lowband[i];
380          }
381          renormalise_vector(X, N, gain);
382       } else {
383          /* This is important for encoding the side in stereo mode */
384          for (i=0;i<N;i++)
385             X[i] = 0;
386       }
387       return;
388    }
389    K = get_pulses(K);
390    ALLOC(iy, N, int);
391    decode_pulses(iy, N, K, dec);
392    Ryy = 0;
393    i=0;
394    do {
395       Ryy = MAC16_16(Ryy, iy[i], iy[i]);
396    } while (++i < N);
397    normalise_residual(iy, X, N, K, Ryy, gain);
398    exp_rotation(X, N, -1, B, K, spread);
399    RESTORE_STACK;
400 }
401
402 celt_word16 vector_norm(const celt_norm *X, int N)
403 {
404    int i;
405    celt_word32 E = EPSILON;
406    const celt_norm *xptr = X;
407    for (i=0;i<N;i++)
408    {
409       E = MAC16_16(E, *xptr, *xptr);
410       xptr++;
411    }
412    return celt_sqrt(E);
413 }
414
415 void renormalise_vector(celt_norm *X, int N, celt_word16 gain)
416 {
417    int i;
418 #ifdef FIXED_POINT
419    int k;
420 #endif
421    celt_word32 E = EPSILON;
422    celt_word16 g;
423    celt_word32 t;
424    celt_norm *xptr = X;
425    for (i=0;i<N;i++)
426    {
427       E = MAC16_16(E, *xptr, *xptr);
428       xptr++;
429    }
430 #ifdef FIXED_POINT
431    k = celt_ilog2(E)>>1;
432 #endif
433    t = VSHR32(E, (k-7)<<1);
434    g = MULT16_16_P15(celt_rsqrt_norm(t),gain);
435
436    xptr = X;
437    for (i=0;i<N;i++)
438    {
439       *xptr = EXTRACT16(PSHR32(MULT16_16(g, *xptr), k+1));
440       xptr++;
441    }
442    /*return celt_sqrt(E);*/
443 }
444