Planet
navi homePPSaboutscreenshotsdownloaddevelopmentforum

source: orxonox.OLD/orxonox/trunk/src/lib/newmat/fft.cpp @ 4630

Last change on this file since 4630 was 4565, checked in by patrick, 19 years ago

orxonox/trunk: added the newmat library to the project. needs some translation in directory, temp under util/newmat. is needed by the collision detection engine to perform lin alg operations such as eigenvector decomposition. perhaps we will make our own library to do that later.

File size: 14.2 KB
Line 
1//$$ fft.cpp                         Fast fourier transform
2
3// Copyright (C) 1991,2,3,4,8: R B Davies
4
5
6#define WANT_MATH
7// #define WANT_STREAM
8
9#include "include.h"
10
11#include "newmatap.h"
12
13// #include "newmatio.h"
14
15#ifdef use_namespace
16namespace NEWMAT {
17#endif
18
19#ifdef DO_REPORT
20#define REPORT { static ExeCounter ExeCount(__LINE__,19); ++ExeCount; }
21#else
22#define REPORT {}
23#endif
24
25static void cossin(int n, int d, Real& c, Real& s)
26// calculate cos(twopi*n/d) and sin(twopi*n/d)
27// minimise roundoff error
28{
29   REPORT
30   long n4 = n * 4; int sector = (int)floor( (Real)n4 / (Real)d + 0.5 );
31   n4 -= sector * d;
32   if (sector < 0) { REPORT sector = 3 - (3 - sector) % 4; }
33   else  { REPORT sector %= 4; }
34   Real ratio = 1.5707963267948966192 * (Real)n4 / (Real)d;
35
36   switch (sector)
37   {
38   case 0: REPORT c =  cos(ratio); s =  sin(ratio); break;
39   case 1: REPORT c = -sin(ratio); s =  cos(ratio); break;
40   case 2: REPORT c = -cos(ratio); s = -sin(ratio); break;
41   case 3: REPORT c =  sin(ratio); s = -cos(ratio); break;
42   }
43}
44
45static void fftstep(ColumnVector& A, ColumnVector& B, ColumnVector& X,
46   ColumnVector& Y, int after, int now, int before)
47{
48   REPORT
49   Tracer trace("FFT(step)");
50   // const Real twopi = 6.2831853071795864769;
51   const int gamma = after * before;  const int delta = now * after;
52   // const Real angle = twopi / delta;  Real temp;
53   // Real r_omega = cos(angle);  Real i_omega = -sin(angle);
54   Real r_arg = 1.0;  Real i_arg = 0.0;
55   Real* x = X.Store();  Real* y = Y.Store();   // pointers to array storage
56   const int m = A.Nrows() - gamma;
57
58   for (int j = 0; j < now; j++)
59   {
60      Real* a = A.Store(); Real* b = B.Store(); // pointers to array storage
61      Real* x1 = x; Real* y1 = y; x += after; y += after;
62      for (int ia = 0; ia < after; ia++)
63      {
64         // generate sins & cosines explicitly rather than iteratively
65         // for more accuracy; but slower
66         cossin(-(j*after+ia), delta, r_arg, i_arg);
67
68         Real* a1 = a++; Real* b1 = b++; Real* x2 = x1++; Real* y2 = y1++;
69         if (now==2)
70         {
71            REPORT int ib = before;
72            if (ib) for (;;)
73            {
74               REPORT
75               Real* a2 = m + a1; Real* b2 = m + b1; a1 += after; b1 += after;
76               Real r_value = *a2; Real i_value = *b2;
77               *x2 = r_value * r_arg - i_value * i_arg + *(a2-gamma);
78               *y2 = r_value * i_arg + i_value * r_arg + *(b2-gamma);
79               if (!(--ib)) break;
80               x2 += delta; y2 += delta;
81            }
82         }
83         else
84         {
85            REPORT int ib = before;
86            if (ib) for (;;)
87            {
88               REPORT
89               Real* a2 = m + a1; Real* b2 = m + b1; a1 += after; b1 += after;
90               Real r_value = *a2; Real i_value = *b2;
91               int in = now-1; while (in--)
92               {
93                  // it should be possible to make this faster
94                  // hand code for now = 2,3,4,5,8
95                  // use symmetry to halve number of operations
96                  a2 -= gamma; b2 -= gamma;  Real temp = r_value;
97                  r_value = r_value * r_arg - i_value * i_arg + *a2;
98                  i_value = temp    * i_arg + i_value * r_arg + *b2;
99               }
100               *x2 = r_value; *y2 = i_value;
101               if (!(--ib)) break;
102               x2 += delta; y2 += delta;
103            }
104         }
105
106         // temp = r_arg;
107         // r_arg = r_arg * r_omega - i_arg * i_omega;
108         // i_arg = temp  * i_omega + i_arg * r_omega;
109
110      }
111   }
112}
113
114
115void FFTI(const ColumnVector& U, const ColumnVector& V,
116   ColumnVector& X, ColumnVector& Y)
117{
118   // Inverse transform
119   Tracer trace("FFTI");
120   REPORT
121   FFT(U,-V,X,Y);
122   const Real n = X.Nrows(); X /= n; Y /= (-n);
123}
124
125void RealFFT(const ColumnVector& U, ColumnVector& X, ColumnVector& Y)
126{
127   // Fourier transform of a real series
128   Tracer trace("RealFFT");
129   REPORT
130   const int n = U.Nrows();                     // length of arrays
131   const int n2 = n / 2;
132   if (n != 2 * n2)
133      Throw(ProgramException("Vector length not multiple of 2", U));
134   ColumnVector A(n2), B(n2);
135   Real* a = A.Store(); Real* b = B.Store(); Real* u = U.Store(); int i = n2;
136   while (i--) { *a++ = *u++; *b++ = *u++; }
137   FFT(A,B,A,B);
138   int n21 = n2 + 1;
139   X.ReSize(n21); Y.ReSize(n21);
140   i = n2 - 1;
141   a = A.Store(); b = B.Store();              // first els of A and B
142   Real* an = a + i; Real* bn = b + i;        // last els of A and B
143   Real* x = X.Store(); Real* y = Y.Store();  // first els of X and Y
144   Real* xn = x + n2; Real* yn = y + n2;      // last els of X and Y
145
146   *x++ = *a + *b; *y++ = 0.0;                // first complex element
147   *xn-- = *a++ - *b++; *yn-- = 0.0;          // last complex element
148
149   int j = -1; i = n2/2;
150   while (i--)
151   {
152      Real c,s; cossin(j--,n,c,s);
153      Real am = *a - *an; Real ap = *a++ + *an--;
154      Real bm = *b - *bn; Real bp = *b++ + *bn--;
155      Real samcbp = s * am + c * bp; Real sbpcam = s * bp - c * am;
156      *x++  =  0.5 * ( ap + samcbp); *y++  =  0.5 * ( bm + sbpcam);
157      *xn-- =  0.5 * ( ap - samcbp); *yn-- =  0.5 * (-bm + sbpcam);
158   }
159}
160
161void RealFFTI(const ColumnVector& A, const ColumnVector& B, ColumnVector& U)
162{
163   // inverse of a Fourier transform of a real series
164   Tracer trace("RealFFTI");
165   REPORT
166   const int n21 = A.Nrows();                     // length of arrays
167   if (n21 != B.Nrows() || n21 == 0)
168      Throw(ProgramException("Vector lengths unequal or zero", A, B));
169   const int n2 = n21 - 1;  const int n = 2 * n2;  int i = n2 - 1;
170
171   ColumnVector X(n2), Y(n2);
172   Real* a = A.Store(); Real* b = B.Store();  // first els of A and B
173   Real* an = a + n2;   Real* bn = b + n2;    // last els of A and B
174   Real* x = X.Store(); Real* y = Y.Store();  // first els of X and Y
175   Real* xn = x + i;    Real* yn = y + i;     // last els of X and Y
176
177   Real hn = 0.5 / n2;
178   *x++  = hn * (*a + *an);  *y++  = - hn * (*a - *an);
179   a++; an--; b++; bn--;
180   int j = -1;  i = n2/2;
181   while (i--)
182   {
183      Real c,s; cossin(j--,n,c,s);
184      Real am = *a - *an; Real ap = *a++ + *an--;
185      Real bm = *b - *bn; Real bp = *b++ + *bn--;
186      Real samcbp = s * am - c * bp; Real sbpcam = s * bp + c * am;
187      *x++  =  hn * ( ap + samcbp); *y++  =  - hn * ( bm + sbpcam);
188      *xn-- =  hn * ( ap - samcbp); *yn-- =  - hn * (-bm + sbpcam);
189   }
190   FFT(X,Y,X,Y);             // have done inverting elsewhere
191   U.ReSize(n); i = n2;
192   x = X.Store(); y = Y.Store(); Real* u = U.Store();
193   while (i--) { *u++ = *x++; *u++ = - *y++; }
194}
195
196void FFT(const ColumnVector& U, const ColumnVector& V,
197   ColumnVector& X, ColumnVector& Y)
198{
199   // from Carl de Boor (1980), Siam J Sci Stat Comput, 1 173-8
200   // but first try Sande and Gentleman
201   Tracer trace("FFT");
202   REPORT
203   const int n = U.Nrows();                     // length of arrays
204   if (n != V.Nrows() || n == 0)
205      Throw(ProgramException("Vector lengths unequal or zero", U, V));
206   if (n == 1) { REPORT X = U; Y = V; return; }
207
208   // see if we can use the newfft routine
209   if (!FFT_Controller::OnlyOldFFT && FFT_Controller::CanFactor(n))
210   {
211      REPORT
212      X = U; Y = V;
213      if ( FFT_Controller::ar_1d_ft(n,X.Store(),Y.Store()) ) return;
214   }
215
216   ColumnVector B = V;
217   ColumnVector A = U;
218   X.ReSize(n); Y.ReSize(n);
219   const int nextmx = 8;
220#ifndef ATandT
221   int prime[8] = { 2,3,5,7,11,13,17,19 };
222#else
223   int prime[8];
224   prime[0]=2; prime[1]=3; prime[2]=5; prime[3]=7;
225   prime[4]=11; prime[5]=13; prime[6]=17; prime[7]=19;
226#endif
227   int after = 1; int before = n; int next = 0; bool inzee = true;
228   int now = 0; int b1;             // initialised to keep gnu happy
229
230   do
231   {
232      for (;;)
233      {
234         if (next < nextmx) { REPORT now = prime[next]; }
235         b1 = before / now;  if (b1 * now == before) { REPORT break; }
236         next++; now += 2;
237      }
238      before = b1;
239
240      if (inzee) { REPORT fftstep(A, B, X, Y, after, now, before); }
241      else { REPORT fftstep(X, Y, A, B, after, now, before); }
242
243      inzee = !inzee; after *= now;
244   }
245   while (before != 1);
246
247   if (inzee) { REPORT A.Release(); X = A; B.Release(); Y = B; }
248}
249
250// Trigonometric transforms
251// see Charles Van Loan (1992) "Computational frameworks for the fast
252// Fourier transform" published by SIAM; section 4.4.
253
254void DCT_II(const ColumnVector& U, ColumnVector& V)
255{
256   // Discrete cosine transform, type II, of a real series
257   Tracer trace("DCT_II");
258   REPORT
259   const int n = U.Nrows();                     // length of arrays
260   const int n2 = n / 2; const int n4 = n * 4;
261   if (n != 2 * n2)
262      Throw(ProgramException("Vector length not multiple of 2", U));
263   ColumnVector A(n);
264   Real* a = A.Store(); Real* b = a + n; Real* u = U.Store();
265   int i = n2;
266   while (i--) { *a++ = *u++; *(--b) = *u++; }
267   ColumnVector X, Y;
268   RealFFT(A, X, Y); A.CleanUp();
269   V.ReSize(n);
270   Real* x = X.Store(); Real* y = Y.Store();
271   Real* v = V.Store(); Real* w = v + n;
272   *v = *x;
273   int k = 0; i = n2;
274   while (i--)
275   {
276      Real c, s; cossin(++k, n4, c, s);
277      Real xi = *(++x); Real yi = *(++y);
278      *(++v) = xi * c + yi * s; *(--w) = xi * s - yi * c;
279   }
280}
281
282void DCT_II_inverse(const ColumnVector& V, ColumnVector& U)
283{
284   // Inverse of discrete cosine transform, type II
285   Tracer trace("DCT_II_inverse");
286   REPORT
287   const int n = V.Nrows();                     // length of array
288   const int n2 = n / 2; const int n4 = n * 4; const int n21 = n2 + 1;
289   if (n != 2 * n2)
290      Throw(ProgramException("Vector length not multiple of 2", V));
291   ColumnVector X(n21), Y(n21);
292   Real* x = X.Store(); Real* y = Y.Store();
293   Real* v = V.Store(); Real* w = v + n;
294   *x = *v; *y = 0.0;
295   int i = n2; int k = 0;
296   while (i--)
297   {
298      Real c, s; cossin(++k, n4, c, s);
299      Real vi = *(++v); Real wi = *(--w);
300      *(++x) = vi * c + wi * s; *(++y) = vi * s - wi * c;
301   }
302   ColumnVector A; RealFFTI(X, Y, A);
303   X.CleanUp(); Y.CleanUp(); U.ReSize(n);
304   Real* a = A.Store(); Real* b = a + n; Real* u = U.Store();
305   i = n2;
306   while (i--) { *u++ = *a++; *u++ = *(--b); }
307}
308
309void DST_II(const ColumnVector& U, ColumnVector& V)
310{
311   // Discrete sine transform, type II, of a real series
312   Tracer trace("DST_II");
313   REPORT
314   const int n = U.Nrows();                     // length of arrays
315   const int n2 = n / 2; const int n4 = n * 4;
316   if (n != 2 * n2)
317      Throw(ProgramException("Vector length not multiple of 2", U));
318   ColumnVector A(n);
319   Real* a = A.Store(); Real* b = a + n; Real* u = U.Store();
320   int i = n2;
321   while (i--) { *a++ = *u++; *(--b) = -(*u++); }
322   ColumnVector X, Y;
323   RealFFT(A, X, Y); A.CleanUp();
324   V.ReSize(n);
325   Real* x = X.Store(); Real* y = Y.Store();
326   Real* v = V.Store(); Real* w = v + n;
327   *(--w) = *x;
328   int k = 0; i = n2;
329   while (i--)
330   {
331      Real c, s; cossin(++k, n4, c, s);
332      Real xi = *(++x); Real yi = *(++y);
333      *v++ = xi * s - yi * c; *(--w) = xi * c + yi * s;
334   }
335}
336
337void DST_II_inverse(const ColumnVector& V, ColumnVector& U)
338{
339   // Inverse of discrete sine transform, type II
340   Tracer trace("DST_II_inverse");
341   REPORT
342   const int n = V.Nrows();                     // length of array
343   const int n2 = n / 2; const int n4 = n * 4; const int n21 = n2 + 1;
344   if (n != 2 * n2)
345      Throw(ProgramException("Vector length not multiple of 2", V));
346   ColumnVector X(n21), Y(n21);
347   Real* x = X.Store(); Real* y = Y.Store();
348   Real* v = V.Store(); Real* w = v + n;
349   *x = *(--w); *y = 0.0;
350   int i = n2; int k = 0;
351   while (i--)
352   {
353      Real c, s; cossin(++k, n4, c, s);
354      Real vi = *v++; Real wi = *(--w);
355      *(++x) = vi * s + wi * c; *(++y) = - vi * c + wi * s;
356   }
357   ColumnVector A; RealFFTI(X, Y, A);
358   X.CleanUp(); Y.CleanUp(); U.ReSize(n);
359   Real* a = A.Store(); Real* b = a + n; Real* u = U.Store();
360   i = n2;
361   while (i--) { *u++ = *a++; *u++ = -(*(--b)); }
362}
363
364void DCT_inverse(const ColumnVector& V, ColumnVector& U)
365{
366   // Inverse of discrete cosine transform, type I
367   Tracer trace("DCT_inverse");
368   REPORT
369   const int n = V.Nrows()-1;                     // length of transform
370   const int n2 = n / 2; const int n21 = n2 + 1;
371   if (n != 2 * n2)
372      Throw(ProgramException("Vector length not multiple of 2", V));
373   ColumnVector X(n21), Y(n21);
374   Real* x = X.Store(); Real* y = Y.Store(); Real* v = V.Store();
375   Real vi = *v++; *x++ = vi; *y++ = 0.0;
376   Real sum1 = vi / 2.0; Real sum2 = sum1; vi = *v++;
377   int i = n2-1;
378   while (i--)
379   {
380      Real vi2 = *v++; sum1 += vi2 + vi; sum2 += vi2 - vi;
381      *x++ = vi2; vi2 = *v++; *y++ = vi - vi2; vi = vi2;
382   }
383   sum1 += vi; sum2 -= vi;
384   vi = *v; *x = vi; *y = 0.0; vi /= 2.0; sum1 += vi; sum2 += vi;
385   ColumnVector A; RealFFTI(X, Y, A);
386   X.CleanUp(); Y.CleanUp(); U.ReSize(n+1);
387   Real* a = A.Store(); Real* b = a + n; Real* u = U.Store(); v = u + n;
388   i = n2; int k = 0; *u++ = sum1 / n2; *v-- = sum2 / n2;
389   while (i--)
390   {
391      Real s = sin(1.5707963267948966192 * (++k) / n2);
392      Real ai = *(++a); Real bi = *(--b);
393      Real bz = (ai - bi) / 4 / s; Real az = (ai + bi) / 2;
394      *u++ = az - bz; *v-- = az + bz;
395   }
396}
397
398void DCT(const ColumnVector& U, ColumnVector& V)
399{
400   // Discrete cosine transform, type I
401   Tracer trace("DCT");
402   REPORT
403   DCT_inverse(U, V);
404   V *= (V.Nrows()-1)/2;
405}
406
407void DST_inverse(const ColumnVector& V, ColumnVector& U)
408{
409   // Inverse of discrete sine transform, type I
410   Tracer trace("DST_inverse");
411   REPORT
412   const int n = V.Nrows()-1;                     // length of transform
413   const int n2 = n / 2; const int n21 = n2 + 1;
414   if (n != 2 * n2)
415      Throw(ProgramException("Vector length not multiple of 2", V));
416   ColumnVector X(n21), Y(n21);
417   Real* x = X.Store(); Real* y = Y.Store(); Real* v = V.Store();
418   Real vi = *(++v); *x++ = 2 * vi; *y++ = 0.0;
419   int i = n2-1;
420   while (i--) { *y++ = *(++v); Real vi2 = *(++v); *x++ = vi2 - vi; vi = vi2; }
421   *x = -2 * vi; *y = 0.0;
422   ColumnVector A; RealFFTI(X, Y, A);
423   X.CleanUp(); Y.CleanUp(); U.ReSize(n+1);
424   Real* a = A.Store(); Real* b = a + n; Real* u = U.Store(); v = u + n;
425   i = n2; int k = 0; *u++ = 0.0; *v-- = 0.0;
426   while (i--)
427   {
428      Real s = sin(1.5707963267948966192 * (++k) / n2);
429      Real ai = *(++a); Real bi = *(--b);
430      Real az = (ai + bi) / 4 / s; Real bz = (ai - bi) / 2;
431      *u++ = az - bz; *v-- = az + bz;
432   }
433}
434
435void DST(const ColumnVector& U, ColumnVector& V)
436{
437   // Discrete sine transform, type I
438   Tracer trace("DST");
439   REPORT
440   DST_inverse(U, V);
441   V *= (V.Nrows()-1)/2;
442}
443
444
445
446#ifdef use_namespace
447}
448#endif
449
450
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.