Doing stereo mixing adaptively based on amplitude difference.
[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 "modes.h"
35 #include "vq.h"
36 #include "cwrs.h"
37
38 /* Applies a series of rotations so that pulses are spread like a two-sided
39 exponential. The effect of this is to reduce the tonal noise created by the
40 sparse spectrum resulting from the pulse codebook */
41 static void exp_rotation(float *X, int len, float theta, int dir, int stride, int iter)
42 {
43    int i, k;
44    float c, s;
45    c = cos(theta);
46    s = sin(theta);
47    if (dir > 0)
48    {
49       for (k=0;k<iter;k++)
50       {
51          for (i=0;i<len-stride;i++)
52          {
53             float x1, x2;
54             x1 = X[i];
55             x2 = X[i+stride];
56             X[i] = c*x1 - s*x2;
57             X[i+stride] = c*x2 + s*x1;
58          }
59          for (i=len-2*stride-1;i>=0;i--)
60          {
61             float x1, x2;
62             x1 = X[i];
63             x2 = X[i+stride];
64             X[i] = c*x1 - s*x2;
65             X[i+stride] = c*x2 + s*x1;
66          }
67       }
68    } else {
69       for (k=0;k<iter;k++)
70       {
71          for (i=0;i<len-2*stride;i++)
72          {
73             float x1, x2;
74             x1 = X[i];
75             x2 = X[i+stride];
76             X[i] = c*x1 + s*x2;
77             X[i+stride] = c*x2 - s*x1;
78          }
79          for (i=len-stride-1;i>=0;i--)
80          {
81             float x1, x2;
82             x1 = X[i];
83             x2 = X[i+stride];
84             X[i] = c*x1 + s*x2;
85             X[i+stride] = c*x2 - s*x1;
86          }
87       }
88    }
89 }
90
91 /* Compute the amplitude (sqrt energy) in each of the bands */
92 void compute_band_energies(const CELTMode *m, float *X, float *bank)
93 {
94    int i, c, B, C;
95    const int *eBands = m->eBands;
96    B = m->nbMdctBlocks;
97    C = m->nbChannels;
98    for (c=0;c<C;c++)
99    {
100       for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
101       {
102          int j;
103          float sum = 1e-10;
104          for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
105             sum += X[j*C+c]*X[j*C+c];
106          bank[i*C+c] = sqrt(C*sum);
107          //printf ("%f ", bank[i*C+c]);
108       }
109    }
110    //printf ("\n");
111 }
112
113 /* Normalise each band such that the energy is one. */
114 void normalise_bands(const CELTMode *m, float *X, float *bank)
115 {
116    int i, c, B, C;
117    const int *eBands = m->eBands;
118    B = m->nbMdctBlocks;
119    C = m->nbChannels;
120    for (c=0;c<C;c++)
121    {
122       for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
123       {
124          int j;
125          float g = 1.f/(1e-10+bank[i*C+c]);
126          for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
127             X[j*C+c] *= g;
128       }
129    }
130    for (i=B*C*eBands[m->nbEBands];i<B*C*eBands[m->nbEBands+1];i++)
131       X[i] = 0;
132 }
133
134 void renormalise_bands(const CELTMode *m, float *X)
135 {
136    float tmpE[m->nbEBands*m->nbChannels];
137    compute_band_energies(m, X, tmpE);
138    normalise_bands(m, X, tmpE);
139 }
140
141 /* De-normalise the energy to produce the synthesis from the unit-energy bands */
142 void denormalise_bands(const CELTMode *m, float *X, float *bank)
143 {
144    int i, c, B, C;
145    const int *eBands = m->eBands;
146    B = m->nbMdctBlocks;
147    C = m->nbChannels;
148    for (c=0;c<C;c++)
149    {
150       for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
151       {
152          int j;
153          float g = bank[i*C+c];
154          for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
155             X[j*C+c] *= g;
156       }
157    }
158    for (i=B*C*eBands[m->nbEBands];i<B*C*eBands[m->nbEBands+1];i++)
159       X[i] = 0;
160 }
161
162
163 /* Compute the best gain for each "pitch band" */
164 void compute_pitch_gain(const CELTMode *m, float *X, float *P, float *gains, float *bank)
165 {
166    int i, B;
167    const int *eBands = m->eBands;
168    const int *pBands = m->pBands;
169    B = m->nbMdctBlocks*m->nbChannels;
170    float w[B*eBands[m->nbEBands]];
171    for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
172    {
173       int j;
174       for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
175          w[j] = bank[i];
176    }
177
178    
179    for (i=0;i<m->nbPBands;i++)
180    {
181       float Sxy=0;
182       float Sxx = 0;
183       int j;
184       float gain;
185       for (j=B*pBands[i];j<B*pBands[i+1];j++)
186       {
187          Sxy += X[j]*P[j]*w[j];
188          Sxx += X[j]*X[j]*w[j];
189       }
190       gain = Sxy/(1e-10+Sxx);
191       //gain = Sxy/(2*(pbank[i+1]-pbank[i]));
192       //if (i<3)
193       //gain *= 1+.02*gain;
194       if (gain > 1.f)
195          gain = 1.f;
196       if (gain < 0.0f)
197          gain = 0.0f;
198       /* We need to be a bit conservative, otherwise residual doesn't quantise well */
199       gain *= .9f;
200       gains[i] = gain;
201       //printf ("%f ", 1-sqrt(1-gain*gain));
202    }
203    /*if(rand()%10==0)
204    {
205       for (i=0;i<m->nbPBands;i++)
206          printf ("%f ", 1-sqrt(1-gains[i]*gains[i]));
207       printf ("\n");
208    }*/
209    for (i=B*pBands[m->nbPBands];i<B*pBands[m->nbPBands+1];i++)
210       P[i] = 0;
211 }
212
213 /* Apply the (quantised) gain to each "pitch band" */
214 void pitch_quant_bands(const CELTMode *m, float *X, float *P, float *gains)
215 {
216    int i, B;
217    const int *pBands = m->pBands;
218    B = m->nbMdctBlocks*m->nbChannels;
219    for (i=0;i<m->nbPBands;i++)
220    {
221       int j;
222       for (j=B*pBands[i];j<B*pBands[i+1];j++)
223          P[j] *= gains[i];
224       //printf ("%f ", gain);
225    }
226    for (i=B*pBands[m->nbPBands];i<B*pBands[m->nbPBands+1];i++)
227       P[i] = 0;
228 }
229
230 /* Quantisation of the residual */
231 void quant_bands(const CELTMode *m, float *X, float *P, float *W, ec_enc *enc)
232 {
233    int i, j, B;
234    const int *eBands = m->eBands;
235    B = m->nbMdctBlocks*m->nbChannels;
236    float norm[B*eBands[m->nbEBands+1]];
237    
238    for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
239    {
240       int q;
241       float theta, n;
242       q = m->nbPulses[i];
243       n = sqrt(B*(eBands[i+1]-eBands[i]));
244       theta = .007*(B*(eBands[i+1]-eBands[i]))/(.1f+abs(m->nbPulses[i]));
245          
246       if (q<=0) {
247          q = -q;
248          intra_prediction(X+B*eBands[i], W+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q, norm, P+B*eBands[i], B, eBands[i], enc);
249       }
250          
251       if (q != 0)
252       {
253          exp_rotation(P+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), theta, -1, B, 8);
254          exp_rotation(X+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), theta, -1, B, 8);
255          alg_quant(X+B*eBands[i], W+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q, P+B*eBands[i], 0.7, enc);
256          exp_rotation(X+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), theta, 1, B, 8);
257       }
258       for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
259          norm[j] = X[j] * n;
260       //printf ("%f ", log2(ncwrs64(B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q))/(B*(eBands[i+1]-eBands[i])));
261       //printf ("%f ", log2(ncwrs64(B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q)));
262    }
263    //printf ("\n");
264    for (i=B*eBands[m->nbEBands];i<B*eBands[m->nbEBands+1];i++)
265       X[i] = 0;
266 }
267
268 /* Decoding of the residual */
269 void unquant_bands(const CELTMode *m, float *X, float *P, ec_dec *dec)
270 {
271    int i, j, B;
272    const int *eBands = m->eBands;
273    B = m->nbMdctBlocks*m->nbChannels;
274    float norm[B*eBands[m->nbEBands+1]];
275    
276    for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
277    {
278       int q;
279       float theta, n;
280       q = m->nbPulses[i];
281       n = sqrt(B*(eBands[i+1]-eBands[i]));
282       theta = .007*(B*(eBands[i+1]-eBands[i]))/(.1f+abs(m->nbPulses[i]));
283
284       if (q<=0) {
285          q = -q;
286          intra_unquant(X+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q, norm, P+B*eBands[i], B, eBands[i], dec);
287       }
288
289       if (q != 0)
290       {
291          exp_rotation(P+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), theta, -1, B, 8);
292          alg_unquant(X+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q, P+B*eBands[i], 0.7, dec);
293          exp_rotation(X+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), theta, 1, B, 8);
294       }
295       for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
296          norm[j] = X[j] * n;
297    }
298    for (i=B*eBands[m->nbEBands];i<B*eBands[m->nbEBands+1];i++)
299       X[i] = 0;
300 }
301
302 void stereo_mix(const CELTMode *m, float *X, float *bank, int dir)
303 {
304    int i, B, C;
305    const int *eBands = m->eBands;
306    B = m->nbMdctBlocks;
307    C = m->nbChannels;
308    for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
309    {
310       int j;
311       float left, right;
312       float a1, a2;
313       left = bank[i*C];
314       right = bank[i*C+1];
315       a1 = left/sqrt(.01+left*left+right*right);
316       a2 = dir*right/sqrt(.01+left*left+right*right);
317       for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
318       {
319          float r, l;
320          l = X[j*C];
321          r = X[j*C+1];         
322          X[j*C] = a1*l + a2*r;
323          X[j*C+1] = a1*r - a2*l;
324       }
325    }
326    for (i=B*C*eBands[m->nbEBands];i<B*C*eBands[m->nbEBands+1];i++)
327       X[i] = 0;
328
329 }