cwrs.c links to derf's article on pulse vector encoding.
[opus.git] / libcelt / vq.c
index 7be9144..7403077 100644 (file)
 
 #include <math.h>
 #include <stdlib.h>
+#include "cwrs.h"
+#include "vq.h"
 
-/* Algebraic pulse-base quantiser. The signal x is replaced by the sum of the pitch 
-   a combination of pulses such that its norm is still equal to 1 */
-void alg_quant(float *x, int N, int K, float *p)
+/* Enable this or define your own implementation if you want to speed up the
+   VQ search (used in inner loop only) */
+#if 0
+#include <xmmintrin.h>
+static inline float approx_sqrt(float x)
 {
-   float y[N];
-   int i,j;
-   float xy = 0;
-   float yy = 0;
-   float yp = 0;
-   float Rpp=0;
-   float gain=0;
-   for (j=0;j<N;j++)
-      Rpp += p[j]*p[j];
-   for (i=0;i<N;i++)
-      y[i] = 0;
-      
-   for (i=0;i<K;i++)
-   {
-      int best_id=0;
-      float max_val=-1e10;
-      float best_xy=0, best_yy=0, best_yp = 0;
-      for (j=0;j<N;j++)
-      {
-         float tmp_xy, tmp_yy, tmp_yp;
-         float score;
-         float g;
-         tmp_xy = xy + fabs(x[j]);
-         tmp_yy = yy + 2*fabs(y[j]) + 1;
-         if (x[j]>0)
-            tmp_yp = yp + p[j];
-         else
-            tmp_yp = yp - p[j];
-         g = (sqrt(tmp_yp*tmp_yp + tmp_yy - tmp_yy*Rpp) - tmp_yp)/tmp_yy;
-         score = 2*g*tmp_xy - g*g*tmp_yy;
-         if (score>max_val)
-         {
-            max_val = score;
-            best_id = j;
-            best_xy = tmp_xy;
-            best_yy = tmp_yy;
-            best_yp = tmp_yp;
-            gain = g;
-         }
-      }
-
-      xy = best_xy;
-      yy = best_yy;
-      yp = best_yp;
-      if (x[best_id]>0)
-         y[best_id] += 1;
-      else
-         y[best_id] -= 1;
-   }
-   
-   for (i=0;i<N;i++)
-      x[i] = p[i]+gain*y[i];
-   
+   _mm_store_ss(&x, _mm_sqrt_ss(_mm_set_ss(x)));
+   return x;
 }
+static inline float approx_inv(float x)
+{
+   _mm_store_ss(&x, _mm_rcp_ss(_mm_set_ss(x)));
+   return x;
+}
+#else
+#define approx_sqrt(x) (sqrt(x))
+#define approx_inv(x) (1.f/(x))
+#endif
+
+struct NBest {
+   float score;
+   float gain;
+   int sign;
+   int pos;
+   int orig;
+   float xy;
+   float yy;
+   float yp;
+};
 
 /* Improved algebraic pulse-base quantiser. The signal x is replaced by the sum of the pitch 
    a combination of pulses such that its norm is still equal to 1. The only difference with 
    the quantiser above is that the search is more complete. */
-void alg_quant2(float *x, int N, int K, float *p)
+void alg_quant(float *x, float *W, int N, int K, float *p, float alpha, ec_enc *enc)
 {
-   int L = 5;
+   int L = 3;
    //float tata[200];
-   float y[L][N];
+   float _y[L][N];
+   int _iy[L][N];
    //float tata2[200];
-   float ny[L][N];
-   int i, j, m;
-   float xy[L], nxy[L];
-   float yy[L], nyy[L];
-   float yp[L], nyp[L];
-   float best_scores[L];
-   float Rpp=0;
-   float gain[L];
+   float _ny[L][N];
+   int _iny[L][N];
+   float *(ny[L]), *(y[L]);
+   int *(iny[L]), *(iy[L]);
+   int i, j, k, m;
+   int pulsesLeft;
+   float xy[L];
+   float yy[L];
+   float yp[L];
+   struct NBest _nbest[L];
+   struct NBest *(nbest[L]);
+   float Rpp=0, Rxp=0;
    int maxL = 1;
-   for (j=0;j<N;j++)
-      Rpp += p[j]*p[j];
-   for (m=0;m<L;m++)
-      for (i=0;i<N;i++)
-         y[m][i] = 0;
-      
+   
    for (m=0;m<L;m++)
-      for (i=0;i<N;i++)
-         ny[m][i] = 0;
-
+      nbest[m] = &_nbest[m];
+   
    for (m=0;m<L;m++)
-      xy[m] = yy[m] = yp[m] = gain[m] = 0;
+   {
+      ny[m] = _ny[m];
+      iny[m] = _iny[m];
+      y[m] = _y[m];
+      iy[m] = _iy[m];
+   }
+   
+   for (j=0;j<N;j++)
+   {
+      Rpp += p[j]*p[j];
+      Rxp += x[j]*p[j];
+   }
    
-   for (i=0;i<K;i++)
+   /* We only need to initialise the zero because the first iteration only uses that */
+   for (i=0;i<N;i++)
+      y[0][i] = 0;
+   for (i=0;i<N;i++)
+      iy[0][i] = 0;
+   xy[0] = yy[0] = yp[0] = 0;
+
+   pulsesLeft = K;
+   while (pulsesLeft > 0)
    {
+      int pulsesAtOnce=1;
+      int Lupdate = L;
       int L2 = L;
-      if (L>maxL)
+      
+      /* Decide on complexity strategy */
+      pulsesAtOnce = pulsesLeft/N;
+      if (pulsesAtOnce<1)
+         pulsesAtOnce = 1;
+      if (pulsesLeft-pulsesAtOnce > 3 || N > 30)
+         Lupdate = 1;
+      //printf ("%d %d %d/%d %d\n", Lupdate, pulsesAtOnce, pulsesLeft, K, N);
+      L2 = Lupdate;
+      if (L2>maxL)
       {
          L2 = maxL;
          maxL *= N;
       }
-      for (m=0;m<L;m++)
-         best_scores[m] = -1e10;
+
+      for (m=0;m<Lupdate;m++)
+         nbest[m]->score = -1e10f;
 
       for (m=0;m<L2;m++)
       {
          for (j=0;j<N;j++)
          {
-            //fprintf (stderr, "%d/%d %d/%d %d/%d\n", i, K, m, L2, j, N);
-            float tmp_xy, tmp_yy, tmp_yp;
-            float score;
-            float g;
-            tmp_xy = xy[m] + fabs(x[j]);
-            tmp_yy = yy[m] + 2*fabs(y[m][j]) + 1;
-            if (x[j]>0)
-               tmp_yp = yp[m] + p[j];
-            else
-               tmp_yp = yp[m] - p[j];
-            g = (sqrt(tmp_yp*tmp_yp + tmp_yy - tmp_yy*Rpp) - tmp_yp)/tmp_yy;
-            score = 2*g*tmp_xy - g*g*tmp_yy;
-
-            if (score>best_scores[L-1])
+            int sign;
+            /*if (x[j]>0) sign=1; else sign=-1;*/
+            for (sign=-1;sign<=1;sign+=2)
             {
-               int k, n;
-               int id = L-1;
-               while (id > 0 && score > best_scores[id-1])
-                  id--;
+               /* All pulses at one location must have the same sign. */
+               if (iy[m][j]*sign < 0)
+                  continue;
+               //fprintf (stderr, "%d/%d %d/%d %d/%d\n", i, K, m, L2, j, N);
+               float tmp_xy, tmp_yy, tmp_yp;
+               float score;
+               float g;
+               float s = sign*pulsesAtOnce;
                
-               for (k=L-1;k>id;k--)
+               /* Updating the sums of the new pulse(s) */
+               tmp_xy = xy[m] + s*x[j]               - alpha*s*p[j]*Rxp;
+               tmp_yy = yy[m] + 2.f*s*y[m][j] + s*s      +s*s*alpha*alpha*p[j]*p[j]*Rpp - 2.f*alpha*s*p[j]*yp[m] - 2.f*s*s*alpha*p[j]*p[j];
+               tmp_yp = yp[m] + s*p[j]               *(1.f-alpha*Rpp);
+               
+               /* Compute the gain such that ||p + g*y|| = 1 */
+               g = (approx_sqrt(tmp_yp*tmp_yp + tmp_yy - tmp_yy*Rpp) - tmp_yp)*approx_inv(tmp_yy);
+               /* Knowing that gain, what the error: (x-g*y)^2 
+                  (result is negated and we discard x^2 because it's constant) */
+               score = 2.f*g*tmp_xy - g*g*tmp_yy;
+
+               if (score>nbest[Lupdate-1]->score)
                {
-                  nxy[k] = nxy[k-1];
-                  nyy[k] = nyy[k-1];
-                  nyp[k] = nyp[k-1];
-                  //fprintf(stderr, "%d %d \n", N, k);
-                  for (n=0;n<N;n++)
-                     ny[k][n] = ny[k-1][n];
-                  gain[k] = gain[k-1];
-                  best_scores[k] = best_scores[k-1];
-               }
+                  int k, n;
+                  int id = Lupdate-1;
+                  struct NBest *tmp_best;
+
+                  /* Save some pointers that would be deleted and use them for the current entry*/
+                  tmp_best = nbest[Lupdate-1];
+                  while (id > 0 && score > nbest[id-1]->score)
+                     id--;
+               
+                  for (k=Lupdate-1;k>id;k--)
+                     nbest[k] = nbest[k-1];
 
-               nxy[id] = tmp_xy;
-               nyy[id] = tmp_yy;
-               nyp[id] = tmp_yp;
-               gain[id] = g;
-               for (n=0;n<N;n++)
-                  ny[id][n] = y[m][n];
-               if (x[j]>0)
-                  ny[id][j] += 1;
-               else
-                  ny[id][j] -= 1;
-               best_scores[id] = score;
+                  nbest[id] = tmp_best;
+                  nbest[id]->score = score;
+                  nbest[id]->pos = j;
+                  nbest[id]->orig = m;
+                  nbest[id]->sign = sign;
+                  nbest[id]->gain = g;
+                  nbest[id]->xy = tmp_xy;
+                  nbest[id]->yy = tmp_yy;
+                  nbest[id]->yp = tmp_yp;
+               }
             }
-            
          }
-         
+
       }
-      int k,n;
-      for (k=0;k<L;k++)
+      /* Only now that we've made the final choice, update ny/iny and others */
+      for (k=0;k<Lupdate;k++)
       {
-         xy[k] = nxy[k];
-         yy[k] = nyy[k];
-         yp[k] = nyp[k];
+         int n;
+         int is;
+         float s;
+         is = nbest[k]->sign*pulsesAtOnce;
+         s = is;
          for (n=0;n<N;n++)
-            y[k][n] = ny[k][n];
+            ny[k][n] = y[nbest[k]->orig][n] - alpha*s*p[nbest[k]->pos]*p[n];
+         ny[k][nbest[k]->pos] += s;
+
+         for (n=0;n<N;n++)
+            iny[k][n] = iy[nbest[k]->orig][n];
+         iny[k][nbest[k]->pos] += is;
+
+         xy[k] = nbest[k]->xy;
+         yy[k] = nbest[k]->yy;
+         yp[k] = nbest[k]->yp;
       }
+      /* Swap ny/iny with y/iy */
+      for (k=0;k<Lupdate;k++)
+      {
+         float *tmp_ny;
+         int *tmp_iny;
 
+         tmp_ny = ny[k];
+         ny[k] = y[k];
+         y[k] = tmp_ny;
+         tmp_iny = iny[k];
+         iny[k] = iy[k];
+         iy[k] = tmp_iny;
+      }
+      pulsesLeft -= pulsesAtOnce;
    }
    
+   if (0) {
+      float err=0;
+      for (i=0;i<N;i++)
+         err += (x[i]-nbest[0]->gain*y[0][i])*(x[i]-nbest[0]->gain*y[0][i]);
+      //if (N<=10)
+      //printf ("%f %d %d\n", err, K, N);
+   }
    for (i=0;i<N;i++)
-      x[i] = p[i]+gain[0]*y[0][i];
+      x[i] = p[i]+nbest[0]->gain*y[0][i];
+   /* Sanity checks, don't bother */
+   if (0) {
+      float E=1e-15;
+      int ABS = 0;
+      for (i=0;i<N;i++)
+         ABS += abs(iy[0][i]);
+      //if (K != ABS)
+      //   printf ("%d %d\n", K, ABS);
+      for (i=0;i<N;i++)
+         E += x[i]*x[i];
+      //printf ("%f\n", E);
+      E = 1/sqrt(E);
+      for (i=0;i<N;i++)
+         x[i] *= E;
+   }
    
+   encode_pulses(iy[0], N, K, enc);
+   
+   /* Recompute the gain in one pass to reduce the encoder-decoder mismatch
+      due to the recursive computation used in quantisation.
+      Not quite sure whether we need that or not */
+   if (1) {
+      float Ryp=0;
+      float Ryy=0;
+      float g=0;
+      
+      for (i=0;i<N;i++)
+         Ryp += iy[0][i]*p[i];
+      
+      for (i=0;i<N;i++)
+         y[0][i] = iy[0][i] - alpha*Ryp*p[i];
+      
+      Ryp = 0;
+      for (i=0;i<N;i++)
+         Ryp += y[0][i]*p[i];
+      
+      for (i=0;i<N;i++)
+         Ryy += y[0][i]*y[0][i];
+      
+      g = (sqrt(Ryp*Ryp + Ryy - Ryy*Rpp) - Ryp)/Ryy;
+        
+      for (i=0;i<N;i++)
+         x[i] = p[i] + g*y[0][i];
+      
+   }
+
 }
 
-/* Just replace the band with noise of unit energy */
-void noise_quant(float *x, int N, int K, float *p)
+void alg_unquant(float *x, int N, int K, float *p, float alpha, ec_dec *dec)
 {
    int i;
-   float E = 1e-10;
+   int iy[N];
+   float y[N];
+   float Rpp=0, Ryp=0, Ryy=0;
+   float g;
+
+   decode_pulses(iy, N, K, dec);
+
+   //for (i=0;i<N;i++)
+   //   printf ("%d ", iy[i]);
+   for (i=0;i<N;i++)
+      Rpp += p[i]*p[i];
+
+   for (i=0;i<N;i++)
+      Ryp += iy[i]*p[i];
+
+   for (i=0;i<N;i++)
+      y[i] = iy[i] - alpha*Ryp*p[i];
+
+   /* Recompute after the projection (I think it's right) */
+   Ryp = 0;
+   for (i=0;i<N;i++)
+      Ryp += y[i]*p[i];
+
+   for (i=0;i<N;i++)
+      Ryy += y[i]*y[i];
+
+   g = (sqrt(Ryp*Ryp + Ryy - Ryy*Rpp) - Ryp)/Ryy;
+
    for (i=0;i<N;i++)
+      x[i] = p[i] + g*y[i];
+}
+
+
+static const float pg[11] = {1.f, .75f, .65f, 0.6f, 0.6f, .6f, .55f, .55f, .5f, .5f, .5f};
+
+void intra_prediction(float *x, float *W, int N, int K, float *Y, float *P, int B, int N0, ec_enc *enc)
+{
+   int i,j;
+   int best=0;
+   float best_score=0;
+   float s = 1;
+   int sign;
+   float E;
+   int max_pos = N0-N/B;
+   if (max_pos > 32)
+      max_pos = 32;
+
+   for (i=0;i<max_pos*B;i+=B)
    {
-      x[i] = (rand()%1000)/500.-1;
-      E += x[i]*x[i];
+      int j;
+      float xy=0, yy=0;
+      float score;
+      for (j=0;j<N;j++)
+      {
+         xy += x[j]*Y[i+j];
+         yy += Y[i+j]*Y[i+j];
+      }
+      score = xy*xy/(.001+yy);
+      if (score > best_score)
+      {
+         best_score = score;
+         best = i;
+         if (xy>0)
+            s = 1;
+         else
+            s = -1;
+      }
    }
-   E = 1./sqrt(E);
-   for (i=0;i<N;i++)
+   if (s<0)
+      sign = 1;
+   else
+      sign = 0;
+   //printf ("%d %d ", sign, best);
+   ec_enc_uint(enc,sign,2);
+   ec_enc_uint(enc,best/B,max_pos);
+   //printf ("%d %f\n", best, best_score);
+   
+   float pred_gain;
+   if (K>10)
+      pred_gain = pg[10];
+   else
+      pred_gain = pg[K];
+   E = 1e-10;
+   for (j=0;j<N;j++)
    {
-      x[i] *= E;
+      P[j] = s*Y[best+j];
+      E += P[j]*P[j];
+   }
+   E = pred_gain/sqrt(E);
+   for (j=0;j<N;j++)
+      P[j] *= E;
+   if (K>0)
+   {
+      for (j=0;j<N;j++)
+         x[j] -= P[j];
+   } else {
+      for (j=0;j<N;j++)
+         x[j] = P[j];
+   }
+   //printf ("quant ");
+   //for (j=0;j<N;j++) printf ("%f ", P[j]);
+
+}
+
+void intra_unquant(float *x, int N, int K, float *Y, float *P, int B, int N0, ec_dec *dec)
+{
+   int j;
+   int sign;
+   float s;
+   int best;
+   float E;
+   int max_pos = N0-N/B;
+   if (max_pos > 32)
+      max_pos = 32;
+   
+   sign = ec_dec_uint(dec, 2);
+   if (sign == 0)
+      s = 1;
+   else
+      s = -1;
+   
+   best = B*ec_dec_uint(dec, max_pos);
+   //printf ("%d %d ", sign, best);
+
+   float pred_gain;
+   if (K>10)
+      pred_gain = pg[10];
+   else
+      pred_gain = pg[K];
+   E = 1e-10;
+   for (j=0;j<N;j++)
+   {
+      P[j] = s*Y[best+j];
+      E += P[j]*P[j];
+   }
+   E = pred_gain/sqrt(E);
+   for (j=0;j<N;j++)
+      P[j] *= E;
+   if (K==0)
+   {
+      for (j=0;j<N;j++)
+         x[j] = P[j];
    }
 }
+
+void intra_fold(float *x, int N, float *Y, float *P, int B, int N0, int Nmax)
+{
+   int i, j;
+   float E;
+   
+   E = 1e-10;
+   if (N0 >= Nmax/2)
+   {
+      for (i=0;i<B;i++)
+      {
+         for (j=0;j<N/B;j++)
+         {
+            P[j*B+i] = Y[(Nmax-N0-j-1)*B+i];
+            E += P[j*B+i]*P[j*B+i];
+         }
+      }
+   } else {
+      for (j=0;j<N;j++)
+      {
+         P[j] = Y[j];
+         E += P[j]*P[j];
+      }
+   }
+   E = 1.f/sqrt(E);
+   for (j=0;j<N;j++)
+      P[j] *= E;
+   for (j=0;j<N;j++)
+      x[j] = P[j];
+}
+