update qm-dsp library
[ardour.git] / libs / qm-dsp / dsp / rateconversion / Resampler.cpp
1 /* -*- c-basic-offset: 4 indent-tabs-mode: nil -*-  vi:set ts=8 sts=4 sw=4: */
2 /*
3     QM DSP Library
4
5     Centre for Digital Music, Queen Mary, University of London.
6     This file by Chris Cannam.
7
8     This program is free software; you can redistribute it and/or
9     modify it under the terms of the GNU General Public License as
10     published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
11     License, or (at your option) any later version.  See the file
12     COPYING included with this distribution for more information.
13 */
14
15 #include "Resampler.h"
16
17 #include "maths/MathUtilities.h"
18 #include "base/KaiserWindow.h"
19 #include "base/SincWindow.h"
20 #include "thread/Thread.h"
21
22 #include <iostream>
23 #include <vector>
24 #include <map>
25 #include <cassert>
26
27 using std::vector;
28 using std::map;
29 using std::cerr;
30 using std::endl;
31
32 //#define DEBUG_RESAMPLER 1
33 //#define DEBUG_RESAMPLER_VERBOSE 1
34
35 Resampler::Resampler(int sourceRate, int targetRate) :
36     m_sourceRate(sourceRate),
37     m_targetRate(targetRate)
38 {
39     initialise(100, 0.02);
40 }
41
42 Resampler::Resampler(int sourceRate, int targetRate, 
43                      double snr, double bandwidth) :
44     m_sourceRate(sourceRate),
45     m_targetRate(targetRate)
46 {
47     initialise(snr, bandwidth);
48 }
49
50 Resampler::~Resampler()
51 {
52     delete[] m_phaseData;
53 }
54
55 // peakToPole -> length -> beta -> window
56 static map<double, map<int, map<double, vector<double> > > >
57 knownFilters;
58
59 static Mutex
60 knownFilterMutex;
61
62 void
63 Resampler::initialise(double snr, double bandwidth)
64 {
65     int higher = std::max(m_sourceRate, m_targetRate);
66     int lower = std::min(m_sourceRate, m_targetRate);
67
68     m_gcd = MathUtilities::gcd(lower, higher);
69     m_peakToPole = higher / m_gcd;
70
71     if (m_targetRate < m_sourceRate) {
72         // antialiasing filter, should be slightly below nyquist
73         m_peakToPole = m_peakToPole / (1.0 - bandwidth/2.0);
74     }
75
76     KaiserWindow::Parameters params =
77         KaiserWindow::parametersForBandwidth(snr, bandwidth, higher / m_gcd);
78
79     params.length =
80         (params.length % 2 == 0 ? params.length + 1 : params.length);
81     
82     params.length =
83         (params.length > 200001 ? 200001 : params.length);
84
85     m_filterLength = params.length;
86
87     vector<double> filter;
88     knownFilterMutex.lock();
89
90     if (knownFilters[m_peakToPole][m_filterLength].find(params.beta) ==
91         knownFilters[m_peakToPole][m_filterLength].end()) {
92
93         KaiserWindow kw(params);
94         SincWindow sw(m_filterLength, m_peakToPole * 2);
95
96         filter = vector<double>(m_filterLength, 0.0);
97         for (int i = 0; i < m_filterLength; ++i) filter[i] = 1.0;
98         sw.cut(filter.data());
99         kw.cut(filter.data());
100
101         knownFilters[m_peakToPole][m_filterLength][params.beta] = filter;
102     }
103
104     filter = knownFilters[m_peakToPole][m_filterLength][params.beta];
105     knownFilterMutex.unlock();
106
107     int inputSpacing = m_targetRate / m_gcd;
108     int outputSpacing = m_sourceRate / m_gcd;
109
110 #ifdef DEBUG_RESAMPLER
111     cerr << "resample " << m_sourceRate << " -> " << m_targetRate
112          << ": inputSpacing " << inputSpacing << ", outputSpacing "
113          << outputSpacing << ": filter length " << m_filterLength
114          << endl;
115 #endif
116
117     // Now we have a filter of (odd) length flen in which the lower
118     // sample rate corresponds to every n'th point and the higher rate
119     // to every m'th where n and m are higher and lower rates divided
120     // by their gcd respectively. So if x coordinates are on the same
121     // scale as our filter resolution, then source sample i is at i *
122     // (targetRate / gcd) and target sample j is at j * (sourceRate /
123     // gcd).
124
125     // To reconstruct a single target sample, we want a buffer (real
126     // or virtual) of flen values formed of source samples spaced at
127     // intervals of (targetRate / gcd), in our example case 3.  This
128     // is initially formed with the first sample at the filter peak.
129     //
130     // 0  0  0  0  a  0  0  b  0
131     //
132     // and of course we have our filter
133     //
134     // f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9
135     //
136     // We take the sum of products of non-zero values from this buffer
137     // with corresponding values in the filter
138     //
139     // a * f5 + b * f8
140     //
141     // Then we drop (sourceRate / gcd) values, in our example case 4,
142     // from the start of the buffer and fill until it has flen values
143     // again
144     //
145     // a  0  0  b  0  0  c  0  0
146     //
147     // repeat to reconstruct the next target sample
148     //
149     // a * f1 + b * f4 + c * f7
150     //
151     // and so on.
152     //
153     // Above I said the buffer could be "real or virtual" -- ours is
154     // virtual. We don't actually store all the zero spacing values,
155     // except for padding at the start; normally we store only the
156     // values that actually came from the source stream, along with a
157     // phase value that tells us how many virtual zeroes there are at
158     // the start of the virtual buffer.  So the two examples above are
159     //
160     // 0 a b  [ with phase 1 ]
161     // a b c  [ with phase 0 ]
162     //
163     // Having thus broken down the buffer so that only the elements we
164     // need to multiply are present, we can also unzip the filter into
165     // every-nth-element subsets at each phase, allowing us to do the
166     // filter multiplication as a simply vector multiply. That is, rather
167     // than store
168     //
169     // f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9
170     // 
171     // we store separately
172     //
173     // f1 f4 f7
174     // f2 f5 f8
175     // f3 f6 f9
176     //
177     // Each time we complete a multiply-and-sum, we need to work out
178     // how many (real) samples to drop from the start of our buffer,
179     // and how many to add at the end of it for the next multiply.  We
180     // know we want to drop enough real samples to move along by one
181     // computed output sample, which is our outputSpacing number of
182     // virtual buffer samples. Depending on the relationship between
183     // input and output spacings, this may mean dropping several real
184     // samples, one real sample, or none at all (and simply moving to
185     // a different "phase").
186
187     m_phaseData = new Phase[inputSpacing];
188
189     for (int phase = 0; phase < inputSpacing; ++phase) {
190
191         Phase p;
192
193         p.nextPhase = phase - outputSpacing;
194         while (p.nextPhase < 0) p.nextPhase += inputSpacing;
195         p.nextPhase %= inputSpacing;
196         
197         p.drop = int(ceil(std::max(0.0, double(outputSpacing - phase))
198                           / inputSpacing));
199
200         int filtZipLength = int(ceil(double(m_filterLength - phase)
201                                      / inputSpacing));
202
203         for (int i = 0; i < filtZipLength; ++i) {
204             p.filter.push_back(filter[i * inputSpacing + phase]);
205         }
206
207         m_phaseData[phase] = p;
208     }
209
210 #ifdef DEBUG_RESAMPLER
211     int cp = 0;
212     int totDrop = 0;
213     for (int i = 0; i < inputSpacing; ++i) {
214         cerr << "phase = " << cp << ", drop = " << m_phaseData[cp].drop
215              << ", filter length = " << m_phaseData[cp].filter.size()
216              << ", next phase = " << m_phaseData[cp].nextPhase << endl;
217         totDrop += m_phaseData[cp].drop;
218         cp = m_phaseData[cp].nextPhase;
219     }
220     cerr << "total drop = " << totDrop << endl;
221 #endif
222
223     // The May implementation of this uses a pull model -- we ask the
224     // resampler for a certain number of output samples, and it asks
225     // its source stream for as many as it needs to calculate
226     // those. This means (among other things) that the source stream
227     // can be asked for enough samples up-front to fill the buffer
228     // before the first output sample is generated.
229     // 
230     // In this implementation we're using a push model in which a
231     // certain number of source samples is provided and we're asked
232     // for as many output samples as that makes available. But we
233     // can't return any samples from the beginning until half the
234     // filter length has been provided as input. This means we must
235     // either return a very variable number of samples (none at all
236     // until the filter fills, then half the filter length at once) or
237     // else have a lengthy declared latency on the output. We do the
238     // latter. (What do other implementations do?)
239     //
240     // We want to make sure the first "real" sample will eventually be
241     // aligned with the centre sample in the filter (it's tidier, and
242     // easier to do diagnostic calculations that way). So we need to
243     // pick the initial phase and buffer fill accordingly.
244     // 
245     // Example: if the inputSpacing is 2, outputSpacing is 3, and
246     // filter length is 7,
247     // 
248     //    x     x     x     x     a     b     c ... input samples
249     // 0  1  2  3  4  5  6  7  8  9 10 11 12 13 ... 
250     //          i        j        k        l    ... output samples
251     // [--------|--------] <- filter with centre mark
252     //
253     // Let h be the index of the centre mark, here 3 (generally
254     // int(filterLength/2) for odd-length filters).
255     //
256     // The smallest n such that h + n * outputSpacing > filterLength
257     // is 2 (that is, ceil((filterLength - h) / outputSpacing)), and
258     // (h + 2 * outputSpacing) % inputSpacing == 1, so the initial
259     // phase is 1.
260     //
261     // To achieve our n, we need to pre-fill the "virtual" buffer with
262     // 4 zero samples: the x's above. This is int((h + n *
263     // outputSpacing) / inputSpacing). It's the phase that makes this
264     // buffer get dealt with in such a way as to give us an effective
265     // index for sample a of 9 rather than 8 or 10 or whatever.
266     //
267     // This gives us output latency of 2 (== n), i.e. output samples i
268     // and j will appear before the one in which input sample a is at
269     // the centre of the filter.
270
271     int h = int(m_filterLength / 2);
272     int n = ceil(double(m_filterLength - h) / outputSpacing);
273     
274     m_phase = (h + n * outputSpacing) % inputSpacing;
275
276     int fill = (h + n * outputSpacing) / inputSpacing;
277     
278     m_latency = n;
279
280     m_buffer = vector<double>(fill, 0);
281     m_bufferOrigin = 0;
282
283 #ifdef DEBUG_RESAMPLER
284     cerr << "initial phase " << m_phase << " (as " << (m_filterLength/2) << " % " << inputSpacing << ")"
285               << ", latency " << m_latency << endl;
286 #endif
287 }
288
289 double
290 Resampler::reconstructOne()
291 {
292     Phase &pd = m_phaseData[m_phase];
293     double v = 0.0;
294     int n = pd.filter.size();
295
296     assert(n + m_bufferOrigin <= (int)m_buffer.size());
297
298     const double *const __restrict__ buf = m_buffer.data() + m_bufferOrigin;
299     const double *const __restrict__ filt = pd.filter.data();
300
301     for (int i = 0; i < n; ++i) {
302         // NB gcc can only vectorize this with -ffast-math
303         v += buf[i] * filt[i];
304     }
305
306     m_bufferOrigin += pd.drop;
307     m_phase = pd.nextPhase;
308     return v;
309 }
310
311 int
312 Resampler::process(const double *src, double *dst, int n)
313 {
314     for (int i = 0; i < n; ++i) {
315         m_buffer.push_back(src[i]);
316     }
317
318     int maxout = int(ceil(double(n) * m_targetRate / m_sourceRate));
319     int outidx = 0;
320
321 #ifdef DEBUG_RESAMPLER
322     cerr << "process: buf siz " << m_buffer.size() << " filt siz for phase " << m_phase << " " << m_phaseData[m_phase].filter.size() << endl;
323 #endif
324
325     double scaleFactor = (double(m_targetRate) / m_gcd) / m_peakToPole;
326
327     while (outidx < maxout &&
328            m_buffer.size() >= m_phaseData[m_phase].filter.size() + m_bufferOrigin) {
329         dst[outidx] = scaleFactor * reconstructOne();
330         outidx++;
331     }
332
333     m_buffer = vector<double>(m_buffer.begin() + m_bufferOrigin, m_buffer.end());
334     m_bufferOrigin = 0;
335     
336     return outidx;
337 }
338     
339 vector<double>
340 Resampler::process(const double *src, int n)
341 {
342     int maxout = int(ceil(double(n) * m_targetRate / m_sourceRate));
343     vector<double> out(maxout, 0.0);
344     int got = process(src, out.data(), n);
345     assert(got <= maxout);
346     if (got < maxout) out.resize(got);
347     return out;
348 }
349
350 vector<double>
351 Resampler::resample(int sourceRate, int targetRate, const double *data, int n)
352 {
353     Resampler r(sourceRate, targetRate);
354
355     int latency = r.getLatency();
356
357     // latency is the output latency. We need to provide enough
358     // padding input samples at the end of input to guarantee at
359     // *least* the latency's worth of output samples. that is,
360
361     int inputPad = int(ceil((double(latency) * sourceRate) / targetRate));
362
363     // that means we are providing this much input in total:
364
365     int n1 = n + inputPad;
366
367     // and obtaining this much output in total:
368
369     int m1 = int(ceil((double(n1) * targetRate) / sourceRate));
370
371     // in order to return this much output to the user:
372
373     int m = int(ceil((double(n) * targetRate) / sourceRate));
374     
375 #ifdef DEBUG_RESAMPLER
376     cerr << "n = " << n << ", sourceRate = " << sourceRate << ", targetRate = " << targetRate << ", m = " << m << ", latency = " << latency << ", inputPad = " << inputPad << ", m1 = " << m1 << ", n1 = " << n1 << ", n1 - n = " << n1 - n << endl;
377 #endif
378
379     vector<double> pad(n1 - n, 0.0);
380     vector<double> out(m1 + 1, 0.0);
381
382     int gotData = r.process(data, out.data(), n);
383     int gotPad = r.process(pad.data(), out.data() + gotData, pad.size());
384     int got = gotData + gotPad;
385     
386 #ifdef DEBUG_RESAMPLER
387     cerr << "resample: " << n << " in, " << pad.size() << " padding, " << got << " out (" << gotData << " data, " << gotPad << " padding, latency = " << latency << ")" << endl;
388 #endif
389 #ifdef DEBUG_RESAMPLER_VERBOSE
390     int printN = 50;
391     cerr << "first " << printN << " in:" << endl;
392     for (int i = 0; i < printN && i < n; ++i) {
393         if (i % 5 == 0) cerr << endl << i << "... ";
394         cerr << data[i] << " ";
395     }
396     cerr << endl;
397 #endif
398
399     int toReturn = got - latency;
400     if (toReturn > m) toReturn = m;
401
402     vector<double> sliced(out.begin() + latency, 
403                           out.begin() + latency + toReturn);
404
405 #ifdef DEBUG_RESAMPLER_VERBOSE
406     cerr << "first " << printN << " out (after latency compensation), length " << sliced.size() << ":";
407     for (int i = 0; i < printN && i < sliced.size(); ++i) {
408         if (i % 5 == 0) cerr << endl << i << "... ";
409         cerr << sliced[i] << " ";
410     }
411     cerr << endl;
412 #endif
413
414     return sliced;
415 }
416