libavcodec/lpc.c

   1 /**
   2  * LPC utility code
   3  * Copyright (c) 2006  Justin Ruggles <justin.ruggles@gmail.com>
   4  *
   5  * This file is part of FFmpeg.
   6  *
   7  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
   8  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   9  * License as published by the Free Software Foundation; either
  10  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  11  *
  12  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  13  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  14  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  15  * Lesser General Public License for more details.
  16  *
  17  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  18  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  19  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  20  */
  21
  22 #include "libavutil/lls.h"
  23
  24 #define LPC_USE_DOUBLE
  25 #include "lpc.h"
  26
  27
  28 /**
  29  * Apply Welch window function to audio block
  30  */
  31 static void lpc_apply_welch_window_c(const int32_t *data, int len,
  32                                      double *w_data)
  33 {
  34     int i, n2;
  35     double w;
  36     double c;
  37
  38     assert(!(len&1)); //the optimization in r11881 does not support odd len
  39                       //if someone wants odd len extend the change in r11881
  40
  41     n2 = (len >> 1);
  42     c = 2.0 / (len - 1.0);
  43
  44     w_data+=n2;
  45       data+=n2;
  46     for(i=0; i<n2; i++) {
  47         w = c - n2 + i;
  48         w = 1.0 - (w * w);
  49         w_data[-i-1] = data[-i-1] * w;
  50         w_data[+i  ] = data[+i  ] * w;
  51     }
  52 }
  53
  54 /**
  55  * Calculate autocorrelation data from audio samples
  56  * A Welch window function is applied before calculation.
  57  */
  58 static void lpc_compute_autocorr_c(const double *data, int len, int lag,
  59                                    double *autoc)
  60 {
  61     int i, j;
  62
  63     for(j=0; j<lag; j+=2){
  64         double sum0 = 1.0, sum1 = 1.0;
  65         for(i=j; i<len; i++){
  66             sum0 += data[i] * data[i-j];
  67             sum1 += data[i] * data[i-j-1];
  68         }
  69         autoc[j  ] = sum0;
  70         autoc[j+1] = sum1;
  71     }
  72
  73     if(j==lag){
  74         double sum = 1.0;
  75         for(i=j-1; i<len; i+=2){
  76             sum += data[i  ] * data[i-j  ]
  77                  + data[i+1] * data[i-j+1];
  78         }
  79         autoc[j] = sum;
  80     }
  81 }
  82
  83 /**
  84  * Quantize LPC coefficients
  85  */
  86 static void quantize_lpc_coefs(double *lpc_in, int order, int precision,
  87                                int32_t *lpc_out, int *shift, int max_shift, int zero_shift)
  88 {
  89     int i;
  90     double cmax, error;
  91     int32_t qmax;
  92     int sh;
  93
  94     /* define maximum levels */
  95     qmax = (1 << (precision - 1)) - 1;
  96
  97     /* find maximum coefficient value */
  98     cmax = 0.0;
  99     for(i=0; i<order; i++) {
 100         cmax= FFMAX(cmax, fabs(lpc_in[i]));
 101     }
 102
 103     /* if maximum value quantizes to zero, return all zeros */
 104     if(cmax * (1 << max_shift) < 1.0) {
 105         *shift = zero_shift;
 106         memset(lpc_out, 0, sizeof(int32_t) * order);
 107         return;
 108     }
 109
 110     /* calculate level shift which scales max coeff to available bits */
 111     sh = max_shift;
 112     while((cmax * (1 << sh) > qmax) && (sh > 0)) {
 113         sh--;
 114     }
 115
 116     /* since negative shift values are unsupported in decoder, scale down
 117        coefficients instead */
 118     if(sh == 0 && cmax > qmax) {
 119         double scale = ((double)qmax) / cmax;
 120         for(i=0; i<order; i++) {
 121             lpc_in[i] *= scale;
 122         }
 123     }
 124
 125     /* output quantized coefficients and level shift */
 126     error=0;
 127     for(i=0; i<order; i++) {
 128         error -= lpc_in[i] * (1 << sh);
 129         lpc_out[i] = av_clip(lrintf(error), -qmax, qmax);
 130         error -= lpc_out[i];
 131     }
 132     *shift = sh;
 133 }
 134
 135 static int estimate_best_order(double *ref, int min_order, int max_order)
 136 {
 137     int i, est;
 138
 139     est = min_order;
 140     for(i=max_order-1; i>=min_order-1; i--) {
 141         if(ref[i] > 0.10) {
 142             est = i+1;
 143             break;
 144         }
 145     }
 146     return est;
 147 }
 148
 149 /**
 150  * Calculate LPC coefficients for multiple orders
 151  *
 152  * @param use_lpc LPC method for determining coefficients
 153  * 0  = LPC with fixed pre-defined coeffs
 154  * 1  = LPC with coeffs determined by Levinson-Durbin recursion
 155  * 2+ = LPC with coeffs determined by Cholesky factorization using (use_lpc-1) passes.
 156  */
 157 int ff_lpc_calc_coefs(LPCContext *s,
 158                       const int32_t *samples, int blocksize, int min_order,
 159                       int max_order, int precision,
 160                       int32_t coefs[][MAX_LPC_ORDER], int *shift,
 161                       enum FFLPCType lpc_type, int lpc_passes,
 162                       int omethod, int max_shift, int zero_shift)
 163 {
 164     double autoc[MAX_LPC_ORDER+1];
 165     double ref[MAX_LPC_ORDER];
 166     double lpc[MAX_LPC_ORDER][MAX_LPC_ORDER];
 167     int i, j, pass;
 168     int opt_order;
 169
 170     assert(max_order >= MIN_LPC_ORDER && max_order <= MAX_LPC_ORDER &&
 171            lpc_type > FF_LPC_TYPE_FIXED);
 172
 173     /* reinit LPC context if parameters have changed */
 174     if (blocksize != s->blocksize || max_order != s->max_order ||
 175         lpc_type  != s->lpc_type) {
 176         ff_lpc_end(s);
 177         ff_lpc_init(s, blocksize, max_order, lpc_type);
 178     }
 179
 180     if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_LEVINSON) {
 181         double *windowed_samples = s->windowed_samples + max_order;
 182
 183         s->lpc_apply_welch_window(samples, blocksize, windowed_samples);
 184
 185         s->lpc_compute_autocorr(windowed_samples, blocksize, max_order, autoc);
 186
 187         compute_lpc_coefs(autoc, max_order, &lpc[0][0], MAX_LPC_ORDER, 0, 1);
 188
 189         for(i=0; i<max_order; i++)
 190             ref[i] = fabs(lpc[i][i]);
 191     } else if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_CHOLESKY) {
 192         LLSModel m[2];
 193         double var[MAX_LPC_ORDER+1], av_uninit(weight);
 194
 195         for(pass=0; pass<lpc_passes; pass++){
 196             av_init_lls(&m[pass&1], max_order);
 197
 198             weight=0;
 199             for(i=max_order; i<blocksize; i++){
 200                 for(j=0; j<=max_order; j++)
 201                     var[j]= samples[i-j];
 202
 203                 if(pass){
 204                     double eval, inv, rinv;
 205                     eval= av_evaluate_lls(&m[(pass-1)&1], var+1, max_order-1);
 206                     eval= (512>>pass) + fabs(eval - var[0]);
 207                     inv = 1/eval;
 208                     rinv = sqrt(inv);
 209                     for(j=0; j<=max_order; j++)
 210                         var[j] *= rinv;
 211                     weight += inv;
 212                 }else
 213                     weight++;
 214
 215                 av_update_lls(&m[pass&1], var, 1.0);
 216             }
 217             av_solve_lls(&m[pass&1], 0.001, 0);
 218         }
 219
 220         for(i=0; i<max_order; i++){
 221             for(j=0; j<max_order; j++)
 222                 lpc[i][j]=-m[(pass-1)&1].coeff[i][j];
 223             ref[i]= sqrt(m[(pass-1)&1].variance[i] / weight) * (blocksize - max_order) / 4000;
 224         }
 225         for(i=max_order-1; i>0; i--)
 226             ref[i] = ref[i-1] - ref[i];
 227     }
 228     opt_order = max_order;
 229
 230     if(omethod == ORDER_METHOD_EST) {
 231         opt_order = estimate_best_order(ref, min_order, max_order);
 232         i = opt_order-1;
 233         quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i], max_shift, zero_shift);
 234     } else {
 235         for(i=min_order-1; i<max_order; i++) {
 236             quantize_lpc_coefs(lpc[i], i+1, precision, coefs[i], &shift[i], max_shift, zero_shift);
 237         }
 238     }
 239
 240     return opt_order;
 241 }
 242
 243 av_cold int ff_lpc_init(LPCContext *s, int blocksize, int max_order,
 244                         enum FFLPCType lpc_type)
 245 {
 246     s->blocksize = blocksize;
 247     s->max_order = max_order;
 248     s->lpc_type  = lpc_type;
 249
 250     if (lpc_type == FF_LPC_TYPE_LEVINSON) {
 251         s->windowed_samples = av_mallocz((blocksize + max_order + 2) *
 252                                          sizeof(*s->windowed_samples));
 253         if (!s->windowed_samples)
 254             return AVERROR(ENOMEM);
 255     } else {
 256         s->windowed_samples = NULL;
 257     }
 258
 259     s->lpc_apply_welch_window = lpc_apply_welch_window_c;
 260     s->lpc_compute_autocorr   = lpc_compute_autocorr_c;
 261
 262     if (HAVE_MMX)
 263         ff_lpc_init_x86(s);
 264
 265     return 0;
 266 }
 267
 268 av_cold void ff_lpc_end(LPCContext *s)
 269 {
 270     av_freep(&s->windowed_samples);
 271 }