Allowing to add pulses on top of intra-band prediction
[opus.git] / libcelt / bands.c
1 /* (C) 2007 Jean-Marc Valin, CSIRO
2 */
3 /*
4    Redistribution and use in source and binary forms, with or without
5    modification, are permitted provided that the following conditions
6    are met:
7    
8    - Redistributions of source code must retain the above copyright
9    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
10    
11    - Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
12    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
13    documentation and/or other materials provided with the distribution.
14    
15    - Neither the name of the Xiph.org Foundation nor the names of its
16    contributors may be used to endorse or promote products derived from
17    this software without specific prior written permission.
18    
19    THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
20    ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
21    LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
22    A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE FOUNDATION OR
23    CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL,
24    EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO,
25    PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR
26    PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF
27    LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING
28    NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS
29    SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
30 */
31
32 #include <math.h>
33 #include "bands.h"
34 #include "vq.h"
35 #include "cwrs.h"
36
37 const int qbank[NBANDS+2] =   {0, 2, 4, 6, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 36, 44, 52, 68, 84, 116, 128};
38
39 const int qpulses[NBANDS  ] = {7, 5, 4, 4, 3,  3,  3,  4,  4,  4, -2, -1, -1, -1,  0};
40 //const int qpulses[NBANDS  ] = {17,15,14,14,13, 13, 13, 13, 13, 14, 14, 14, 10, 10, 10};
41
42 #define WAVEFORM_END 36
43
44 /* Start frequency of each band */
45 int pbank[] = {0, 4, 8, 12, 20, WAVEFORM_END, 128};
46
47 /* Compute the energy in each of the bands */
48 void compute_bands(float *X, int B, float *bank)
49 {
50    int i;
51    for (i=0;i<NBANDS;i++)
52    {
53       int j;
54       bank[i] = 1e-10;
55       for (j=B*qbank[i];j<B*qbank[i+1];j++)
56          bank[i] += X[j]*X[j];
57       bank[i] = sqrt(bank[i]);
58    }
59 }
60
61 /* Normalise each band such that the energy is one. */
62 void normalise_bands(float *X, int B, float *bank)
63 {
64    int i;
65    for (i=0;i<NBANDS;i++)
66    {
67       int j;
68       float x = 1.f/(1e-10+bank[i]);
69       for (j=B*qbank[i];j<B*qbank[i+1];j++)
70          X[j] *= x;
71    }
72    for (i=B*qbank[NBANDS];i<B*qbank[NBANDS+1];i++)
73       X[i] = 0;
74 }
75
76 /* De-normalise the energy to produce the synthesis from the unit-energy bands */
77 void denormalise_bands(float *X, int B, float *bank)
78 {
79    int i;
80    for (i=0;i<NBANDS;i++)
81    {
82       int j;
83       float x = bank[i];
84       for (j=B*qbank[i];j<B*qbank[i+1];j++)
85          X[j] *= x;
86    }
87    for (i=B*qbank[NBANDS];i<B*qbank[NBANDS+1];i++)
88       X[i] = 0;
89 }
90
91
92 /* Compute the best gain for each "pitch band" */
93 void compute_pitch_gain(float *X, int B, float *P, float *gains, float *bank)
94 {
95    int i;
96    float w[B*qbank[NBANDS]];
97    for (i=0;i<NBANDS;i++)
98    {
99       int j;
100       for (j=B*qbank[i];j<B*qbank[i+1];j++)
101          w[j] = bank[i];
102    }
103
104    
105    for (i=0;i<PBANDS;i++)
106    {
107       float Sxy=0;
108       float Sxx = 0;
109       int j;
110       float gain;
111       for (j=B*pbank[i];j<B*pbank[i+1];j++)
112       {
113          Sxy += X[j]*P[j]*w[j];
114          Sxx += X[j]*X[j]*w[j];
115       }
116       gain = Sxy/(1e-10+Sxx);
117       //gain = Sxy/(2*(pbank[i+1]-pbank[i]));
118       //if (i<3)
119       //gain *= 1+.02*gain;
120       if (gain > .90)
121          gain = .90;
122       if (gain < 0.0)
123          gain = 0.0;
124       
125       gains[i] = gain;
126    }
127    for (i=B*pbank[PBANDS];i<B*pbank[PBANDS+1];i++)
128       P[i] = 0;
129 }
130
131 /* Apply the (quantised) gain to each "pitch band" */
132 void pitch_quant_bands(float *X, int B, float *P, float *gains)
133 {
134    int i;
135    for (i=0;i<PBANDS;i++)
136    {
137       int j;
138       for (j=B*pbank[i];j<B*pbank[i+1];j++)
139          P[j] *= gains[i];
140       //printf ("%f ", gain);
141    }
142    for (i=B*pbank[PBANDS];i<B*pbank[PBANDS+1];i++)
143       P[i] = 0;
144 }
145
146 void quant_bands(float *X, int B, float *P)
147 {
148    int i, j;
149    float norm[B*qbank[NBANDS+1]];
150    //float bits = 0;
151    
152    for (i=0;i<NBANDS;i++)
153    {
154       int q;
155       q =qpulses[i];
156       if (q>0) {
157          float n = sqrt(B*(qbank[i+1]-qbank[i]));
158          alg_quant2(X+B*qbank[i], B*(qbank[i+1]-qbank[i]), q, P+B*qbank[i]);
159          for (j=B*qbank[i];j<B*qbank[i+1];j++)
160             norm[j] = X[j] * n;
161          //bits += log2(ncwrs(B*(qbank[i+1]-qbank[i]), q));
162       } else {
163          float n = sqrt(B*(qbank[i+1]-qbank[i]));
164          copy_quant(X+B*qbank[i], B*(qbank[i+1]-qbank[i]), -q, norm, B, qbank[i]);
165          for (j=B*qbank[i];j<B*qbank[i+1];j++)
166             norm[j] = X[j] * n;
167          //bits += 1+log2(qbank[i])+log2(ncwrs(B*(qbank[i+1]-qbank[i]), -q));
168          //noise_quant(X+B*qbank[i], B*(qbank[i+1]-qbank[i]), q, P+B*qbank[i]);
169       }
170    }
171    //printf ("%f\n", bits);
172    for (i=B*qbank[NBANDS];i<B*qbank[NBANDS+1];i++)
173       X[i] = 0;
174 }
175
176
177 /* Scales the pulse-codebook entry in each band such that unit-energy is conserved when 
178    adding the pitch */
179 void pitch_renormalise_bands(float *X, int B, float *P)
180 {
181    int i;
182    for (i=0;i<NBANDS;i++)
183    {
184       int j;
185       float Rpp=0;
186       float Rxp=0;
187       float Rxx=0;
188       float gain1;
189       for (j=B*qbank[i];j<B*qbank[i+1];j++)
190       {
191          Rxp += X[j]*P[j];
192          Rpp += P[j]*P[j];
193          Rxx += X[j]*X[j];
194       }
195       float arg = Rxp*Rxp + 1 - Rpp;
196       if (arg < 0)
197          arg = 0;
198       gain1 = sqrt(arg)-Rxp;
199       Rxx = 0;
200       for (j=B*qbank[i];j<B*qbank[i+1];j++)
201       {
202          X[j] = P[j]+gain1*X[j];
203          Rxx += X[j]*X[j];
204       }
205    }
206    for (i=B*qbank[NBANDS];i<B*qbank[NBANDS+1];i++)
207       X[i] = 0;
208 }
209