libavcodec/fft-test.c

   1 /*
   2  * (c) 2002 Fabrice Bellard
   3  *
   4  * This file is part of FFmpeg.
   5  *
   6  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
   7  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   8  * License as published by the Free Software Foundation; either
   9  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  10  *
  11  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  14  * Lesser General Public License for more details.
  15  *
  16  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  17  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  18  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  19  */
  20
  21 /**
  22  * @file
  23  * FFT and MDCT tests.
  24  */
  25
  26 #include "libavutil/mathematics.h"
  27 #include "libavutil/lfg.h"
  28 #include "libavutil/log.h"
  29 #include "fft.h"
  30 #if CONFIG_FFT_FLOAT
  31 #include "dct.h"
  32 #include "rdft.h"
  33 #endif
  34 #include <math.h>
  35 #include <unistd.h>
  36 #include <sys/time.h>
  37 #include <stdlib.h>
  38 #include <string.h>
  39
  40 #undef exit
  41
  42 /* reference fft */
  43
  44 #define MUL16(a,b) ((a) * (b))
  45
  46 #define CMAC(pre, pim, are, aim, bre, bim) \
  47 {\
  48    pre += (MUL16(are, bre) - MUL16(aim, bim));\
  49    pim += (MUL16(are, bim) + MUL16(bre, aim));\
  50 }
  51
  52 #if CONFIG_FFT_FLOAT
  53 #   define RANGE 1.0
  54 #   define REF_SCALE(x, bits)  (x)
  55 #   define FMT "%10.6f"
  56 #else
  57 #   define RANGE 16384
  58 #   define REF_SCALE(x, bits) ((x) / (1<<(bits)))
  59 #   define FMT "%6d"
  60 #endif
  61
  62 struct {
  63     float re, im;
  64 } *exptab;
  65
  66 static void fft_ref_init(int nbits, int inverse)
  67 {
  68     int n, i;
  69     double c1, s1, alpha;
  70
  71     n = 1 << nbits;
  72     exptab = av_malloc((n / 2) * sizeof(*exptab));
  73
  74     for (i = 0; i < (n/2); i++) {
  75         alpha = 2 * M_PI * (float)i / (float)n;
  76         c1 = cos(alpha);
  77         s1 = sin(alpha);
  78         if (!inverse)
  79             s1 = -s1;
  80         exptab[i].re = c1;
  81         exptab[i].im = s1;
  82     }
  83 }
  84
  85 static void fft_ref(FFTComplex *tabr, FFTComplex *tab, int nbits)
  86 {
  87     int n, i, j, k, n2;
  88     double tmp_re, tmp_im, s, c;
  89     FFTComplex *q;
  90
  91     n = 1 << nbits;
  92     n2 = n >> 1;
  93     for (i = 0; i < n; i++) {
  94         tmp_re = 0;
  95         tmp_im = 0;
  96         q = tab;
  97         for (j = 0; j < n; j++) {
  98             k = (i * j) & (n - 1);
  99             if (k >= n2) {
 100                 c = -exptab[k - n2].re;
 101                 s = -exptab[k - n2].im;
 102             } else {
 103                 c = exptab[k].re;
 104                 s = exptab[k].im;
 105             }
 106             CMAC(tmp_re, tmp_im, c, s, q->re, q->im);
 107             q++;
 108         }
 109         tabr[i].re = REF_SCALE(tmp_re, nbits);
 110         tabr[i].im = REF_SCALE(tmp_im, nbits);
 111     }
 112 }
 113
 114 static void imdct_ref(FFTSample *out, FFTSample *in, int nbits)
 115 {
 116     int n = 1<<nbits;
 117     int k, i, a;
 118     double sum, f;
 119
 120     for (i = 0; i < n; i++) {
 121         sum = 0;
 122         for (k = 0; k < n/2; k++) {
 123             a = (2 * i + 1 + (n / 2)) * (2 * k + 1);
 124             f = cos(M_PI * a / (double)(2 * n));
 125             sum += f * in[k];
 126         }
 127         out[i] = REF_SCALE(-sum, nbits - 2);
 128     }
 129 }
 130
 131 /* NOTE: no normalisation by 1 / N is done */
 132 static void mdct_ref(FFTSample *output, FFTSample *input, int nbits)
 133 {
 134     int n = 1<<nbits;
 135     int k, i;
 136     double a, s;
 137
 138     /* do it by hand */
 139     for (k = 0; k < n/2; k++) {
 140         s = 0;
 141         for (i = 0; i < n; i++) {
 142             a = (2*M_PI*(2*i+1+n/2)*(2*k+1) / (4 * n));
 143             s += input[i] * cos(a);
 144         }
 145         output[k] = REF_SCALE(s, nbits - 1);
 146     }
 147 }
 148
 149 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 150 static void idct_ref(float *output, float *input, int nbits)
 151 {
 152     int n = 1<<nbits;
 153     int k, i;
 154     double a, s;
 155
 156     /* do it by hand */
 157     for (i = 0; i < n; i++) {
 158         s = 0.5 * input[0];
 159         for (k = 1; k < n; k++) {
 160             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 161             s += input[k] * cos(a);
 162         }
 163         output[i] = 2 * s / n;
 164     }
 165 }
 166 static void dct_ref(float *output, float *input, int nbits)
 167 {
 168     int n = 1<<nbits;
 169     int k, i;
 170     double a, s;
 171
 172     /* do it by hand */
 173     for (k = 0; k < n; k++) {
 174         s = 0;
 175         for (i = 0; i < n; i++) {
 176             a = M_PI*k*(i+0.5) / n;
 177             s += input[i] * cos(a);
 178         }
 179         output[k] = s;
 180     }
 181 }
 182 #endif
 183
 184
 185 static FFTSample frandom(AVLFG *prng)
 186 {
 187     return (int16_t)av_lfg_get(prng) / 32768.0 * RANGE;
 188 }
 189
 190 static int64_t gettime(void)
 191 {
 192     struct timeval tv;
 193     gettimeofday(&tv,NULL);
 194     return (int64_t)tv.tv_sec * 1000000 + tv.tv_usec;
 195 }
 196
 197 static int check_diff(FFTSample *tab1, FFTSample *tab2, int n, double scale)
 198 {
 199     int i;
 200     double max= 0;
 201     double error= 0;
 202     int err = 0;
 203
 204     for (i = 0; i < n; i++) {
 205         double e = fabsf(tab1[i] - (tab2[i] / scale)) / RANGE;
 206         if (e >= 1e-3) {
 207             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "ERROR %5d: "FMT" "FMT"\n",
 208                    i, tab1[i], tab2[i]);
 209             err = 1;
 210         }
 211         error+= e*e;
 212         if(e>max) max= e;
 213     }
 214     av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "max:%f e:%g\n", max, sqrt(error)/n);
 215     return err;
 216 }
 217
 218
 219 static void help(void)
 220 {
 221     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"usage: fft-test [-h] [-s] [-i] [-n b]\n"
 222            "-h     print this help\n"
 223            "-s     speed test\n"
 224            "-m     (I)MDCT test\n"
 225            "-d     (I)DCT test\n"
 226            "-r     (I)RDFT test\n"
 227            "-i     inverse transform test\n"
 228            "-n b   set the transform size to 2^b\n"
 229            "-f x   set scale factor for output data of (I)MDCT to x\n"
 230            );
 231     exit(1);
 232 }
 233
 234 enum tf_transform {
 235     TRANSFORM_FFT,
 236     TRANSFORM_MDCT,
 237     TRANSFORM_RDFT,
 238     TRANSFORM_DCT,
 239 };
 240
 241 int main(int argc, char **argv)
 242 {
 243     FFTComplex *tab, *tab1, *tab_ref;
 244     FFTSample *tab2;
 245     int it, i, c;
 246     int do_speed = 0;
 247     int err = 1;
 248     enum tf_transform transform = TRANSFORM_FFT;
 249     int do_inverse = 0;
 250     FFTContext s1, *s = &s1;
 251     FFTContext m1, *m = &m1;
 252 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 253     RDFTContext r1, *r = &r1;
 254     DCTContext d1, *d = &d1;
 255 #endif
 256     int fft_nbits, fft_size, fft_size_2;
 257     double scale = 1.0;
 258     AVLFG prng;
 259     av_lfg_init(&prng, 1);
 260
 261     fft_nbits = 9;
 262     for(;;) {
 263         c = getopt(argc, argv, "hsimrdn:f:");
 264         if (c == -1)
 265             break;
 266         switch(c) {
 267         case 'h':
 268             help();
 269             break;
 270         case 's':
 271             do_speed = 1;
 272             break;
 273         case 'i':
 274             do_inverse = 1;
 275             break;
 276         case 'm':
 277             transform = TRANSFORM_MDCT;
 278             break;
 279         case 'r':
 280             transform = TRANSFORM_RDFT;
 281             break;
 282         case 'd':
 283             transform = TRANSFORM_DCT;
 284             break;
 285         case 'n':
 286             fft_nbits = atoi(optarg);
 287             break;
 288         case 'f':
 289             scale = atof(optarg);
 290             break;
 291         }
 292     }
 293
 294     fft_size = 1 << fft_nbits;
 295     fft_size_2 = fft_size >> 1;
 296     tab = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 297     tab1 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 298     tab_ref = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTComplex));
 299     tab2 = av_malloc(fft_size * sizeof(FFTSample));
 300
 301     switch (transform) {
 302     case TRANSFORM_MDCT:
 303         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Scale factor is set to %f\n", scale);
 304         if (do_inverse)
 305             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IMDCT");
 306         else
 307             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"MDCT");
 308         ff_mdct_init(m, fft_nbits, do_inverse, scale);
 309         break;
 310     case TRANSFORM_FFT:
 311         if (do_inverse)
 312             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IFFT");
 313         else
 314             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"FFT");
 315         ff_fft_init(s, fft_nbits, do_inverse);
 316         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 317         break;
 318 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 319     case TRANSFORM_RDFT:
 320         if (do_inverse)
 321             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"IDFT_C2R");
 322         else
 323             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DFT_R2C");
 324         ff_rdft_init(r, fft_nbits, do_inverse ? IDFT_C2R : DFT_R2C);
 325         fft_ref_init(fft_nbits, do_inverse);
 326         break;
 327     case TRANSFORM_DCT:
 328         if (do_inverse)
 329             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DCT_III");
 330         else
 331             av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"DCT_II");
 332         ff_dct_init(d, fft_nbits, do_inverse ? DCT_III : DCT_II);
 333         break;
 334 #endif
 335     default:
 336         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Requested transform not supported\n");
 337         return 1;
 338     }
 339     av_log(NULL, AV_LOG_INFO," %d test\n", fft_size);
 340
 341     /* generate random data */
 342
 343     for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 344         tab1[i].re = frandom(&prng);
 345         tab1[i].im = frandom(&prng);
 346     }
 347
 348     /* checking result */
 349     av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Checking...\n");
 350
 351     switch (transform) {
 352     case TRANSFORM_MDCT:
 353         if (do_inverse) {
 354             imdct_ref((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 355             m->imdct_calc(m, tab2, (FFTSample *)tab1);
 356             err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, tab2, fft_size, scale);
 357         } else {
 358             mdct_ref((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab1, fft_nbits);
 359
 360             m->mdct_calc(m, tab2, (FFTSample *)tab1);
 361
 362             err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, tab2, fft_size / 2, scale);
 363         }
 364         break;
 365     case TRANSFORM_FFT:
 366         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 367         s->fft_permute(s, tab);
 368         s->fft_calc(s, tab);
 369
 370         fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 371         err = check_diff((FFTSample *)tab_ref, (FFTSample *)tab, fft_size * 2, 1.0);
 372         break;
 373 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 374     case TRANSFORM_RDFT:
 375         if (do_inverse) {
 376             tab1[         0].im = 0;
 377             tab1[fft_size_2].im = 0;
 378             for (i = 1; i < fft_size_2; i++) {
 379                 tab1[fft_size_2+i].re =  tab1[fft_size_2-i].re;
 380                 tab1[fft_size_2+i].im = -tab1[fft_size_2-i].im;
 381             }
 382
 383             memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 384             tab2[1] = tab1[fft_size_2].re;
 385
 386             r->rdft_calc(r, tab2);
 387             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 388             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 389                 tab[i].re = tab2[i];
 390                 tab[i].im = 0;
 391             }
 392             err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size * 2, 0.5);
 393         } else {
 394             for (i = 0; i < fft_size; i++) {
 395                 tab2[i]    = tab1[i].re;
 396                 tab1[i].im = 0;
 397             }
 398             r->rdft_calc(r, tab2);
 399             fft_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 400             tab_ref[0].im = tab_ref[fft_size_2].re;
 401             err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab2, fft_size, 1.0);
 402         }
 403         break;
 404     case TRANSFORM_DCT:
 405         memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 406         d->dct_calc(d, tab);
 407         if (do_inverse) {
 408             idct_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 409         } else {
 410             dct_ref(tab_ref, tab1, fft_nbits);
 411         }
 412         err = check_diff((float *)tab_ref, (float *)tab, fft_size, 1.0);
 413         break;
 414 #endif
 415     }
 416
 417     /* do a speed test */
 418
 419     if (do_speed) {
 420         int64_t time_start, duration;
 421         int nb_its;
 422
 423         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"Speed test...\n");
 424         /* we measure during about 1 seconds */
 425         nb_its = 1;
 426         for(;;) {
 427             time_start = gettime();
 428             for (it = 0; it < nb_its; it++) {
 429                 switch (transform) {
 430                 case TRANSFORM_MDCT:
 431                     if (do_inverse) {
 432                         m->imdct_calc(m, (FFTSample *)tab, (FFTSample *)tab1);
 433                     } else {
 434                         m->mdct_calc(m, (FFTSample *)tab, (FFTSample *)tab1);
 435                     }
 436                     break;
 437                 case TRANSFORM_FFT:
 438                     memcpy(tab, tab1, fft_size * sizeof(FFTComplex));
 439                     s->fft_calc(s, tab);
 440                     break;
 441 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 442                 case TRANSFORM_RDFT:
 443                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 444                     r->rdft_calc(r, tab2);
 445                     break;
 446                 case TRANSFORM_DCT:
 447                     memcpy(tab2, tab1, fft_size * sizeof(FFTSample));
 448                     d->dct_calc(d, tab2);
 449                     break;
 450 #endif
 451                 }
 452             }
 453             duration = gettime() - time_start;
 454             if (duration >= 1000000)
 455                 break;
 456             nb_its *= 2;
 457         }
 458         av_log(NULL, AV_LOG_INFO,"time: %0.1f us/transform [total time=%0.2f s its=%d]\n",
 459                (double)duration / nb_its,
 460                (double)duration / 1000000.0,
 461                nb_its);
 462     }
 463
 464     switch (transform) {
 465     case TRANSFORM_MDCT:
 466         ff_mdct_end(m);
 467         break;
 468     case TRANSFORM_FFT:
 469         ff_fft_end(s);
 470         break;
 471 #if CONFIG_FFT_FLOAT
 472     case TRANSFORM_RDFT:
 473         ff_rdft_end(r);
 474         break;
 475     case TRANSFORM_DCT:
 476         ff_dct_end(d);
 477         break;
 478 #endif
 479     }
 480
 481     av_free(tab);
 482     av_free(tab1);
 483     av_free(tab2);
 484     av_free(tab_ref);
 485     av_free(exptab);
 486
 487     return err;
 488 }