A bit of tuning and early work on bit allocation
[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 static int compute_allocation(const CELTMode *m, int *pulses)
231 {
232    int i, N, BC, bits;
233    const int *eBands = m->eBands;
234    BC = m->nbMdctBlocks*m->nbChannels;
235    bits = 0;
236    for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
237    {
238       int q;
239       N = BC*(eBands[i+1]-eBands[i]);
240       q = pulses[i];
241       if (q<=0)
242       {
243          bits += ec_ilog64(eBands[i] - (eBands[i+1]-eBands[i])) + 1;
244          q = -q;
245       }
246       if (q != 0)
247          bits += ec_ilog64(ncwrs64(N, pulses[i])) + 1;
248    }
249    return bits;
250 }
251
252 /* Quantisation of the residual */
253 void quant_bands(const CELTMode *m, float *X, float *P, float *W, ec_enc *enc)
254 {
255    int i, j, B;
256    const int *eBands = m->eBands;
257    B = m->nbMdctBlocks*m->nbChannels;
258    float norm[B*eBands[m->nbEBands+1]];
259    
260    /*printf ("%d %d\n", ec_enc_tell(enc, 0), compute_allocation(m, m->nbPulses));*/
261    for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
262    {
263       int q;
264       float theta, n;
265       q = m->nbPulses[i];
266       n = sqrt(B*(eBands[i+1]-eBands[i]));
267       theta = .007*(B*(eBands[i+1]-eBands[i]))/(.1f+abs(m->nbPulses[i]));
268          
269       if (q<=0) {
270          q = -q;
271          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);
272       }
273          
274       if (q != 0)
275       {
276          exp_rotation(P+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), theta, -1, B, 8);
277          exp_rotation(X+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), theta, -1, B, 8);
278          alg_quant(X+B*eBands[i], W+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q, P+B*eBands[i], 0.7, enc);
279          exp_rotation(X+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), theta, 1, B, 8);
280       }
281       for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
282          norm[j] = X[j] * n;
283       //printf ("%f ", log2(ncwrs64(B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q))/(B*(eBands[i+1]-eBands[i])));
284       //printf ("%f ", log2(ncwrs64(B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q)));
285    }
286    //printf ("\n");
287    for (i=B*eBands[m->nbEBands];i<B*eBands[m->nbEBands+1];i++)
288       X[i] = 0;
289 }
290
291 /* Decoding of the residual */
292 void unquant_bands(const CELTMode *m, float *X, float *P, ec_dec *dec)
293 {
294    int i, j, B;
295    const int *eBands = m->eBands;
296    B = m->nbMdctBlocks*m->nbChannels;
297    float norm[B*eBands[m->nbEBands+1]];
298    
299    for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
300    {
301       int q;
302       float theta, n;
303       q = m->nbPulses[i];
304       n = sqrt(B*(eBands[i+1]-eBands[i]));
305       theta = .007*(B*(eBands[i+1]-eBands[i]))/(.1f+abs(m->nbPulses[i]));
306
307       if (q<=0) {
308          q = -q;
309          intra_unquant(X+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q, norm, P+B*eBands[i], B, eBands[i], dec);
310       }
311
312       if (q != 0)
313       {
314          exp_rotation(P+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), theta, -1, B, 8);
315          alg_unquant(X+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), q, P+B*eBands[i], 0.7, dec);
316          exp_rotation(X+B*eBands[i], B*(eBands[i+1]-eBands[i]), theta, 1, B, 8);
317       }
318       for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
319          norm[j] = X[j] * n;
320    }
321    for (i=B*eBands[m->nbEBands];i<B*eBands[m->nbEBands+1];i++)
322       X[i] = 0;
323 }
324
325 void stereo_mix(const CELTMode *m, float *X, float *bank, int dir)
326 {
327    int i, B, C;
328    const int *eBands = m->eBands;
329    B = m->nbMdctBlocks;
330    C = m->nbChannels;
331    for (i=0;i<m->nbEBands;i++)
332    {
333       int j;
334       float left, right;
335       float a1, a2;
336       left = bank[i*C];
337       right = bank[i*C+1];
338       a1 = left/sqrt(.01+left*left+right*right);
339       a2 = dir*right/sqrt(.01+left*left+right*right);
340       for (j=B*eBands[i];j<B*eBands[i+1];j++)
341       {
342          float r, l;
343          l = X[j*C];
344          r = X[j*C+1];         
345          X[j*C] = a1*l + a2*r;
346          X[j*C+1] = a1*r - a2*l;
347       }
348    }
349    for (i=B*C*eBands[m->nbEBands];i<B*C*eBands[m->nbEBands+1];i++)
350       X[i] = 0;
351
352 }