src/spectral/fft.c

   1 /*
   2    Copyright (C) 2003 Paul Brossier
   3
   4    This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   5    it under the terms of the GNU General Public License as published by
   6    the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
   7    (at your option) any later version.
   8
   9    This program is distributed in the hope that it will be useful,
  10    but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  11    MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  12    GNU General Public License for more details.
  13
  14    You should have received a copy of the GNU General Public License
  15    along with this program; if not, write to the Free Software
  16    Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
  17
  18 */
  19
  20 #include "aubio_priv.h"
  21 #include "fvec.h"
  22 #include "cvec.h"
  23 #include "mathutils.h"
  24 #include "spectral/fft.h"
  25
  26 #if HAVE_FFTW3F
  27 #define fftw_malloc            fftwf_malloc
  28 #define fftw_free              fftwf_free
  29 #define fftw_execute           fftwf_execute
  30 #define fftw_plan_dft_r2c_1d   fftwf_plan_dft_r2c_1d
  31 #define fftw_plan_dft_c2r_1d   fftwf_plan_dft_c2r_1d
  32 #define fftw_plan_r2r_1d       fftwf_plan_r2r_1d
  33 #define fftw_plan              fftwf_plan
  34 #define fftw_destroy_plan      fftwf_destroy_plan
  35 #endif
  36
  37 #if HAVE_FFTW3F
  38 #if HAVE_AUBIO_DOUBLE
  39 #warning "Using aubio in double precision with fftw3 in single precision"
  40 #endif
  41 #define real_t float
  42 #else
  43 #define real_t double
  44 #endif
  45
  46 struct _aubio_fft_t {
  47   uint_t winsize;
  48   uint_t channels;
  49   uint_t fft_size;
  50   real_t *in, *out;
  51   fftw_plan pfw, pbw;
  52   fft_data_t * specdata;     /* complex spectral data */
  53   fvec_t * compspec;
  54 };
  55
  56 aubio_fft_t * new_aubio_fft(uint_t winsize, uint_t channels) {
  57   aubio_fft_t * s = AUBIO_NEW(aubio_fft_t);
  58   s->winsize  = winsize;
  59   s->channels = channels;
  60   /* allocate memory */
  61   s->in       = AUBIO_ARRAY(real_t,winsize);
  62   s->out      = AUBIO_ARRAY(real_t,winsize);
  63   s->compspec = new_fvec(winsize,channels);
  64   /* create plans */
  65 #ifdef HAVE_COMPLEX_H
  66   s->fft_size = winsize/2 + 1;
  67   s->specdata = (fft_data_t*)fftw_malloc(sizeof(fft_data_t)*s->fft_size);
  68   s->pfw = fftw_plan_dft_r2c_1d(winsize, s->in,  s->specdata, FFTW_ESTIMATE);
  69   s->pbw = fftw_plan_dft_c2r_1d(winsize, s->specdata, s->out, FFTW_ESTIMATE);
  70 #else
  71   s->fft_size = winsize;
  72   s->specdata = (fft_data_t*)fftw_malloc(sizeof(fft_data_t)*s->fft_size);
  73   s->pfw = fftw_plan_r2r_1d(winsize, s->in,  s->specdata, FFTW_R2HC, FFTW_ESTIMATE);
  74   s->pbw = fftw_plan_r2r_1d(winsize, s->specdata, s->out, FFTW_HC2R, FFTW_ESTIMATE);
  75 #endif
  76   return s;
  77 }
  78
  79 void del_aubio_fft(aubio_fft_t * s) {
  80   /* destroy data */
  81   del_fvec(s->compspec);
  82   fftw_destroy_plan(s->pfw);
  83   fftw_destroy_plan(s->pbw);
  84   fftw_free(s->specdata);
  85   AUBIO_FREE(s->out);
  86   AUBIO_FREE(s->in );
  87   AUBIO_FREE(s);
  88 }
  89
  90 void aubio_fft_do(aubio_fft_t * s, fvec_t * input, cvec_t * spectrum) {
  91   aubio_fft_do_complex(s, input, s->compspec);
  92   aubio_fft_get_spectrum(s->compspec, spectrum);
  93 }
  94
  95 void aubio_fft_rdo(aubio_fft_t * s, cvec_t * spectrum, fvec_t * output) {
  96   aubio_fft_get_realimag(spectrum, s->compspec);
  97   aubio_fft_rdo_complex(s, s->compspec, output);
  98 }
  99
 100 void aubio_fft_do_complex(aubio_fft_t * s, fvec_t * input, fvec_t * compspec) {
 101   uint_t i, j;
 102   for (i = 0; i < s->channels; i++) {
 103     for (j=0; j < s->winsize; j++) {
 104       s->in[j] = input->data[i][j];
 105     }
 106     fftw_execute(s->pfw);
 107 #ifdef HAVE_COMPLEX_H
 108     compspec->data[i][0] = REAL(s->specdata[0]);
 109     for (j = 1; j < s->fft_size -1 ; j++) {
 110       compspec->data[i][j] = REAL(s->specdata[j]);
 111       compspec->data[i][compspec->length - j] = IMAG(s->specdata[j]);
 112     }
 113     compspec->data[i][s->fft_size-1] = REAL(s->specdata[s->fft_size-1]);
 114 #else
 115     for (j = 0; j < s->fft_size; j++) {
 116       compspec->data[i][j] = s->specdata[j];
 117     }
 118 #endif
 119   }
 120 }
 121
 122 void aubio_fft_rdo_complex(aubio_fft_t * s, fvec_t * compspec, fvec_t * output) {
 123   uint_t i, j;
 124   const smpl_t renorm = 1./(smpl_t)s->winsize;
 125   for (i = 0; i < compspec->channels; i++) {
 126 #ifdef HAVE_COMPLEX_H
 127     s->specdata[0] = compspec->data[i][0];
 128     for (j=1; j < s->fft_size - 1; j++) {
 129       s->specdata[j] = compspec->data[i][j] +
 130         I * compspec->data[i][compspec->length - j];
 131     }
 132     s->specdata[s->fft_size - 1] = compspec->data[i][s->fft_size - 1];
 133 #else
 134     for (j=0; j < s->fft_size; j++) {
 135       s->specdata[j] = compspec->data[i][j];
 136     }
 137 #endif
 138     fftw_execute(s->pbw);
 139     for (j = 0; j < output->length; j++) {
 140       output->data[i][j] = s->out[j]*renorm;
 141     }
 142   }
 143 }
 144
 145 void aubio_fft_get_spectrum(fvec_t * compspec, cvec_t * spectrum) {
 146   aubio_fft_get_phas(compspec, spectrum);
 147   aubio_fft_get_norm(compspec, spectrum);
 148 }
 149
 150 void aubio_fft_get_realimag(cvec_t * spectrum, fvec_t * compspec) {
 151   aubio_fft_get_imag(spectrum, compspec);
 152   aubio_fft_get_real(spectrum, compspec);
 153 }
 154
 155 void aubio_fft_get_phas(fvec_t * compspec, cvec_t * spectrum) {
 156   uint_t i, j;
 157   for (i = 0; i < spectrum->channels; i++) {
 158     spectrum->phas[i][0] = 0.;
 159     for (j=1; j < spectrum->length - 1; j++) {
 160       if (compspec->data[i][j] == 0.) spectrum->phas[i][j] = 0;
 161       else
 162       spectrum->phas[i][j] = atan2f(compspec->data[i][compspec->length-j],
 163           compspec->data[i][j]);
 164     }
 165     spectrum->phas[i][spectrum->length-1] = 0.;
 166   }
 167 }
 168
 169 void aubio_fft_get_norm(fvec_t * compspec, cvec_t * spectrum) {
 170   uint_t i, j = 0;
 171   for (i = 0; i < spectrum->channels; i++) {
 172     spectrum->norm[i][0] = ABS(compspec->data[i][0]);
 173     for (j=1; j < spectrum->length - 1; j++) {
 174       spectrum->norm[i][j] = SQRT(SQR(compspec->data[i][j])
 175           + SQR(compspec->data[i][compspec->length - j]) );
 176     }
 177     spectrum->norm[i][spectrum->length-1] =
 178       ABS(compspec->data[i][compspec->length/2]);
 179   }
 180 }
 181
 182 void aubio_fft_get_imag(cvec_t * spectrum, fvec_t * compspec) {
 183   uint_t i, j;
 184   for (i = 0; i < compspec->channels; i++) {
 185     for (j = 1; j < compspec->length / 2 + 1; j++) {
 186       compspec->data[i][compspec->length - j] =
 187         spectrum->norm[i][j]*SIN(spectrum->phas[i][j]);
 188     }
 189   }
 190 }
 191
 192 void aubio_fft_get_real(cvec_t * spectrum, fvec_t * compspec) {
 193   uint_t i, j;
 194   for (i = 0; i < compspec->channels; i++) {
 195     for (j = 0; j< compspec->length / 2 + 1; j++) {
 196       compspec->data[i][j] =
 197         spectrum->norm[i][j]*COS(spectrum->phas[i][j]);
 198     }
 199   }
 200 }