5029934684a4231a98ed76981d5cb6b165702da5
[platform/framework/web/crosswalk.git] / src / third_party / webrtc / common_audio / resampler / sinc_resampler.cc
1 /*
2  *  Copyright (c) 2013 The WebRTC project authors. All Rights Reserved.
3  *
4  *  Use of this source code is governed by a BSD-style license
5  *  that can be found in the LICENSE file in the root of the source
6  *  tree. An additional intellectual property rights grant can be found
7  *  in the file PATENTS.  All contributing project authors may
8  *  be found in the AUTHORS file in the root of the source tree.
9  */
10
11 // Modified from the Chromium original:
12 // src/media/base/sinc_resampler.cc
13
14 // Initial input buffer layout, dividing into regions r0_ to r4_ (note: r0_, r3_
15 // and r4_ will move after the first load):
16 //
17 // |----------------|-----------------------------------------|----------------|
18 //
19 //                                        request_frames_
20 //                   <--------------------------------------------------------->
21 //                                    r0_ (during first load)
22 //
23 //  kKernelSize / 2   kKernelSize / 2         kKernelSize / 2   kKernelSize / 2
24 // <---------------> <--------------->       <---------------> <--------------->
25 //        r1_               r2_                     r3_               r4_
26 //
27 //                             block_size_ == r4_ - r2_
28 //                   <--------------------------------------->
29 //
30 //                                                  request_frames_
31 //                                    <------------------ ... ----------------->
32 //                                               r0_ (during second load)
33 //
34 // On the second request r0_ slides to the right by kKernelSize / 2 and r3_, r4_
35 // and block_size_ are reinitialized via step (3) in the algorithm below.
36 //
37 // These new regions remain constant until a Flush() occurs.  While complicated,
38 // this allows us to reduce jitter by always requesting the same amount from the
39 // provided callback.
40 //
41 // The algorithm:
42 //
43 // 1) Allocate input_buffer of size: request_frames_ + kKernelSize; this ensures
44 //    there's enough room to read request_frames_ from the callback into region
45 //    r0_ (which will move between the first and subsequent passes).
46 //
47 // 2) Let r1_, r2_ each represent half the kernel centered around r0_:
48 //
49 //        r0_ = input_buffer_ + kKernelSize / 2
50 //        r1_ = input_buffer_
51 //        r2_ = r0_
52 //
53 //    r0_ is always request_frames_ in size.  r1_, r2_ are kKernelSize / 2 in
54 //    size.  r1_ must be zero initialized to avoid convolution with garbage (see
55 //    step (5) for why).
56 //
57 // 3) Let r3_, r4_ each represent half the kernel right aligned with the end of
58 //    r0_ and choose block_size_ as the distance in frames between r4_ and r2_:
59 //
60 //        r3_ = r0_ + request_frames_ - kKernelSize
61 //        r4_ = r0_ + request_frames_ - kKernelSize / 2
62 //        block_size_ = r4_ - r2_ = request_frames_ - kKernelSize / 2
63 //
64 // 4) Consume request_frames_ frames into r0_.
65 //
66 // 5) Position kernel centered at start of r2_ and generate output frames until
67 //    the kernel is centered at the start of r4_ or we've finished generating
68 //    all the output frames.
69 //
70 // 6) Wrap left over data from the r3_ to r1_ and r4_ to r2_.
71 //
72 // 7) If we're on the second load, in order to avoid overwriting the frames we
73 //    just wrapped from r4_ we need to slide r0_ to the right by the size of
74 //    r4_, which is kKernelSize / 2:
75 //
76 //        r0_ = r0_ + kKernelSize / 2 = input_buffer_ + kKernelSize
77 //
78 //    r3_, r4_, and block_size_ then need to be reinitialized, so goto (3).
79 //
80 // 8) Else, if we're not on the second load, goto (4).
81 //
82 // Note: we're glossing over how the sub-sample handling works with
83 // |virtual_source_idx_|, etc.
84
85 // MSVC++ requires this to be set before any other includes to get M_PI.
86 #define _USE_MATH_DEFINES
87
88 #include "webrtc/common_audio/resampler/sinc_resampler.h"
89 #include "webrtc/system_wrappers/interface/compile_assert.h"
90 #include "webrtc/system_wrappers/interface/cpu_features_wrapper.h"
91 #include "webrtc/typedefs.h"
92
93 #include <math.h>
94 #include <string.h>
95
96 #include <limits>
97
98 namespace webrtc {
99
100 static double SincScaleFactor(double io_ratio) {
101   // |sinc_scale_factor| is basically the normalized cutoff frequency of the
102   // low-pass filter.
103   double sinc_scale_factor = io_ratio > 1.0 ? 1.0 / io_ratio : 1.0;
104
105   // The sinc function is an idealized brick-wall filter, but since we're
106   // windowing it the transition from pass to stop does not happen right away.
107   // So we should adjust the low pass filter cutoff slightly downward to avoid
108   // some aliasing at the very high-end.
109   // TODO(crogers): this value is empirical and to be more exact should vary
110   // depending on kKernelSize.
111   sinc_scale_factor *= 0.9;
112
113   return sinc_scale_factor;
114 }
115
116 // If we know the minimum architecture at compile time, avoid CPU detection.
117 #if defined(WEBRTC_ARCH_X86_FAMILY)
118 #if defined(__SSE2__)
119 #define CONVOLVE_FUNC Convolve_SSE
120 void SincResampler::InitializeCPUSpecificFeatures() {}
121 #else
122 // x86 CPU detection required.  Function will be set by
123 // InitializeCPUSpecificFeatures().
124 // TODO(dalecurtis): Once Chrome moves to an SSE baseline this can be removed.
125 #define CONVOLVE_FUNC convolve_proc_
126
127 void SincResampler::InitializeCPUSpecificFeatures() {
128   convolve_proc_ = WebRtc_GetCPUInfo(kSSE2) ? Convolve_SSE : Convolve_C;
129 }
130 #endif
131 #elif defined(WEBRTC_ARCH_ARM_V7)
132 #if defined(WEBRTC_ARCH_ARM_NEON)
133 #define CONVOLVE_FUNC Convolve_NEON
134 void SincResampler::InitializeCPUSpecificFeatures() {}
135 #else
136 // ARM CPU detection required.  Function will be set by
137 // InitializeCPUSpecificFeatures().
138 #define CONVOLVE_FUNC convolve_proc_
139
140 void SincResampler::InitializeCPUSpecificFeatures() {
141   convolve_proc_ = WebRtc_GetCPUFeaturesARM() & kCPUFeatureNEON ?
142       Convolve_NEON : Convolve_C;
143 }
144 #endif
145 #else
146 // Unknown architecture.
147 #define CONVOLVE_FUNC Convolve_C
148 void SincResampler::InitializeCPUSpecificFeatures() {}
149 #endif
150
151 SincResampler::SincResampler(double io_sample_rate_ratio,
152                              int request_frames,
153                              SincResamplerCallback* read_cb)
154     : io_sample_rate_ratio_(io_sample_rate_ratio),
155       read_cb_(read_cb),
156       request_frames_(request_frames),
157       input_buffer_size_(request_frames_ + kKernelSize),
158       // Create input buffers with a 16-byte alignment for SSE optimizations.
159       kernel_storage_(static_cast<float*>(
160           AlignedMalloc(sizeof(float) * kKernelStorageSize, 16))),
161       kernel_pre_sinc_storage_(static_cast<float*>(
162           AlignedMalloc(sizeof(float) * kKernelStorageSize, 16))),
163       kernel_window_storage_(static_cast<float*>(
164           AlignedMalloc(sizeof(float) * kKernelStorageSize, 16))),
165       input_buffer_(static_cast<float*>(
166           AlignedMalloc(sizeof(float) * input_buffer_size_, 16))),
167 #if defined(WEBRTC_CPU_DETECTION)
168       convolve_proc_(NULL),
169 #endif
170       r1_(input_buffer_.get()),
171       r2_(input_buffer_.get() + kKernelSize / 2) {
172 #if defined(WEBRTC_CPU_DETECTION)
173   InitializeCPUSpecificFeatures();
174   assert(convolve_proc_);
175 #endif
176   assert(request_frames_ > 0);
177   Flush();
178   assert(block_size_ > kKernelSize);
179
180   memset(kernel_storage_.get(), 0,
181          sizeof(*kernel_storage_.get()) * kKernelStorageSize);
182   memset(kernel_pre_sinc_storage_.get(), 0,
183          sizeof(*kernel_pre_sinc_storage_.get()) * kKernelStorageSize);
184   memset(kernel_window_storage_.get(), 0,
185          sizeof(*kernel_window_storage_.get()) * kKernelStorageSize);
186
187   InitializeKernel();
188 }
189
190 SincResampler::~SincResampler() {}
191
192 void SincResampler::UpdateRegions(bool second_load) {
193   // Setup various region pointers in the buffer (see diagram above).  If we're
194   // on the second load we need to slide r0_ to the right by kKernelSize / 2.
195   r0_ = input_buffer_.get() + (second_load ? kKernelSize : kKernelSize / 2);
196   r3_ = r0_ + request_frames_ - kKernelSize;
197   r4_ = r0_ + request_frames_ - kKernelSize / 2;
198   block_size_ = r4_ - r2_;
199
200   // r1_ at the beginning of the buffer.
201   assert(r1_ == input_buffer_.get());
202   // r1_ left of r2_, r4_ left of r3_ and size correct.
203   assert(r2_ - r1_ == r4_ - r3_);
204   // r2_ left of r3.
205   assert(r2_ < r3_);
206 }
207
208 void SincResampler::InitializeKernel() {
209   // Blackman window parameters.
210   static const double kAlpha = 0.16;
211   static const double kA0 = 0.5 * (1.0 - kAlpha);
212   static const double kA1 = 0.5;
213   static const double kA2 = 0.5 * kAlpha;
214
215   // Generates a set of windowed sinc() kernels.
216   // We generate a range of sub-sample offsets from 0.0 to 1.0.
217   const double sinc_scale_factor = SincScaleFactor(io_sample_rate_ratio_);
218   for (int offset_idx = 0; offset_idx <= kKernelOffsetCount; ++offset_idx) {
219     const float subsample_offset =
220         static_cast<float>(offset_idx) / kKernelOffsetCount;
221
222     for (int i = 0; i < kKernelSize; ++i) {
223       const int idx = i + offset_idx * kKernelSize;
224       const float pre_sinc = M_PI * (i - kKernelSize / 2 - subsample_offset);
225       kernel_pre_sinc_storage_[idx] = pre_sinc;
226
227       // Compute Blackman window, matching the offset of the sinc().
228       const float x = (i - subsample_offset) / kKernelSize;
229       const float window = kA0 - kA1 * cos(2.0 * M_PI * x) + kA2
230           * cos(4.0 * M_PI * x);
231       kernel_window_storage_[idx] = window;
232
233       // Compute the sinc with offset, then window the sinc() function and store
234       // at the correct offset.
235       if (pre_sinc == 0) {
236         kernel_storage_[idx] = sinc_scale_factor * window;
237       } else {
238         kernel_storage_[idx] =
239             window * sin(sinc_scale_factor * pre_sinc) / pre_sinc;
240       }
241     }
242   }
243 }
244
245 void SincResampler::SetRatio(double io_sample_rate_ratio) {
246   if (fabs(io_sample_rate_ratio_ - io_sample_rate_ratio) <
247       std::numeric_limits<double>::epsilon()) {
248     return;
249   }
250
251   io_sample_rate_ratio_ = io_sample_rate_ratio;
252
253   // Optimize reinitialization by reusing values which are independent of
254   // |sinc_scale_factor|.  Provides a 3x speedup.
255   const double sinc_scale_factor = SincScaleFactor(io_sample_rate_ratio_);
256   for (int offset_idx = 0; offset_idx <= kKernelOffsetCount; ++offset_idx) {
257     for (int i = 0; i < kKernelSize; ++i) {
258       const int idx = i + offset_idx * kKernelSize;
259       const float window = kernel_window_storage_[idx];
260       const float pre_sinc = kernel_pre_sinc_storage_[idx];
261
262       if (pre_sinc == 0) {
263         kernel_storage_[idx] = sinc_scale_factor * window;
264       } else {
265         kernel_storage_[idx] =
266             window * sin(sinc_scale_factor * pre_sinc) / pre_sinc;
267       }
268     }
269   }
270 }
271
272 void SincResampler::Resample(int frames, float* destination) {
273   int remaining_frames = frames;
274
275   // Step (1) -- Prime the input buffer at the start of the input stream.
276   if (!buffer_primed_ && remaining_frames) {
277     read_cb_->Run(request_frames_, r0_);
278     buffer_primed_ = true;
279   }
280
281   // Step (2) -- Resample!  const what we can outside of the loop for speed.  It
282   // actually has an impact on ARM performance.  See inner loop comment below.
283   const double current_io_ratio = io_sample_rate_ratio_;
284   const float* const kernel_ptr = kernel_storage_.get();
285   while (remaining_frames) {
286     // |i| may be negative if the last Resample() call ended on an iteration
287     // that put |virtual_source_idx_| over the limit.
288     //
289     // Note: The loop construct here can severely impact performance on ARM
290     // or when built with clang.  See https://codereview.chromium.org/18566009/
291     for (int i = ceil((block_size_ - virtual_source_idx_) / current_io_ratio);
292          i > 0; --i) {
293       assert(virtual_source_idx_ < block_size_);
294
295       // |virtual_source_idx_| lies in between two kernel offsets so figure out
296       // what they are.
297       const int source_idx = virtual_source_idx_;
298       const double subsample_remainder = virtual_source_idx_ - source_idx;
299
300       const double virtual_offset_idx =
301           subsample_remainder * kKernelOffsetCount;
302       const int offset_idx = virtual_offset_idx;
303
304       // We'll compute "convolutions" for the two kernels which straddle
305       // |virtual_source_idx_|.
306       const float* const k1 = kernel_ptr + offset_idx * kKernelSize;
307       const float* const k2 = k1 + kKernelSize;
308
309       // Ensure |k1|, |k2| are 16-byte aligned for SIMD usage.  Should always be
310       // true so long as kKernelSize is a multiple of 16.
311       assert(0u == (reinterpret_cast<uintptr_t>(k1) & 0x0F));
312       assert(0u == (reinterpret_cast<uintptr_t>(k2) & 0x0F));
313
314       // Initialize input pointer based on quantized |virtual_source_idx_|.
315       const float* const input_ptr = r1_ + source_idx;
316
317       // Figure out how much to weight each kernel's "convolution".
318       const double kernel_interpolation_factor =
319           virtual_offset_idx - offset_idx;
320       *destination++ = CONVOLVE_FUNC(
321           input_ptr, k1, k2, kernel_interpolation_factor);
322
323       // Advance the virtual index.
324       virtual_source_idx_ += current_io_ratio;
325
326       if (!--remaining_frames)
327         return;
328     }
329
330     // Wrap back around to the start.
331     virtual_source_idx_ -= block_size_;
332
333     // Step (3) -- Copy r3_, r4_ to r1_, r2_.
334     // This wraps the last input frames back to the start of the buffer.
335     memcpy(r1_, r3_, sizeof(*input_buffer_.get()) * kKernelSize);
336
337     // Step (4) -- Reinitialize regions if necessary.
338     if (r0_ == r2_)
339       UpdateRegions(true);
340
341     // Step (5) -- Refresh the buffer with more input.
342     read_cb_->Run(request_frames_, r0_);
343   }
344 }
345
346 #undef CONVOLVE_FUNC
347
348 int SincResampler::ChunkSize() const {
349   return block_size_ / io_sample_rate_ratio_;
350 }
351
352 void SincResampler::Flush() {
353   virtual_source_idx_ = 0;
354   buffer_primed_ = false;
355   memset(input_buffer_.get(), 0,
356          sizeof(*input_buffer_.get()) * input_buffer_size_);
357   UpdateRegions(false);
358 }
359
360 float SincResampler::Convolve_C(const float* input_ptr, const float* k1,
361                                 const float* k2,
362                                 double kernel_interpolation_factor) {
363   float sum1 = 0;
364   float sum2 = 0;
365
366   // Generate a single output sample.  Unrolling this loop hurt performance in
367   // local testing.
368   int n = kKernelSize;
369   while (n--) {
370     sum1 += *input_ptr * *k1++;
371     sum2 += *input_ptr++ * *k2++;
372   }
373
374   // Linearly interpolate the two "convolutions".
375   return (1.0 - kernel_interpolation_factor) * sum1
376       + kernel_interpolation_factor * sum2;
377 }
378
379 }  // namespace webrtc