libcelt/vq.c

   1 /* (C) 2007-2008 Jean-Marc Valin, CSIRO
   2 */
   3 /*
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   7
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  10
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  12    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
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  14
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  30 */
  31
  32 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  33 #include "config.h"
  34 #endif
  35
  36 #include "mathops.h"
  37 #include "cwrs.h"
  38 #include "vq.h"
  39 #include "arch.h"
  40 #include "os_support.h"
  41 #include "rate.h"
  42
  43 static void exp_rotation(celt_norm_t *X, int len, int dir, int stride, int K)
  44 {
  45    int i, k, iter;
  46    celt_word16_t c, s;
  47    celt_word16_t gain, theta;
  48    celt_norm_t *Xptr;
  49    gain = celt_div((celt_word32_t)MULT16_16(Q15_ONE,len),(celt_word32_t)(len+2*K*((K>>1)+1)));
  50    /* FIXME: Make that HALF16 instead of HALF32 */
  51    theta = SUB16(Q15ONE, HALF32(MULT16_16_Q15(gain,gain)));
  52    /*if (len==30)
  53    {
  54    for (i=0;i<len;i++)
  55    X[i] = 0;
  56    X[14] = 1;
  57 }*/
  58    c = celt_cos_norm(EXTEND32(theta));
  59    s = dir*celt_cos_norm(EXTEND32(SUB16(Q15ONE,theta))); /*  sin(theta) */
  60    if (stride == 1)
  61       stride = 2;
  62    iter = 1;
  63    for (k=0;k<iter;k++)
  64    {
  65       /* We could use MULT16_16_P15 instead of MULT16_16_Q15 for more accuracy,
  66       but at this point, I really don't think it's necessary */
  67       Xptr = X;
  68       for (i=0;i<len-stride;i++)
  69       {
  70          celt_norm_t x1, x2;
  71          x1 = Xptr[0];
  72          x2 = Xptr[stride];
  73          Xptr[stride] = MULT16_16_Q15(c,x2) + MULT16_16_Q15(s,x1);
  74          *Xptr++      = MULT16_16_Q15(c,x1) - MULT16_16_Q15(s,x2);
  75       }
  76       Xptr = &X[len-2*stride-1];
  77       for (i=len-2*stride-1;i>=0;i--)
  78       {
  79          celt_norm_t x1, x2;
  80          x1 = Xptr[0];
  81          x2 = Xptr[stride];
  82          Xptr[stride] = MULT16_16_Q15(c,x2) + MULT16_16_Q15(s,x1);
  83          *Xptr--      = MULT16_16_Q15(c,x1) - MULT16_16_Q15(s,x2);
  84       }
  85    }
  86    /*if (len==30)
  87    {
  88    for (i=0;i<len;i++)
  89    printf ("%f ", X[i]);
  90    printf ("\n");
  91    exit(0);
  92 }*/
  93 }
  94
  95
  96 /** Takes the pitch vector and the decoded residual vector, computes the gain
  97     that will give ||p+g*y||=1 and mixes the residual with the pitch. */
  98 static void mix_pitch_and_residual(int * restrict iy, celt_norm_t * restrict X, int N, int K, const celt_norm_t * restrict P)
  99 {
 100    int i;
 101    celt_word32_t Ryp, Ryy, Rpp;
 102    celt_word16_t ryp, ryy, rpp;
 103    celt_word32_t g;
 104    VARDECL(celt_norm_t, y);
 105 #ifdef FIXED_POINT
 106    int yshift;
 107 #endif
 108    SAVE_STACK;
 109 #ifdef FIXED_POINT
 110    yshift = 13-celt_ilog2(K);
 111 #endif
 112    ALLOC(y, N, celt_norm_t);
 113
 114    Rpp = 0;
 115    i=0;
 116    do {
 117       Rpp = MAC16_16(Rpp,P[i],P[i]);
 118       y[i] = SHL16(iy[i],yshift);
 119    } while (++i < N);
 120
 121    Ryp = 0;
 122    Ryy = 0;
 123    /* If this doesn't generate a dual MAC (on supported archs), fire the compiler guy */
 124    i=0;
 125    do {
 126       Ryp = MAC16_16(Ryp, y[i], P[i]);
 127       Ryy = MAC16_16(Ryy, y[i], y[i]);
 128    } while (++i < N);
 129
 130    ryp = ROUND16(Ryp,14);
 131    ryy = ROUND16(Ryy,14);
 132    rpp = ROUND16(Rpp,14);
 133    /* g = (sqrt(Ryp^2 + Ryy - Rpp*Ryy)-Ryp)/Ryy */
 134    g = MULT16_32_Q15(celt_sqrt(MAC16_16(Ryy, ryp,ryp) - MULT16_16(ryy,rpp)) - ryp,
 135                      celt_rcp(SHR32(Ryy,9)));
 136
 137    i=0;
 138    do
 139       X[i] = ADD16(P[i], ROUND16(MULT16_16(y[i], g),11));
 140    while (++i < N);
 141
 142    RESTORE_STACK;
 143 }
 144
 145
 146 void alg_quant(celt_norm_t *X, celt_mask_t *W, int N, int K, int spread, celt_norm_t *P, ec_enc *enc)
 147 {
 148    VARDECL(celt_norm_t, y);
 149    VARDECL(int, iy);
 150    VARDECL(celt_word16_t, signx);
 151    int j, is;
 152    celt_word16_t s;
 153    int pulsesLeft;
 154    celt_word32_t sum;
 155    celt_word32_t xy, yy, yp;
 156    celt_word16_t Rpp;
 157    int N_1; /* Inverse of N, in Q14 format (even for float) */
 158 #ifdef FIXED_POINT
 159    int yshift;
 160 #endif
 161    SAVE_STACK;
 162
 163    K = get_pulses(K);
 164 #ifdef FIXED_POINT
 165    yshift = 13-celt_ilog2(K);
 166 #endif
 167
 168    ALLOC(y, N, celt_norm_t);
 169    ALLOC(iy, N, int);
 170    ALLOC(signx, N, celt_word16_t);
 171    N_1 = 512/N;
 172
 173    if (spread)
 174       exp_rotation(X, N, 1, spread, K);
 175
 176    sum = 0;
 177    j=0; do {
 178       X[j] -= P[j];
 179       if (X[j]>0)
 180          signx[j]=1;
 181       else {
 182          signx[j]=-1;
 183          X[j]=-X[j];
 184          P[j]=-P[j];
 185       }
 186       iy[j] = 0;
 187       y[j] = 0;
 188       sum = MAC16_16(sum, P[j],P[j]);
 189    } while (++j<N);
 190    Rpp = ROUND16(sum, NORM_SHIFT);
 191
 192    celt_assert2(Rpp<=NORM_SCALING, "Rpp should never have a norm greater than unity");
 193
 194    xy = yy = yp = 0;
 195
 196    pulsesLeft = K;
 197
 198    /* Do a pre-search by projecting on the pyramid */
 199    if (K > (N>>1))
 200    {
 201       celt_word16_t rcp;
 202       sum=0;
 203       j=0; do {
 204          sum += X[j];
 205       }  while (++j<N);
 206
 207 #ifdef FIXED_POINT
 208       if (sum <= K)
 209 #else
 210       if (sum <= EPSILON)
 211 #endif
 212       {
 213          X[0] = QCONST16(1.f,14);
 214          j=1; do
 215             X[j]=0;
 216          while (++j<N);
 217          sum = QCONST16(1.f,14);
 218       }
 219       /* Do we have sufficient accuracy here? */
 220       rcp = EXTRACT16(MULT16_32_Q16(K-1, celt_rcp(sum)));
 221       j=0; do {
 222 #ifdef FIXED_POINT
 223          /* It's really important to round *towards zero* here */
 224          iy[j] = MULT16_16_Q15(X[j],rcp);
 225 #else
 226          iy[j] = floor(rcp*X[j]);
 227 #endif
 228          y[j] = SHL16(iy[j],yshift);
 229          yy = MAC16_16(yy, y[j],y[j]);
 230          xy = MAC16_16(xy, X[j],y[j]);
 231          yp += P[j]*y[j];
 232          y[j] *= 2;
 233          pulsesLeft -= iy[j];
 234       }  while (++j<N);
 235    }
 236    celt_assert2(pulsesLeft>=1, "Allocated too many pulses in the quick pass");
 237
 238    while (pulsesLeft > 1)
 239    {
 240       int pulsesAtOnce=1;
 241       int best_id;
 242       celt_word16_t magnitude;
 243       celt_word32_t best_num = -VERY_LARGE16;
 244       celt_word16_t best_den = 0;
 245 #ifdef FIXED_POINT
 246       int rshift;
 247 #endif
 248       /* Decide on how many pulses to find at once */
 249       pulsesAtOnce = (pulsesLeft*N_1)>>9; /* pulsesLeft/N */
 250       if (pulsesAtOnce<1)
 251          pulsesAtOnce = 1;
 252 #ifdef FIXED_POINT
 253       rshift = yshift+1+celt_ilog2(K-pulsesLeft+pulsesAtOnce);
 254 #endif
 255       magnitude = SHL16(pulsesAtOnce, yshift);
 256
 257       best_id = 0;
 258       /* The squared magnitude term gets added anyway, so we might as well
 259          add it outside the loop */
 260       yy = MAC16_16(yy, magnitude,magnitude);
 261       /* Choose between fast and accurate strategy depending on where we are in the search */
 262          /* This should ensure that anything we can process will have a better score */
 263       j=0;
 264       do {
 265          celt_word16_t Rxy, Ryy;
 266          /* Select sign based on X[j] alone */
 267          s = magnitude;
 268          /* Temporary sums of the new pulse(s) */
 269          Rxy = EXTRACT16(SHR32(MAC16_16(xy, s,X[j]),rshift));
 270          /* We're multiplying y[j] by two so we don't have to do it here */
 271          Ryy = EXTRACT16(SHR32(MAC16_16(yy, s,y[j]),rshift));
 272
 273             /* Approximate score: we maximise Rxy/sqrt(Ryy) (we're guaranteed that
 274          Rxy is positive because the sign is pre-computed) */
 275          Rxy = MULT16_16_Q15(Rxy,Rxy);
 276             /* The idea is to check for num/den >= best_num/best_den, but that way
 277          we can do it without any division */
 278          /* OPT: Make sure to use conditional moves here */
 279          if (MULT16_16(best_den, Rxy) > MULT16_16(Ryy, best_num))
 280          {
 281             best_den = Ryy;
 282             best_num = Rxy;
 283             best_id = j;
 284          }
 285       } while (++j<N);
 286
 287       j = best_id;
 288       is = pulsesAtOnce;
 289       s = SHL16(is, yshift);
 290
 291       /* Updating the sums of the new pulse(s) */
 292       xy = xy + MULT16_16(s,X[j]);
 293       /* We're multiplying y[j] by two so we don't have to do it here */
 294       yy = yy + MULT16_16(s,y[j]);
 295       yp = yp + MULT16_16(s, P[j]);
 296
 297       /* Only now that we've made the final choice, update y/iy */
 298       /* Multiplying y[j] by 2 so we don't have to do it everywhere else */
 299       y[j] += 2*s;
 300       iy[j] += is;
 301       pulsesLeft -= pulsesAtOnce;
 302    }
 303
 304    if (pulsesLeft > 0)
 305    {
 306       celt_word16_t g;
 307       celt_word16_t best_num = -VERY_LARGE16;
 308       celt_word16_t best_den = 0;
 309       int best_id = 0;
 310       celt_word16_t magnitude = SHL16(1, yshift);
 311
 312       /* The squared magnitude term gets added anyway, so we might as well
 313       add it outside the loop */
 314       yy = MAC16_16(yy, magnitude,magnitude);
 315       j=0;
 316       do {
 317          celt_word16_t Rxy, Ryy, Ryp;
 318          celt_word16_t num;
 319          /* Select sign based on X[j] alone */
 320          s = magnitude;
 321          /* Temporary sums of the new pulse(s) */
 322          Rxy = ROUND16(MAC16_16(xy, s,X[j]), 14);
 323          /* We're multiplying y[j] by two so we don't have to do it here */
 324          Ryy = ROUND16(MAC16_16(yy, s,y[j]), 14);
 325          Ryp = ROUND16(MAC16_16(yp, s,P[j]), 14);
 326
 327             /* Compute the gain such that ||p + g*y|| = 1
 328          ...but instead, we compute g*Ryy to avoid dividing */
 329          g = celt_psqrt(MULT16_16(Ryp,Ryp) + MULT16_16(Ryy,QCONST16(1.f,14)-Rpp)) - Ryp;
 330             /* Knowing that gain, what's the error: (x-g*y)^2
 331          (result is negated and we discard x^2 because it's constant) */
 332          /* score = 2*g*Rxy - g*g*Ryy;*/
 333 #ifdef FIXED_POINT
 334          /* No need to multiply Rxy by 2 because we did it earlier */
 335          num = MULT16_16_Q15(ADD16(SUB16(Rxy,g),Rxy),g);
 336 #else
 337          num = g*(2*Rxy-g);
 338 #endif
 339          if (MULT16_16(best_den, num) > MULT16_16(Ryy, best_num))
 340          {
 341             best_den = Ryy;
 342             best_num = num;
 343             best_id = j;
 344          }
 345       } while (++j<N);
 346       iy[best_id] += 1;
 347    }
 348    j=0;
 349    do {
 350       P[j] = MULT16_16(signx[j],P[j]);
 351       X[j] = MULT16_16(signx[j],X[j]);
 352       if (signx[j] < 0)
 353          iy[j] = -iy[j];
 354    } while (++j<N);
 355    encode_pulses(iy, N, K, enc);
 356
 357    /* Recompute the gain in one pass to reduce the encoder-decoder mismatch
 358    due to the recursive computation used in quantisation. */
 359    mix_pitch_and_residual(iy, X, N, K, P);
 360    if (spread)
 361       exp_rotation(X, N, -1, spread, K);
 362    RESTORE_STACK;
 363 }
 364
 365
 366 /** Decode pulse vector and combine the result with the pitch vector to produce
 367     the final normalised signal in the current band. */
 368 void alg_unquant(celt_norm_t *X, int N, int K, int spread, celt_norm_t *P, ec_dec *dec)
 369 {
 370    VARDECL(int, iy);
 371    SAVE_STACK;
 372    K = get_pulses(K);
 373    ALLOC(iy, N, int);
 374    decode_pulses(iy, N, K, dec);
 375    mix_pitch_and_residual(iy, X, N, K, P);
 376    if (spread)
 377       exp_rotation(X, N, -1, spread, K);
 378    RESTORE_STACK;
 379 }
 380
 381 celt_word16_t renormalise_vector(celt_norm_t *X, celt_word16_t value, int N, int stride)
 382 {
 383    int i;
 384    celt_word32_t E = EPSILON;
 385    celt_word16_t rE;
 386    celt_word16_t g;
 387    celt_norm_t *xptr = X;
 388    for (i=0;i<N;i++)
 389    {
 390       E = MAC16_16(E, *xptr, *xptr);
 391       xptr += stride;
 392    }
 393
 394    rE = celt_sqrt(E);
 395 #ifdef FIXED_POINT
 396    if (rE <= 128)
 397       g = Q15ONE;
 398    else
 399 #endif
 400       g = MULT16_16_Q15(value,celt_rcp(SHL32(rE,9)));
 401    xptr = X;
 402    for (i=0;i<N;i++)
 403    {
 404       *xptr = PSHR32(MULT16_16(g, *xptr),8);
 405       xptr += stride;
 406    }
 407    return rE;
 408 }
 409
 410 static void fold(const CELTMode *m, int N, celt_norm_t *Y, celt_norm_t * restrict P, int N0, int B)
 411 {
 412    int j;
 413    const int C = CHANNELS(m);
 414    int id = (N0*C) % (C*B);
 415    /* Here, we assume that id will never be greater than N0, i.e. that
 416       no band is wider than N0. In the unlikely case it happens, we set
 417       everything to zero */
 418    /*{
 419            int offset = (N0*C - (id+C*N))/2;
 420            if (offset > C*N0/16)
 421                    offset = C*N0/16;
 422            offset -= offset % (C*B);
 423            if (offset < 0)
 424                    offset = 0;
 425            //printf ("%d\n", offset);
 426            id += offset;
 427    }*/
 428    if (id+C*N>N0*C)
 429       for (j=0;j<C*N;j++)
 430          P[j] = 0;
 431    else
 432       for (j=0;j<C*N;j++)
 433          P[j] = Y[id++];
 434 }
 435
 436 void intra_fold(const CELTMode *m, celt_norm_t * restrict x, int N, int *pulses, celt_norm_t *Y, celt_norm_t * restrict P, int N0, int B)
 437 {
 438    int c;
 439    const int C = CHANNELS(m);
 440
 441    fold(m, N, Y, P, N0, B);
 442    c=0;
 443    do {
 444       int K = get_pulses(pulses[c]);
 445       renormalise_vector(P+c, K==0 ? Q15ONE : 0, N, C);
 446    } while (++c < C);
 447 }
 448