]> git.nihav.org Git - nihav.git/blobdiff - src/dsp/fft.rs
split NihAV into subcrates
[nihav.git] / src / dsp / fft.rs
diff --git a/src/dsp/fft.rs b/src/dsp/fft.rs
deleted file mode 100644 (file)
index 98f8904..0000000
+++ /dev/null
@@ -1,475 +0,0 @@
-use std::f32::{self, consts};
-use std::ops::{Not, Neg, Add, AddAssign, Sub, SubAssign, Mul, MulAssign};
-use std::fmt;
-
-#[derive(Debug,Clone,Copy,PartialEq)]
-pub struct FFTComplex {
-    pub re: f32,
-    pub im: f32,
-}
-
-impl FFTComplex {
-    pub fn exp(val: f32) -> Self {
-        FFTComplex { re: val.cos(), im: val.sin() }
-    }
-    pub fn rotate(self) -> Self {
-        FFTComplex { re: -self.im, im: self.re }
-    }
-    pub fn scale(self, scale: f32) -> Self {
-        FFTComplex { re: self.re * scale, im: self.im * scale }
-    }
-}
-
-impl Neg for FFTComplex {
-    type Output = FFTComplex;
-    fn neg(self) -> Self::Output {
-        FFTComplex { re: -self.re, im: -self.im }
-    }
-}
-
-impl Not for FFTComplex {
-    type Output = FFTComplex;
-    fn not(self) -> Self::Output {
-        FFTComplex { re: self.re, im: -self.im }
-    }
-}
-
-impl Add for FFTComplex {
-    type Output = FFTComplex;
-    fn add(self, other: Self) -> Self::Output {
-        FFTComplex { re: self.re + other.re, im: self.im + other.im }
-    }
-}
-
-impl AddAssign for FFTComplex {
-    fn add_assign(&mut self, other: Self) {
-        self.re += other.re;
-        self.im += other.im;
-    }
-}
-
-impl Sub for FFTComplex {
-    type Output = FFTComplex;
-    fn sub(self, other: Self) -> Self::Output {
-        FFTComplex { re: self.re - other.re, im: self.im - other.im }
-    }
-}
-
-impl SubAssign for FFTComplex {
-    fn sub_assign(&mut self, other: Self) {
-        self.re -= other.re;
-        self.im -= other.im;
-    }
-}
-
-impl Mul for FFTComplex {
-    type Output = FFTComplex;
-    fn mul(self, other: Self) -> Self::Output {
-        FFTComplex { re: self.re * other.re - self.im * other.im,
-                     im: self.im * other.re + self.re * other.im }
-    }
-}
-
-impl MulAssign for FFTComplex {
-    fn mul_assign(&mut self, other: Self) {
-        let re = self.re * other.re - self.im * other.im;
-        let im = self.im * other.re + self.re * other.im;
-        self.re = re;
-        self.im = im;
-    }
-}
-
-impl fmt::Display for FFTComplex {
-    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
-        write!(f, "({}, {})", self.re, self.im)
-    }
-}
-
-pub const FFTC_ZERO: FFTComplex = FFTComplex { re: 0.0, im: 0.0 };
-
-#[derive(Debug,Clone,Copy,PartialEq)]
-pub enum FFTMode {
-    Matrix,
-    CooleyTukey,
-    SplitRadix,
-}
-
-pub struct FFT {
-    table:   Vec<FFTComplex>,
-    perms:   Vec<usize>,
-    swaps:   Vec<usize>,
-    bits:    u32,
-    mode:    FFTMode,
-}
-
-impl FFT {
-    fn do_fft_inplace_ct(&mut self, data: &mut [FFTComplex], bits: u32, forward: bool) {
-        if bits == 0 { return; }
-        if bits == 1 {
-            let sum01 = data[0] + data[1];
-            let dif01 = data[0] - data[1];
-            data[0] = sum01;
-            data[1] = dif01;
-            return;
-        }
-        if bits == 2 {
-            let sum01 = data[0] + data[1];
-            let dif01 = data[0] - data[1];
-            let sum23 = data[2] + data[3];
-            let dif23 = data[2] - data[3];
-            if forward {
-                data[0] = sum01 + sum23;
-                data[1] = dif01 - dif23.rotate();
-                data[2] = sum01 - sum23;
-                data[3] = dif01 + dif23.rotate();
-            } else {
-                data[0] = sum01 + sum23;
-                data[1] = dif01 + dif23.rotate();
-                data[2] = sum01 - sum23;
-                data[3] = dif01 - dif23.rotate();
-            }
-            return;
-        }
-
-        let hsize = (1 << (bits - 1)) as usize;
-        self.do_fft_inplace_ct(&mut data[0..hsize], bits - 1, forward);
-        self.do_fft_inplace_ct(&mut data[hsize..],  bits - 1, forward);
-        let offs = hsize;
-        {
-            let e = data[0];
-            let o = data[hsize];
-            data[0]     = e + o;
-            data[hsize] = e - o;
-        }
-        if forward {
-            for k in 1..hsize {
-                let e = data[k];
-                let o = data[k + hsize] * self.table[offs + k];
-                data[k]         = e + o;
-                data[k + hsize] = e - o;
-            }
-        } else {
-            for k in 1..hsize {
-                let e = data[k];
-                let o = data[k + hsize] * !self.table[offs + k];
-                data[k]         = e + o;
-                data[k + hsize] = e - o;
-            }
-        }
-    }
-
-    fn do_fft_inplace_splitradix(&mut self, data: &mut [FFTComplex], bits: u32, forward: bool) {
-        if bits == 0 { return; }
-        if bits == 1 {
-            let sum01 = data[0] + data[1];
-            let dif01 = data[0] - data[1];
-            data[0] = sum01;
-            data[1] = dif01;
-            return;
-        }
-        if bits == 2 {
-            let sum01 = data[0] + data[2];
-            let dif01 = data[0] - data[2];
-            let sum23 = data[1] + data[3];
-            let dif23 = data[1] - data[3];
-            if forward {
-                data[0] = sum01 + sum23;
-                data[1] = dif01 - dif23.rotate();
-                data[2] = sum01 - sum23;
-                data[3] = dif01 + dif23.rotate();
-            } else {
-                data[0] = sum01 + sum23;
-                data[1] = dif01 + dif23.rotate();
-                data[2] = sum01 - sum23;
-                data[3] = dif01 - dif23.rotate();
-            }
-            return;
-        }
-        let qsize = (1 << (bits - 2)) as usize;
-        let hsize = (1 << (bits - 1)) as usize;
-        let q3size = qsize + hsize;
-
-        self.do_fft_inplace_splitradix(&mut data[0     ..hsize],  bits - 1, forward);
-        self.do_fft_inplace_splitradix(&mut data[hsize ..q3size], bits - 2, forward);
-        self.do_fft_inplace_splitradix(&mut data[q3size..],       bits - 2, forward);
-        let off = hsize;
-        if forward {
-            {
-                let t3 =  data[0 + hsize] + data[0 + q3size];
-                let t4 = (data[0 + hsize] - data[0 + q3size]).rotate();
-                let e1 = data[0];
-                let e2 = data[0 + qsize];
-                data[0]          = e1 + t3;
-                data[0 + qsize]  = e2 - t4;
-                data[0 + hsize]  = e1 - t3;
-                data[0 + q3size] = e2 + t4;
-            }
-            for k in 1..qsize {
-                let t1 = self.table[off + k * 2 + 0] * data[k + hsize];
-                let t2 = self.table[off + k * 2 + 1] * data[k + q3size];
-                let t3 =  t1 + t2;
-                let t4 = (t1 - t2).rotate();
-                let e1 = data[k];
-                let e2 = data[k + qsize];
-                data[k]             = e1 + t3;
-                data[k + qsize]     = e2 - t4;
-                data[k + hsize]     = e1 - t3;
-                data[k + qsize * 3] = e2 + t4;
-            }
-        } else {
-            {
-                let t3 =  data[0 + hsize] + data[0 + q3size];
-                let t4 = (data[0 + hsize] - data[0 + q3size]).rotate();
-                let e1 = data[0];
-                let e2 = data[0 + qsize];
-                data[0]          = e1 + t3;
-                data[0 + qsize]  = e2 + t4;
-                data[0 + hsize]  = e1 - t3;
-                data[0 + q3size] = e2 - t4;
-            }
-            for k in 1..qsize {
-                let t1 = !self.table[off + k * 2 + 0] * data[k + hsize];
-                let t2 = !self.table[off + k * 2 + 1] * data[k + q3size];
-                let t3 =  t1 + t2;
-                let t4 = (t1 - t2).rotate();
-                let e1 = data[k];
-                let e2 = data[k + qsize];
-                data[k]             = e1 + t3;
-                data[k + qsize]     = e2 + t4;
-                data[k + hsize]     = e1 - t3;
-                data[k + qsize * 3] = e2 - t4;
-            }
-        }
-    }
-
-    pub fn do_fft(&mut self, src: &[FFTComplex], dst: &mut [FFTComplex], forward: bool) {
-        match self.mode {
-            FFTMode::Matrix => {
-                    let base = if forward { -consts::PI * 2.0 / (src.len() as f32) }
-                               else       {  consts::PI * 2.0 / (src.len() as f32) };
-                    for k in 0..src.len() {
-                        let mut sum = FFTC_ZERO;
-                        for n in 0..src.len() {
-                            let w = FFTComplex::exp(base * ((n * k) as f32));
-                            sum += src[n] * w;
-                        }
-                        dst[k] = sum;
-                    }
-                },
-            FFTMode::CooleyTukey => {
-                    let bits = self.bits;
-                    for k in 0..src.len() { dst[k] = src[self.perms[k]]; }
-                    self.do_fft_inplace_ct(dst, bits, forward);
-                },
-            FFTMode::SplitRadix => {
-                    let bits = self.bits;
-                    for k in 0..src.len() { dst[k] = src[self.perms[k]]; }
-                    self.do_fft_inplace_splitradix(dst, bits, forward);
-                },
-        };
-    }
-
-    pub fn do_fft_inplace(&mut self, data: &mut [FFTComplex], forward: bool) {
-        for idx in 0..self.swaps.len() {
-            let nidx = self.swaps[idx];
-            if idx != nidx {
-                let t      = data[nidx];
-                data[nidx] = data[idx];
-                data[idx]  = t;
-            }
-        }
-        match self.mode {
-            FFTMode::Matrix => {
-                    let size = (1 << self.bits) as usize;
-                    let base = if forward { -consts::PI * 2.0 / (size as f32) }
-                               else       {  consts::PI * 2.0 / (size as f32) };
-                    let mut res: Vec<FFTComplex> = Vec::with_capacity(size);
-                    for k in 0..size {
-                        let mut sum = FFTC_ZERO;
-                        for n in 0..size {
-                            let w = FFTComplex::exp(base * ((n * k) as f32));
-                            sum += data[n] * w;
-                        }
-                        res.push(sum);
-                    }
-                    for k in 0..size {
-                        data[k] = res[k];
-                    }
-                },
-            FFTMode::CooleyTukey => {
-                    let bits = self.bits;
-                    self.do_fft_inplace_ct(data, bits, forward);
-                },
-            FFTMode::SplitRadix => {
-                    let bits = self.bits;
-                    self.do_fft_inplace_splitradix(data, bits, forward);
-                },
-        };
-    }
-}
-
-pub struct FFTBuilder {
-}
-
-fn reverse_bits(inval: u32) -> u32 {
-    const REV_TAB: [u8; 16] = [
-        0b0000, 0b1000, 0b0100, 0b1100, 0b0010, 0b1010, 0b0110, 0b1110,
-        0b0001, 0b1001, 0b0101, 0b1101, 0b0011, 0b1011, 0b0111, 0b1111,
-    ];
-
-    let mut ret = 0;
-    let mut val = inval;
-    for _ in 0..8 {
-        ret = (ret << 4) | (REV_TAB[(val & 0xF) as usize] as u32);
-        val = val >> 4;
-    }
-    ret
-}
-
-fn swp_idx(idx: usize, bits: u32) -> usize {
-    let s = reverse_bits(idx as u32) as usize;
-    s >> (32 - bits)
-}
-
-fn gen_sr_perms(swaps: &mut [usize], size: usize) {
-    if size <= 4 { return; }
-    let mut evec:  Vec<usize> = Vec::with_capacity(size / 2);
-    let mut ovec1: Vec<usize> = Vec::with_capacity(size / 4);
-    let mut ovec2: Vec<usize> = Vec::with_capacity(size / 4);
-    for k in 0..size/4 {
-        evec.push (swaps[k * 4 + 0]);
-        ovec1.push(swaps[k * 4 + 1]);
-        evec.push (swaps[k * 4 + 2]);
-        ovec2.push(swaps[k * 4 + 3]);
-    }
-    for k in 0..size/2 { swaps[k]            = evec[k]; }
-    for k in 0..size/4 { swaps[k +   size/2] = ovec1[k]; }
-    for k in 0..size/4 { swaps[k + 3*size/4] = ovec2[k]; }
-    gen_sr_perms(&mut swaps[0..size/2],        size/2);
-    gen_sr_perms(&mut swaps[size/2..3*size/4], size/4);
-    gen_sr_perms(&mut swaps[3*size/4..],       size/4);
-}
-
-fn gen_swaps_for_perm(swaps: &mut Vec<usize>, perms: &Vec<usize>) {
-    let mut idx_arr: Vec<usize> = Vec::with_capacity(perms.len());
-    for i in 0..perms.len() { idx_arr.push(i); }
-    let mut run_size = 0;
-    let mut run_pos  = 0;
-    for idx in 0..perms.len() {
-        if perms[idx] == idx_arr[idx] {
-            if run_size == 0 { run_pos = idx; }
-            run_size += 1;
-        } else {
-            for i in 0..run_size {
-                swaps.push(run_pos + i);
-            }
-            run_size = 0;
-            let mut spos = idx + 1;
-            while idx_arr[spos] != perms[idx] { spos += 1; }
-            idx_arr[spos] = idx_arr[idx];
-            idx_arr[idx]  = perms[idx];
-            swaps.push(spos);
-        }
-    }
-}
-
-impl FFTBuilder {
-    pub fn new_fft(mode: FFTMode, size: usize) -> FFT {
-        let mut swaps: Vec<usize>;
-        let mut perms: Vec<usize>;
-        let mut table: Vec<FFTComplex>;
-        let bits = 31 - (size as u32).leading_zeros();
-        match mode {
-            FFTMode::Matrix => {
-                    swaps = Vec::new();
-                    perms = Vec::new();
-                    table = Vec::new();
-                },
-            FFTMode::CooleyTukey => {
-                    perms = Vec::with_capacity(size);
-                    for i in 0..size {
-                        perms.push(swp_idx(i, bits));
-                    }
-                    swaps = Vec::with_capacity(size);
-                    table = Vec::with_capacity(size);
-                    for _ in 0..4 { table.push(FFTC_ZERO); }
-                    for b in 3..(bits+1) {
-                        let hsize = (1 << (b - 1)) as usize;
-                        let base = -consts::PI / (hsize as f32);
-                        for k in 0..hsize {
-                            table.push(FFTComplex::exp(base * (k as f32)));
-                        }
-                    }
-                },
-            FFTMode::SplitRadix => {
-                    perms = Vec::with_capacity(size);
-                    for i in 0..size {
-                        perms.push(i);
-                    }
-                    gen_sr_perms(perms.as_mut_slice(), 1 << bits);
-                    swaps = Vec::with_capacity(size);
-                    table = Vec::with_capacity(size);
-                    for _ in 0..4 { table.push(FFTC_ZERO); }
-                    for b in 3..(bits+1) {
-                        let qsize = (1 << (b - 2)) as usize;
-                        let base = -consts::PI / ((qsize * 2) as f32);
-                        for k in 0..qsize {
-                            table.push(FFTComplex::exp(base * ((k * 1) as f32)));
-                            table.push(FFTComplex::exp(base * ((k * 3) as f32)));
-                        }
-                    }
-                },
-        };
-        gen_swaps_for_perm(&mut swaps, &perms);
-        FFT { mode: mode, swaps: swaps, perms: perms, bits: bits, table: table }
-    }
-}
-
-
-#[cfg(test)]
-mod test {
-    use super::*;
-
-    #[test]
-    fn test_fft() {
-        let mut fin:   [FFTComplex; 128] = [FFTC_ZERO; 128];
-        let mut fout1: [FFTComplex; 128] = [FFTC_ZERO; 128];
-        let mut fout2: [FFTComplex; 128] = [FFTC_ZERO; 128];
-        let mut fout3: [FFTComplex; 128] = [FFTC_ZERO; 128];
-        let mut fft1 = FFTBuilder::new_fft(FFTMode::Matrix,      fin.len());
-        let mut fft2 = FFTBuilder::new_fft(FFTMode::CooleyTukey, fin.len());
-        let mut fft3 = FFTBuilder::new_fft(FFTMode::SplitRadix,  fin.len());
-        let mut seed: u32 = 42;
-        for i in 0..fin.len() {
-            seed = seed.wrapping_mul(1664525).wrapping_add(1013904223);
-            let val = (seed >> 16) as i16;
-            fin[i].re = (val as f32) / 256.0;
-            seed = seed.wrapping_mul(1664525).wrapping_add(1013904223);
-            let val = (seed >> 16) as i16;
-            fin[i].im = (val as f32) / 256.0;
-        }
-        fft1.do_fft(&fin, &mut fout1, true);
-        fft2.do_fft(&fin, &mut fout2, true);
-        fft3.do_fft(&fin, &mut fout3, true);
-
-        for i in 0..fin.len() {
-            assert!((fout1[i].re - fout2[i].re).abs() < 1.0);
-            assert!((fout1[i].im - fout2[i].im).abs() < 1.0);
-            assert!((fout1[i].re - fout3[i].re).abs() < 1.0);
-            assert!((fout1[i].im - fout3[i].im).abs() < 1.0);
-        }
-        fft1.do_fft_inplace(&mut fout1, false);
-        fft2.do_fft_inplace(&mut fout2, false);
-        fft3.do_fft_inplace(&mut fout3, false);
-
-        let sc = 1.0 / (fin.len() as f32);
-        for i in 0..fin.len() {
-            assert!((fin[i].re - fout1[i].re * sc).abs() < 1.0);
-            assert!((fin[i].im - fout1[i].im * sc).abs() < 1.0);
-            assert!((fout1[i].re - fout2[i].re).abs() < 1.0);
-            assert!((fout1[i].im - fout2[i].im).abs() < 1.0);
-            assert!((fout1[i].re - fout3[i].re).abs() < 1.0);
-            assert!((fout1[i].im - fout3[i].im).abs() < 1.0);
-        }
-    }
-}