Speed improvements (got rid of a couple divide ops), cleanup...
[speexdsp.git] / libspeex / cb_search.c
index 47d9641..8584175 100644 (file)
@@ -1,3 +1,4 @@
+/* Original copyright */
 /*-----------------------------------------------------------------------*\
 
     FILE........: GAINSHAPE.C
@@ -10,6 +11,7 @@
 
 \*-----------------------------------------------------------------------*/
 
+
 /* Modified by Jean-Marc Valin 2002
 
    This library is free software; you can redistribute it and/or
 #include "filters.h"
 #include <math.h>
 #include <stdio.h>
+#include "stack_alloc.h"
+#include "vq.h"
+#include "matrix.h"
+
+static float scal_gains4[16] = {
+   0.27713,
+   0.49282,
+   0.69570,
+   0.90786,
+   1.14235,
+   1.42798,
+   1.80756,
+   2.42801
+};
 
-#define EXC_CB_SIZE 128
-#define min(a,b) ((a) < (b) ? (a) : (b))
-extern float exc_gains_table[128][5];
 
 /*---------------------------------------------------------------------------*\
                                                                              
@@ -84,7 +97,7 @@ int   nsf                       /* number of samples in subframe */
   bscore = 0.0;
   impulse[0] = 1.0;
 
-  /* Calculate impulse response of  A(z/g2) / ( A(z)*(z/g1) ) */
+  /* Calculate impulse response of  A(z/g1) / ( A(z)*(z/g2) ) */
   residue_zero(impulse, awk1, h, nsf, p);
   syn_filt_zero(h, ak, h, nsf, p);
   syn_filt_zero(h, awk2, h, nsf,p);
@@ -129,216 +142,231 @@ int   nsf                       /* number of samples in subframe */
 
 
 
-
-
 void split_cb_search(
 float target[],                        /* target vector */
 float ak[],                    /* LPCs for this subframe */
 float awk1[],                  /* Weighted LPCs for this subframe */
 float awk2[],                  /* Weighted LPCs for this subframe */
-float codebook[][8],           /* non-overlapping codebook */
-int   entries,                 /* number of entries to search */
-float *gain,                   /* gain of optimum entries */
-int   *index,                  /* index of optimum entries */
+void *par,                      /* Codebook/search parameters*/
 int   p,                        /* number of LPC coeffs */
 int   nsf,                      /* number of samples in subframe */
 float *exc,
-FrameBits *bits
+FrameBits *bits,
+float *stack
 )
 {
-   int i,j;
-   float resp[EXC_CB_SIZE][8], E[EXC_CB_SIZE], Ee[EXC_CB_SIZE];
-   float t[40], r[40], e[40];
-   float gains[5];
-   int ind[5];
-   for (i=0;i<40;i++)
+   int i,j, id;
+   float *resp, *E, q;
+   float *t, *r, *e;
+   float *gains;
+   int *ind;
+   float *shape_cb;
+   int shape_cb_size, subvect_size, nb_subvect;
+   float exc_energy=0;
+   split_cb_params *params;
+
+   params = (split_cb_params *) par;
+   subvect_size = params->subvect_size;
+   nb_subvect = params->nb_subvect;
+   shape_cb_size = 1<<params->shape_bits;
+   shape_cb = params->shape_cb;
+   resp = PUSH(stack, shape_cb_size*subvect_size);
+   E = PUSH(stack, shape_cb_size);
+   t = PUSH(stack, nsf);
+   r = PUSH(stack, nsf);
+   e = PUSH(stack, nsf);
+   gains = PUSH(stack, nb_subvect);
+   ind = (int*)PUSH(stack, nb_subvect);
+
+   /* Compute energy of the "real excitation" */
+   syn_filt_zero(target, awk1, e, nsf, p);
+   residue_zero(e, ak, e, nsf, p);
+   residue_zero(e, awk2, e, nsf, p);
+   for (i=0;i<nsf;i++)
+      exc_energy += e[i]*e[i];
+   exc_energy=sqrt(exc_energy/nb_subvect);
+
+   /* Quantize global ("average") gain */
+   q=log(exc_energy+.1);
+   q=floor(.5+2*(q-2));
+   if (q<0)
+      q=0;
+   if (q>15)
+      q=15;
+   id = (int)q;
+   frame_bits_pack(bits, id, 4);
+   exc_energy=exp(.5*q+2);
+
+
+   for (i=0;i<nsf;i++)
       t[i]=target[i];
-   for (i=0;i<EXC_CB_SIZE;i++)
+
+   e[0]=1;
+   for (i=1;i<nsf;i++)
+      e[i]=0;
+   residue_zero(e, awk1, r, nsf, p);
+   syn_filt_zero(r, ak, r, nsf, p);
+   syn_filt_zero(r, awk2, r, nsf,p);
+   
+   /* Pre-compute codewords response and energy */
+   for (i=0;i<shape_cb_size;i++)
    {
-      residue_zero(codebook[i], awk1, resp[i], 8, p);
-      syn_filt_zero(resp[i], ak, resp[i], 8, p);
-      syn_filt_zero(resp[i], awk2, resp[i], 8,p);
+      float *res = resp+i*subvect_size;
+
+      /* Compute codeword response */
+      int k;
+      for(j=0;j<subvect_size;j++)
+         res[j]=0;
+      for(j=0;j<subvect_size;j++)
+      {
+         for (k=j;k<subvect_size;k++)
+            res[k]+=shape_cb[i*subvect_size+j]*r[k-j];
+      }
+      /* Compute energy of codeword response */
       E[i]=0;
-      for(j=0;j<8;j++)
-         E[i]+=resp[i][j]*resp[i][j];
-      Ee[i]=0;
-      for(j=0;j<8;j++)
-         Ee[i]+=codebook[i][j]*codebook[i][j];
-      
+      for(j=0;j<subvect_size;j++)
+         E[i]+=res[j]*res[j];
+      E[i]=1/(.001+E[i]);
    }
-   for (i=0;i<5;i++)
+
+   for (i=0;i<nb_subvect;i++)
    {
-      int best_index=0;
+      int best_index=0, k, m;
       float g, corr, best_gain=0, score, best_score=-1;
-      for (j=0;j<EXC_CB_SIZE;j++)
+      /* Find best codeword for current sub-vector */
+      for (j=0;j<shape_cb_size;j++)
       {
-         corr=xcorr(resp[j],t+8*i,8);
-         score=corr*corr/(.001+E[j]);
-         g = corr/(.001+E[j]);
+         corr=xcorr(resp+j*subvect_size,t+subvect_size*i,subvect_size);
+         score=corr*corr*E[j];
+         g = corr*E[j];
          if (score>best_score)
          {
             best_index=j;
             best_score=score;
-            best_gain=corr/(.001+E[j]);
+            best_gain=g;
          }
       }
-      frame_bits_pack(bits,best_index,7);
-      if (best_gain>0)
-         frame_bits_pack(bits,0,1);
-      else
-          frame_bits_pack(bits,1,1);        
-      ind[i]=best_index;
-      gains[i]=best_gain*Ee[ind[i]];
-      if (0) { /* Simulating scalar quantization of the gain*/
-         float sign=1;
-         printf("before: %f\n", best_gain);
+      frame_bits_pack(bits,best_index,params->shape_bits);
+      
+      /* Quantize gain */
+      {
+         int s=0, best_id;
+         best_gain /= .01+exc_energy;
          if (best_gain<0)
          {
-            sign=-1;
+            best_gain=-best_gain;
+            s=1;
          }
-         best_gain = fabs(best_gain)+.1;
-         best_gain = log(best_gain);
-         if (best_gain>8)
-            best_gain=8;
-         if (best_gain<0)
-            best_gain=0;
-         /*best_gain=.125*floor(8*best_gain+.5);*/
-         best_gain=.25*floor(4*best_gain+.5);
-         best_gain=sign*exp(best_gain);
-         if (fabs(best_gain)<1.01)
-            best_gain=0;
-         printf("after: %f\n", best_gain);
-      }
 
-      printf ("search: %d %f %f %f\n", best_index, best_gain, best_gain*best_gain*E[best_index], best_score);
-      for (j=0;j<40;j++)
-         e[j]=0;
-      for (j=0;j<8;j++)
-         e[8*i+j]=best_gain*codebook[best_index][j];
-      residue_zero(e, awk1, r, 40, p);
-      syn_filt_zero(r, ak, r, 40, p);
-      syn_filt_zero(r, awk2, r, 40,p);
-      for (j=0;j<40;j++)
-         t[j]-=r[j];
-
-      /*FIXME: Should move that out of the loop if we are to vector-quantize the gains*/
-      /*for (j=0;j<40;j++)
-        exc[j]+=e[j];*/
-   }
+         /* Find gain index (it's a scalar but we use the VQ code anyway)*/
+         best_id = vq_index(&best_gain, scal_gains4, 1, 8);
 
-   {
-      int best_vq_index=0, max_index;
-      float max_gain=0, log_max, min_dist=0, sign[5];
-
-      for (i=0;i<5;i++)
-      {
-         if (gains[i]<0)
-         {
-            gains[i]=-gains[i];
-            sign[i]=-1;
-         } else {
-            sign[i]=1;
-         }
+         best_gain=scal_gains4[best_id];
+         /*printf ("gain_quant: %f %d %f\n", best_gain, best_id, scal_gains4[best_id]);*/
+         if (s)
+            best_gain=-best_gain;
+         best_gain *= exc_energy;
+         frame_bits_pack(bits,s,1);
+         frame_bits_pack(bits,best_id,3);
       }
-      for (i=0;i<5;i++)
-         if (gains[i]>max_gain)
-            max_gain=gains[i];
-      log_max=log(max_gain+1);
-      max_index = (int)(floor(.5+log_max-3));
-      if (max_index>7)
-         max_index=7;
-      if (max_index<0)
-         max_index=0;
-      max_gain=1/exp(max_index+3.0);
-      for (i=0;i<5;i++)
-        gains[i]*=max_gain;
-      frame_bits_pack(bits,max_index,3);
-
-      if (max_index>2)
+      ind[i]=best_index;
+      gains[i]=best_gain;
+      /* Update target for next subvector */
+      for (j=0;j<subvect_size;j++)
       {
-      for (i=0;i<5;i++)
-         printf ("%f ", gains[i]);
-      printf ("cbgains: \n");
+         g=best_gain*shape_cb[best_index*subvect_size+j];
+         for (k=subvect_size*i+j,m=0;k<nsf;k++,m++)
+            t[k] -= g*r[m];
       }
-      /*Vector quantize gains[i]*/
-      for (i=0;i<256;i++)
-      {
-         float dist=0;
-         for (j=0;j<5;j++)
-            dist += (exc_gains_table[i][j]-gains[j])*(exc_gains_table[i][j]-gains[j]);
-         if (i==0 || dist<min_dist)
-         {
-            min_dist=dist;
-            best_vq_index=i;
-         }
-      }
-      frame_bits_pack(bits,best_vq_index,8);
-      printf ("best_gains_vq_index %d %f %d\n", best_vq_index, min_dist, max_index);
-#if 1
-      for (i=0;i<5;i++)
-         gains[i]= sign[i]*exc_gains_table[best_vq_index][i]/max_gain/(Ee[ind[i]]+.001);
-#else 
-      for (i=0;i<5;i++)
-         gains[i]= sign[i]*gains[i]/max_gain/(Ee[ind[i]]+.001);
-#endif  
-
-   printf ("unquant gains: ");
-   for (i=0;i<5;i++)
-      printf ("%f ", gains[i]);
-   printf ("\n");
-    
-      for (i=0;i<5;i++)
-         for (j=0;j<8;j++)
-            exc[8*i+j]+=gains[i]*codebook[ind[i]][j];
    }
-   /*for (i=0;i<5;i++)
-      printf ("%f ", gains[i]);
-      printf ("cbgains: \n");*/
-   /*TODO: Perform joint optimization of gains and quantization with prediction*/
    
-   for (i=0;i<40;i++)
-      target[i]=t[i];
+   /* Put everything back together */
+   for (i=0;i<nb_subvect;i++)
+      for (j=0;j<subvect_size;j++)
+         e[subvect_size*i+j]=gains[i]*shape_cb[ind[i]*subvect_size+j];
+
+   /* Update excitation */
+   for (j=0;j<nsf;j++)
+      exc[j]+=e[j];
+   
+   /* Update target */
+   residue_zero(e, awk1, r, nsf, p);
+   syn_filt_zero(r, ak, r, nsf, p);
+   syn_filt_zero(r, awk2, r, nsf,p);
+   for (j=0;j<nsf;j++)
+      target[j]-=r[j];
+
+   
+
+
+   POP(stack);
+   POP(stack);
+   POP(stack);
+   POP(stack);
+   POP(stack);
+   POP(stack);
 }
 
+
+
+
 void split_cb_unquant(
 float *exc,
-float codebook[][8],           /* non-overlapping codebook */
+void *par,                      /* non-overlapping codebook */
 int   nsf,                      /* number of samples in subframe */
-FrameBits *bits
+FrameBits *bits,
+float *stack
 )
 {
    int i,j;
-   int ind[5];
-   float gains[5];
-   float sign[5];
-   int max_gain_ind, vq_gain_ind;
-   float max_gain, Ee[5];
-   for (i=0;i<5;i++)
+   int *ind;
+   float *gains;
+   float *sign;
+   float *shape_cb, exc_energy;
+   int shape_cb_size, subvect_size, nb_subvect;
+   split_cb_params *params;
+
+   params = (split_cb_params *) par;
+   subvect_size = params->subvect_size;
+   nb_subvect = params->nb_subvect;
+   shape_cb_size = 1<<params->shape_bits;
+   shape_cb = params->shape_cb;
+   
+   ind = (int*)PUSH(stack, nb_subvect);
+   gains = PUSH(stack, nb_subvect);
+   sign = PUSH(stack, nb_subvect);
+
+   /* Decode global (average) gain */
+   {
+      int id;
+      id = frame_bits_unpack_unsigned(bits, 4);
+      exc_energy=exp(.5*id+2);
+   }
+
+   /* Decode codewords and gains */
+   for (i=0;i<nb_subvect;i++)
    {
-      ind[i] = frame_bits_unpack_unsigned(bits, 7);
+      int gain_id;
+      ind[i] = frame_bits_unpack_unsigned(bits, params->shape_bits);
       if (frame_bits_unpack_unsigned(bits, 1))
          sign[i]=-1;
       else
          sign[i]=1;
-      Ee[i]=.001;
-      for (j=0;j<8;j++)
-         Ee[i]+=codebook[ind[i]][j]*codebook[ind[i]][j];
+      
+      gain_id = frame_bits_unpack_unsigned(bits, 3);
+      gains[i]=scal_gains4[gain_id];
+      gains[i] *= sign[i];
+      gains[i] *= exc_energy;
+
+
    }
-   max_gain_ind = frame_bits_unpack_unsigned(bits, 3);
-   vq_gain_ind = frame_bits_unpack_unsigned(bits, 8);
-   printf ("unquant gains ind: %d %d\n", max_gain_ind, vq_gain_ind);
 
-   max_gain=exp(max_gain_ind+3.0);
-   for (i=0;i<5;i++)
-      gains[i] = sign[i]*exc_gains_table[vq_gain_ind][i]*max_gain/Ee[i];
-   
-   printf ("unquant gains: ");
-   for (i=0;i<5;i++)
-      printf ("%f ", gains[i]);
-   printf ("\n");
-
-   for (i=0;i<5;i++)
-      for (j=0;j<8;j++)
-         exc[8*i+j]+=gains[i]*codebook[ind[i]][j];
-   
+   /* Compute decoded excitation */
+   for (i=0;i<nb_subvect;i++)
+      for (j=0;j<subvect_size;j++)
+         exc[subvect_size*i+j]+=gains[i]*shape_cb[ind[i]*subvect_size+j];
+
+   POP(stack);
+   POP(stack);
+   POP(stack);
 }